Sistema de controlo de um veículo autónomo terrestre

A crescente necessidade imposta pela gama de aplicações existentes, torna o estudo dos veículos autónomos terrestres um objecto de grande interesse na investigação. A utilização de robots móveis autónomos originou quer um incremento de eficiência e eficácia em inúmeras aplicações como permite a intervenção humana em contextos de elevado risco ou inacessibilidade. Aplicações de monitorização e segurança constituem um foco de utilização deste tipo de sistemas quer pela automatização de procedimentos quer pelos ganhos de eficiência (desde a eficiência de soluções multi-veículo à recolha e detecção de informação). Neste contexto, esta dissertação endereça o problema de concepção, o desenvolvimento e a implementação de um veículo autónomo terrestre, com ênfase na perspectiva de controlo. Este projecto surge pois no âmbito do desenvolvimento de um novo veículo terrestre no Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). É efectuado um levantamento de requisitos do sistema tendo por base a caracterização de aplicações de monitorização, transporte e vigilância em cenários exteriores pouco estruturados. Um estado da arte em veículos autónomos terrestres é apresentado bem como conceitos e tecnologias relevantes para o controlo deste tipo de sistemas. O problema de controlo de locomoção é abordado tendo em particular atenção o controlo de motores DC brushless. Apresenta-se o projecto do sistema de controlo do veículo, desde o controlo de tracção e direcção, ao sistema computacional de bordo responsável pelo controlo e supervisão da missão. A solução adoptada para a implementação mecânica da estrutura do veículo consiste numa plataforma de veículo todo terreno (motociclo 4X4) disponível comercialmente. O projecto e implementação do sistema de controlo de direcção para o mesmo é apresentado quer sob o ponto de vista da solução electromecânica, quer pelo subsistema de hardware de controlo embebido e respectivo software. Tendo em vista o controlo de tracção são apresentadas duas soluções. Uma passando pelo estudo e desenvolvimento de um sistema de raiz capaz de controlar motores BLDC de elevada potência, a segunda passando pela utilização de uma solução através de um controlador externo. A gestão energética do sistema é abordada através do projecto e implementação de um sistema de controlo e distribuição de energia específico. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software, envolvendo a integração dos subsistemas projectados especialmente bem como a implementação do sistema computacional de bordo. São apresentados resultados de validação do controlo de locomoção básico quer em simulação quer descritos os testes e validações efectuados no veículo real. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

Implementação de um sistema seguro, robusto e redundante

Um dos temas mais debatidos na sociedade actual é a segurança. Os níveis de segurança e as ferramentas para os alcançar entram em contraponto com os métodos usados para os quebrar. Como no passado, a razão qualidade/serviço mantém-se hoje, e manter-se-á no futuro, assegurando maior segurança àqueles que melhor se protejam. Problemas simples da vida real como furtos ou uso de falsa identidade assumem no meio informático uma forma rápida e por vezes indetectável de crime organizado. Neste estudo são investigados métodos sociais e aplicações informáticas comuns para quebrar a segurança de um sistema informático genérico. Desta forma, e havendo um entendimento sobre o Modus Operandi das entidades mal-intencionadas, poderá comprovar-se a instabilidade e insegurança de um sistema informático, e, posteriormente, actuar sobre o mesmo de tal forma que fique colocado numa posição da segurança que, podendo não ser infalível, poderá estar muito melhorada. Um dos objectivos fulcrais deste trabalho é conseguir implementar e configurar um sistema completo através de um estudo de soluções de mercado, gratuitas ou comerciais, a nível da implementação de um sistema em rede com todos os serviços comuns instalados, i.e., um pacote “chave na mão” com serviços de máquinas, sistema operativo, aplicações, funcionamento em rede com serviços de correio electrónico, gestão empresarial, anti-vírus, firewall, entre outros. Será possível então evidenciar uma instância de um sistema funcional, seguro e com os serviços necessários a um sistema actual, sem recurso a terceiros, e sujeito a um conjunto de testes que contribuem para o reforço da segurança.

