Exploração da Point Cloud Library aplicada à percepção em sistemas autónomos

A navegação e a interpretação do meio envolvente por veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um grande desafio na actualidade. Sebastian Thrun, descreve em [Thr02], que o problema do mapeamento em sistemas robóticos é o da aquisição de um modelo espacial do meio envolvente do robô. Neste contexto, a integração de sistemas sensoriais em plataformas robóticas, que permitam a construção de mapas do mundo que as rodeia é de extrema importância. A informação recolhida desses dados pode ser interpretada, tendo aplicabilidade em tarefas de localização, navegação e manipulação de objectos. Até à bem pouco tempo, a generalidade dos sistemas robóticos que realizavam tarefas de mapeamento ou Simultaneous Localization And Mapping (SLAM), utilizavam dispositivos do tipo laser rangefinders e câmaras stereo. Estes equipamentos, para além de serem dispendiosos, fornecem apenas informação bidimensional, recolhidas através de cortes transversais 2D, no caso dos rangefinders. O paradigma deste tipo de tecnologia mudou consideravelmente, com o lançamento no mercado de câmaras RGB-D, como a desenvolvida pela PrimeSense TM e o subsequente lançamento da Kinect, pela Microsoft R para a Xbox 360 no final de 2010. A qualidade do sensor de profundidade, dada a natureza de baixo custo e a sua capacidade de aquisição de dados em tempo real, é incontornável, fazendo com que o sensor se tornasse instantaneamente popular entre pesquisadores e entusiastas. Este avanço tecnológico deu origem a várias ferramentas de desenvolvimento e interacção humana com este tipo de sensor, como por exemplo a Point Cloud Library [RC11] (PCL). Esta ferramenta tem como objectivo fornecer suporte para todos os blocos de construção comuns que uma aplicação 3D necessita, dando especial ênfase ao processamento de nuvens de pontos de n dimensões adquiridas a partir de câmaras RGB-D, bem como scanners laser, câmaras Time-of-Flight ou câmaras stereo. Neste contexto, é realizada nesta dissertação, a avaliação e comparação de alguns dos módulos e métodos constituintes da biblioteca PCL, para a resolução de problemas inerentes à construção e interpretação de mapas, em ambientes indoor não estruturados, utilizando os dados provenientes da Kinect. A partir desta avaliação, é proposta uma arquitectura de sistema que sistematiza o registo de nuvens de pontos, correspondentes a vistas parciais do mundo, num modelo global consistente. Os resultados da avaliação realizada à biblioteca PCL atestam a sua viabilidade, para a resolução dos problemas propostos. Prova da sua viabilidade, são os resultados práticos obtidos, da implementação da arquitectura de sistema proposta, que apresenta resultados de desempenho interessantes, como também boas perspectivas de integração deste tipo de conceitos e tecnologia em plataformas robóticas desenvolvidas no âmbito de projectos do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA).

Sistema de modelização tridimensional para ambientes não estruturados

A navegação de veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um problema em aberto. A complexidade do mundo real ainda é um desafio. A difícil caracterização do relevo irregular, dos objectos dinâmicos e pouco distintos(e a inexistência de referências de localização) tem sido alvo de estudo e do desenvolvimento de vários métodos que permitam de uma forma eficiente, e em tempo real, modelizar o espaço tridimensional. O trabalho realizado ao longo desta dissertação insere-se na estratégia do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) na pesquisa e desenvolvimento de sistemas sensoriais que possibilitem o aumento da capacidade de percepção das plataformas robóticas. O desenvolvimento de um sistema de modelização tridimensional visa acrescentar aos projectos LINCE (Land INtelligent Cooperative Explorer) e TIGRE (Terrestrial Intelligent General proposed Robot Explorer) maior autonomia e capacidade de exploração e mapeamento. Apresentamos alguns sensores utilizados para a aquisição de modelos tridimensionais, bem como alguns dos métodos mais utilizados para o processo de mapeamento, e a sua aplicação em plataformas robóticas. Ao longo desta dissertação são apresentadas e validadas técnicas que permitem a obtenção de modelos tridimensionais. É abordado o problema de analisar a cor e geometria dos objectos, e da criação de modelos realistas que os representam. Desenvolvemos um sistema que nos permite a obtenção de dados volumétricos tridimensionais, a partir de múltiplas leituras de um Laser Range Finder bidimensional de médio alcance. Aos conjuntos de dados resultantes associamos numa nuvem de pontos coerente e referenciada. Foram desenvolvidas e implementadas técnicas de segmentação que permitem inspeccionar uma nuvem de pontos e classifica-la quanto às suas características geométricas, bem como ao tipo de estruturas que representem. São apresentadas algumas técnicas para a criação de Mapas de Elevação Digital, tendo sido desenvolvida um novo método que tira partido da segmentação efectuada

Sistema de modelização tridimensional de galerias subterrâneas

A presente dissertação apresenta uma solução para o problema de modelização tridimensional de galerias subterrâneas. O trabalho desenvolvido emprega técnicas provenientes da área da robótica móvel para obtenção um sistema autónomo móvel de modelização, capaz de operar em ambientes não estruturados sem acesso a sistemas de posicionamento global, designadamente GPS. Um sistema de modelização móvel e autónomo pode ser bastante vantajoso, pois constitui um método rápido e simples de monitorização das estruturas e criação de representações virtuais das galerias com um elevado nível de detalhe. O sistema de modelização desloca-se no interior dos túneis para recolher informações sensoriais sobre a geometria da estrutura. A tarefa de organização destes dados com vista _a construção de um modelo coerente, exige um conhecimento exacto do percurso praticado pelo sistema, logo o problema de localização da plataforma sensorial tem que ser resolvido. A formulação de um sistema de localização autónoma tem que superar obstáculos que se manifestam vincadamente nos ambientes underground, tais como a monotonia estrutural e a já referida ausência de sistemas de posicionamento global. Neste contexto, foi abordado o conceito de SLAM (Simultaneous Loacalization and Mapping) para determinação da localização da plataforma sensorial em seis graus de liberdade. Seguindo a abordagem tradicional, o núcleo do algoritmo de SLAM consiste no filtro de Kalman estendido (EKF { Extended Kalman Filter ). O sistema proposto incorpora métodos avançados do estado da arte, designadamente a parametrização em profundidade inversa (Inverse Depth Parametrization) e o método de rejeição de outliers 1-Point RANSAC. A contribuição mais importante do método por nós proposto para o avanço do estado da arte foi a fusão da informação visual com a informação inercial. O algoritmo de localização foi testado com base em dados reais, adquiridos no interior de um túnel rodoviário. Os resultados obtidos permitem concluir que, ao fundir medidas inerciais com informações visuais, conseguimos evitar o fenómeno de degeneração do factor de escala, comum nas aplicações de localização através de sistemas puramente monoculares. Provámos simultaneamente que a correcção de um sistema de localização inercial através da consideração de informações visuais é eficaz, pois permite suprimir os desvios de trajectória que caracterizam os sistemas de dead reckoning. O algoritmo de modelização, com base na localização estimada, organiza no espaço tridimensional os dados geométricos adquiridos, resultando deste processo um modelo em nuvem de pontos, que posteriormente _e convertido numa malha triangular, atingindo-se assim uma representação mais realista do cenário original.

Application of Visual-Inertial SLAM for 3D Mapping of Underground Environments

The underground scenarios are one of the most challenging environments for accurate and precise 3d mapping where hostile conditions like absence of Global Positioning Systems, extreme lighting variations and geometrically smooth surfaces may be expected. So far, the state-of-the-art methods in underground modelling remain restricted to environments in which pronounced geometric features are abundant. This limitation is a consequence of the scan matching algorithms used to solve the localization and registration problems. This paper contributes to the expansion of the modelling capabilities to structures characterized by uniform geometry and smooth surfaces, as is the case of road and train tunnels. To achieve that, we combine some state of the art techniques from mobile robotics, and propose a method for 6DOF platform positioning in such scenarios, that is latter used for the environment modelling. A visual monocular Simultaneous Localization and Mapping (MonoSLAM) approach based on the Extended Kalman Filter (EKF), complemented by the introduction of inertial measurements in the prediction step, allows our system to localize himself over long distances, using exclusively sensors carried on board a mobile platform. By feeding the Extended Kalman Filter with inertial data we were able to overcome the major problem related with MonoSLAM implementations, known as scale factor ambiguity. Despite extreme lighting variations, reliable visual features were extracted through the SIFT algorithm, and inserted directly in the EKF mechanism according to the Inverse Depth Parametrization. Through the 1-Point RANSAC (Random Sample Consensus) wrong frame-to-frame feature matches were rejected. The developed method was tested based on a dataset acquired inside a road tunnel and the navigation results compared with a ground truth obtained by post-processing a high grade Inertial Navigation System and L1/L2 RTK-GPS measurements acquired outside the tunnel. Results from the localization strategy are presented and analyzed.

Dynamic power- and failure-aware cloud resources allocation for Sets of independent tasks

Cloud computing is increasingly being adopted in different scenarios, like social networking, business applications, scientific experiments, etc. Relying in virtualization technology, the construction of these computing environments targets improvements in the infrastructure, such as power-efficiency and fulfillment of users’ SLA specifications. The methodology usually applied is packing all the virtual machines on the proper physical servers. However, failure occurrences in these networked computing systems can induce substantial negative impact on system performance, deviating the system from ours initial objectives. In this work, we propose adapted algorithms to dynamically map virtual machines to physical hosts, in order to improve cloud infrastructure power-efficiency, with low impact on users’ required performance. Our decision making algorithms leverage proactive fault-tolerance techniques to deal with systems failures, allied with virtual machine technology to share nodes resources in an accurately and controlled manner. The results indicate that our algorithms perform better targeting power-efficiency and SLA fulfillment, in face of cloud infrastructure failures.

Integração e contextualização de modelos 3D no ensino da área da saúde

Mestrado em Engenharia Informática. Sistemas Gráficos e Multimédia.

Estudo da implementação de um sistema de vigilância e alarme num recurso hídrico

Neste trabalho estudou-se a implementação de um sistema de vigilância e alerta da qualidade da água de um recurso hídrico, para um possível caso de poluição. Em 25 de Agosto de 2008 foram derramadas 4 toneladas de ácido clorídrico acidentalmente para as águas do rio Febros. Este rio situa-se no concelho de Vila Nova de Gaia e é um pequeno afluente do rio Douro, tendo cerca de 14 km de extensão e tem a particularidade de atravessar o Parque Biológico de Gaia. A falta de uma rápida intervenção e da existência de um plano de ação levou a que parte da fauna e flora fosse destruída. Por este motivo realizou-se este estudo que se baseou na criação de um sistema de vigilância e alerta a ser implementado neste rio. A informação da hidrogeometria do rio e da capacidade de transporte e dispersão de poluentes é indispensável para o bom funcionamento deste sistema. O coeficiente de dispersão longitudinal é um parâmetro muito importante no estudo da qualidade da água. Recorreu-se à utilização da Rodamina WT como marcador, determinando assim a evolução da sua concentração ao longo do tempo e espaço. No cálculo do coeficiente de dispersão foi utilizado o modelo Transient Storage, que demonstrou ser um bom modelo de ajuste aproximando-se dos valores medidos em campo. Para três estações diferentes com distâncias de 290, 390 e 1100 metros do ponto de injeção, obtiveram-se valores de coeficiente de dispersão de 0,18, 0,15 e 0,39 m2/s respetivamente. Os valores do ajuste expressos sob a forma de coeficiente de correlação foram 0,988, 0,998 e 0,986, para a mesma ordem de estações. A constante de rearejamento do rio foi também determinada recorrendo ao método dos marcadores inertes, utilizando o propano como marcador gasoso. A constante determinada próximo de Casal Drijo, entre 2 estações de amostragem a 140 e 290 m do local de injeção, foi de 13,4 dia-1. Com os resultados do coeficiente de dispersão e da constante de rearejamento para além da velocidade e caudal da corrente do rio conseguir-se-á construir o modelo de simulação e previsão de um possível poluente. O sistema de vigilância a implementar sugere-se assim que seja construído por duas partes, uma de análise de evolução da nuvem de poluição e plano de ação outra de monitorização contínua e emissão de alerta. Após uma análise do investimento à implementação deste sistema chegou-se à conclusão que o valor de investimento é de 15.182,00 €.

Modelo generalista de páginas Web para motores de pesquisa com interface 3D

Web tornou-se uma ferramenta indispensável para a sociedade moderna. A capacidade de aceder a enormes quantidades de informação, disponível em praticamente todo o mundo, é uma grande vantagem para as nossas vidas. No entanto, a quantidade avassaladora de informação disponível torna-se um problema, que é o de encontrar a informação que precisamos no meio de muita informação irrelevante. Para nos ajudar nesta tarefa, foram criados poderosos motores de pesquisa online, que esquadrinham a Web à procura dos melhores resultados, segundo os seus critérios, para os dados que precisamos. Actualmente, os motores de pesquisa em voga, usam um formato de apresentação de resultados simples, que consiste apenas numa caixa de texto para o utilizador inserir as palavras-chave sobre o tema que quer pesquisar e os resultados são dispostos sobre uma lista de hiperligações ordenada pela relevância que o motor atribui a cada resultado. Porém, existem outras formas de apresentar resultados. Uma das alternativas é apresentar os resultados sobre interfaces em 3 dimensões. É nestes tipos de sistemas que este trabalho vai incidir, os motores de pesquisa com interfaces em 3 dimensões. O problema é que as páginas Web não estão preparadas para serem consumidas por este tipo de motores de pesquisa. Para resolver este problema foi construído um modelo generalista para páginas Web, que consegue alimentar os requisitos das diversas variantes destes motores de pesquisa. Foi também desenvolvido um protótipo de instanciação automático, que recolhe as informações necessárias das páginas Web e preenche o modelo.

Visualização e manipulação de informação em ambientes 3D imersivos

Ainda antes da invenção da escrita, o desenho foi utilizado para descrever a realidade, tendo evoluído ao longo dos tempos, ganhando mais qualidade e pormenor e recorrendo a suportes cada vez mais evoluídos que permitissem a perpetuação dessa imagem: dessa informação. Desde as pinturas rupestres, nas paredes de grutas paleolíticas, passando pelos hieróglifos, nos templos egípcios, nas gravuras das escrituras antigas e nos quadros sobre tela, a intenção sempre foi a de transmitir a informação da forma mais directa e perceptível por qualquer indivíduo. Nos dias de hoje as novas tecnologias permitem aceder à informação com uma facilidade nunca antes vista ou imaginada, estando certamente ainda por descobrir outras formas de registar e perpetuar a informação para as gerações vindouras. A fotografia está na origem das grandes evoluções da imagem, permitindo capturar o momento, tornando-o “eterno”. Hoje em dia, na era da imagem digital, além de se mostrar a realidade, é possível incorporar na imagem informação adicional, de modo a enriquecer a experiência de visualização e a maximizar a aquisição do conhecimento. As possibilidades da visualização em três dimensões (3D) vieram dar o realismo que faltava ao formato de fotografia original. O 3D permite a imersão do espectador no ambiente que, a própria imagem retrata, à qual se pode ainda adicionar informação escrita ou até sensorial como, por exemplo, o som. Esta imersão num ambiente tridimensional permite ao utilizador interagir com a própria imagem através da navegação e exploração de detalhes, usando ferramentas como o zoom ou ligações incorporados na imagem. A internet é o local onde, hoje em dia, já se disponibilizam estes ambientes imersivos, tornando esta experiência muita mais acessível a qualquer pessoa. Há poucos anos ainda, esta prática só era possível mediante o recurso a dispositivos especificamente construídos para o efeito e que, por isso, apenas estavam disponíveis a grupos restritos de utilizadores. Esta dissertação visa identificar as características de um ambiente 3D imersivo e as técnicas existentes e possíveis de serem usadas para maximizar a experiência de visualização. Apresentar-se-ão algumas aplicações destes ambientes e sua utilidade no nosso dia-a-dia, antevendo as tendências futuras de evolução nesta área. Serão apresentados exemplos de ferramentas para a composição e produção destes ambientes e serão construídos alguns modelos ilustrativos destas técnicas, como forma de avaliar o esforço de desenvolvimento e o resultado obtido, comparativamente com formas mais convencionais de transmitir e armazenar a informação. Para uma avaliação mais objectiva, submeteram-se os modelos produzidos à apreciação de diversos utilizadores, a partir da qual foram elaboradas as conclusões finais deste trabalho relativamente às potencialidades de utilização de ambientes 3D imersivos e suas mais diversas aplicações.

Private cloud computing platforms. Analysis and implementation in a Higher Education Institution

The constant evolution of the Internet and its increasing use and subsequent entailing to private and public activities, resulting in a strong impact on their survival, originates an emerging technology. Through cloud computing, it is possible to abstract users from the lower layers to the business, focusing only on what is most important to manage and with the advantage of being able to grow (or degrades) resources as needed. The paradigm of cloud arises from the necessity of optimization of IT resources evolving in an emergent and rapidly expanding and technology. In this regard, after a study of the most common cloud platforms and the tactic of the current implementation of the technologies applied at the Institute of Biomedical Sciences of Abel Salazar and Faculty of Pharmacy of Oporto University a proposed evolution is suggested in order adorn certain requirements in the context of cloud computing.

Cloud computing sobre a plataforma Windows Azure

A utilização massiva da internet e dos serviços que oferece por parte do utilizador final potencia a evolução dos mesmos, motivando as empresas a apostarem no desenvolvimento deste tipo de soluções. Requisitos como o poder de computação, flexibilidade e escalabilidade tornam-se cada vez mais indissociáveis do desenvolvimento aplicacional, o que leva ao surgimento de paradigmas como o de Cloud Computing. É neste âmbito que surge o presente trabalho. Com o objetivo de estudar o paradigma de Cloud Computing inicia-se um estudo sobre esta temática, onde é detalhado o seu conceito, a sua evolução histórica e comparados os diferentes tipos de implementações que suporta. O estudo detalha posteriormente a plataforma Azure, sendo analisada a sua topologia e arquitetura, detalhando-se os seus componentes e a forma como esta mitiga alguns dos problemas mencionados. Com o conhecimento teórico é desenvolvido um protótipo prático sobre esta plataforma, em que se exploram algumas das particularidades da topologia e se interage com as principais redes sociais. O estudo culmina com uma análise sobre os benefícios e desvantagens do Azure e através de um levantamento das necessidades da empresa, determinam-se as oportunidades que a utilização da plataforma poderá proporcionar.

Informal learning recognition through a cloud ecosystem

Learning and teaching processes, like all human activities, can be mediated through the use of tools. Information and communication technologies are now widespread within education. Their use in the daily life of teachers and learners affords engagement with educational activities at any place and time and not necessarily linked to an institution or a certificate. In the absence of formal certification, learning under these circumstances is known as informal learning. Despite the lack of certification, learning with technology in this way presents opportunities to gather information about and present new ways of exploiting an individual’s learning. Cloud technologies provide ways to achieve this through new architectures, methodologies, and workflows that facilitate semantic tagging, recognition, and acknowledgment of informal learning activities. The transparency and accessibility of cloud services mean that institutions and learners can exploit existing knowledge to their mutual benefit. The TRAILER project facilitates this aim by providing a technological framework using cloud services, a workflow, and a methodology. The services facilitate the exchange of information and knowledge associated with informal learning activities ranging from the use of social software through widgets, computer gaming, and remote laboratory experiments. Data from these activities are shared among institutions, learners, and workers. The project demonstrates the possibility of gathering information related to informal learning activities independently of the context or tools used to carry them out.

Fixed point transformations in the adaptive control of fractional-order MIMO systems

Though the formal mathematical idea of introducing noninteger order derivatives can be traced from the 17th century in a letter by L’Hospital in which he asked Leibniz what the meaning of D n y if n = 1/2 would be in 1695 [1], it was better outlined only in the 19th century [2, 3, 4]. Due to the lack of clear physical interpretation their first applications in physics appeared only later, in the 20th century, in connection with visco-elastic phenomena [5, 6]. The topic later obtained quite general attention [7, 8, 9], and also found new applications in material science [10], analysis of earth-quake signals [11], control of robots [12], and in the description of diffusion [13], etc.

Application of robust fixed point transformations for technological operation of robots

A robot’s drive has to exert appropriate driving forces that can keep its arm and end effector at the proper position, velocity and acceleration, and simultaneously has to compensate for the effects of the contact forces arising between the tool and the workpiece depending on the needs of the actual technological operation. Balancing the effects of a priori unknown external disturbance forces and the inaccuracies of the available dynamic model of the robot is also important. Technological tasks requiring well prescribed end effector trajectories and contact forces simultaneously are challenging control problems that can be tackled in various manners.