Sistema pericial para suporte à decisão na alocação de recursos de emergência

O panorama atual da emergência e socorro de primeira linha em Portugal, carateriza-se por uma grande aposta ao longo dos últimos anos num incremento contínuo da qualidade e da eficiência que estes serviços prestam às populações locais. Com vista à prossecução do objetivo de melhoria contínua dos serviços, foram realizados ao longo dos últimos anos investimentos avultados ao nível dos recursos técnicos e ao nível da contratação e formação de recursos humanos altamente qualificados. Atualmente as instituições que prestam socorro e emergência de primeira linha estão bem dotadas ao nível físico e ao nível humano dos recursos necessários para fazerem face aos mais diversos tipos de ocorrências. Contudo, ao nível dos sistemas de informação de apoio à emergência e socorro de primeira linha, verifica-se uma inadequação (e por vezes inexistência) de sistemas informáticos capazes de suportar convenientemente o atual contexto de exigência e complexidade da emergência e socorro. Foi feita ao longo dos últimos anos, uma forte aposta na melhoria dos recursos físicos e dos recursos humanos encarregues da resposta àsemergência de primeira linha, mas descurou-se a área da gestão e análise da informação sobre as ocorrências, assim como, o delinear de possíveis estratégias de prevenção que uma análise sistematizada da informação sobre as ocorrências possibilita. Nas instituições de emergência e socorro de primeira linha em Portugal (bombeiros, proteção civil municipal, PSP, GNR, polícia municipal), prevalecem ainda hoje os sistemas informáticos apenas para o registo das ocorrências à posteriori e a total inexistência de sistemas de registo de informação e de apoio à decisão na alocação de recursos que operem em tempo real. A generalidade dos sistemas informáticos atualmente existentes nas instituições são unicamente de sistemas de backoffice, que não aproveitam a todas as potencialidades da informação operacional neles armazenada. Verificou-se também, que a geo-localização por via informática dos recursos físicos e de pontos de interesse relevantes em situações críticas é inexistente a este nível. Neste contexto, consideramos ser possível e importante alinhar o nível dos sistemas informáticos das instituições encarregues da emergência e socorro de primeira linha, com o nível dos recursos físicos e humanos que já dispõem atualmente. Dado que a emergência e socorro de primeira linha é um domínio claramente elegível para a aplicação de tecnologias provenientes dos domínios da inteligência artificial (nomeadamente sistemas periciais para apoio à decisão) e da geo-localização, decidimos no âmbito desta tese desenvolver um sistema informático capaz de colmatar muitas das lacunas por nós identificadas ao nível dos sistemas informáticos destas instituições. Pretendemos colocar as suas plataformas informáticas num nível similar ao dos seus recursos físicos e humanos. Assim, foram por nós identificadas duas áreas chave onde a implementação de sistemas informáticos adequados às reais necessidades das instituições podem ter um impacto muito proporcionar uma melhor gestão e otimização dos recursos físicos e humanos. As duas áreas chave por nós identificadas são o suporte à decisão na alocação dos recursos físicos e a geolocalização dos recursos físicos, das ocorrências e dos pontos de interesse. Procurando fornecer uma resposta válida e adequada a estas duas necessidades prementes, foi desenvolvido no âmbito desta tese o sistema CRITICAL DECISIONS. O sistema CRITICAL DECISIONS incorpora um conjunto de funcionalidades típicas de um sistema pericial, para o apoio na decisão de alocação de recursos físicos às ocorrências. A inferência automática dos recursos físicos, assenta num conjunto de regra de inferência armazenadas numa base de conhecimento, em constante crescimento e atualização, com base nas respostas bem sucedidas a ocorrências passadas. Para suprimir as carências aos nível da geo-localização dos recursos físicos, das ocorrências e dos pontos de interesse, o sistema CRITICAL DECISIONS incorpora também um conjunto de funcionalidades de geo-localização. Estas permitem a geo-localização de todos os recursos físicos da instituição, a geo-localização dos locais e as áreas das várias ocorrências, assim como, dos vários tipos de pontos de interesse. O sistema CRITICAL DECISIONS visa ainda suprimir um conjunto de outras carências por nós identificadas, ao nível da gestão documental (planos de emergência, plantas dos edifícios) , da comunicação, da partilha de informação entre as instituições de socorro e emergência locais, da contabilização dos tempos de serviço, entre outros. O sistema CRITICAL DECISIONS é o culminar de um esforço colaborativo e contínuo com várias instituições, responsáveis pela emergência e socorro de primeira linha a nível local. Esperamos com o sistema CRITICAL DECISIONS, dotar estas instituições de uma plataforma informática atual, inovadora, evolutiva, com baixos custos de implementação e de operação, capaz de proporcionar melhorias contínuas e significativas ao nível da qualidade da resposta às ocorrências, das capacidades de prevenção e de uma melhor otimização de todos os tipos de recursos que têm ao dispor.

Disseminating data using broadcast when topology is unknown

Consider the problem of disseminating data from an arbitrary source node to all other nodes in a distributed computer system, like Wireless Sensor Networks (WSNs). We assume that wireless broadcast is used and nodes do not know the topology. We propose new protocols which disseminate data faster and use fewer broadcasts than the simple broadcast protocol.

The utilization bound of non-preemptive rate-monotonic scheduling in controller area networks is 25%

Consider a distributed computer system comprising many computer nodes, each interconnected with a controller area network (CAN) bus. We prove that if priorities to message streams are assigned using rate-monotonic (RM) and if the requested capacity of the CAN bus does not exceed 25% then all deadlines are met.

Using a prioritized MAC protocol to efficiently compute aggregated quantities

Consider a distributed computer system such that every computer node can perform a wireless broadcast and when it does so, all other nodes receive this message. The computer nodes take sensor readings but individual sensor readings are not very important. It is important however to compute the aggregated quantities of these sensor readings. We show that a prioritized medium access control (MAC) protocol for wireless broadcast can compute simple aggregated quantities in a single transaction, and more complex quantities with many (but still a small number of) transactions. This leads to significant improvements in the time-complexity and as a consequence also similar reduction in energy “consumption”.

Sistema Inteligente de Apoio ao Coach

O coaching é um processo que permite ajudar um ou mais indivíduos a definirem e saberem como concretizar os seus objetivos, sejam eles pessoais ou profissionais. Atualmente, existe um interesse e procura crescente de pessoas com experiência nesta área (designados por coaches) por parte de empresas, equipas desportivas, escolas e outras organizações, com a finalidade de obter um maior rendimento. De forma a ajudar os intervenientes no processo, este documento demonstra a necessidade de existir uma ferramenta de apoio que permite aos coaches gerirem melhor a sua atividade profissional. A pesquisa e estudo efetuados procuram responder a este caso, desenvolvendo um sistema informático inteligente de apoio ao coach dotado de uma interface centrada no utilizador. Antes de iniciar o desenvolvimento de um sistema inteligente é necessário realizar e apresentar um levantamento do estado da arte, mais concretamente sobre a interação homem-computador, modelação do perfil de utilizador e processo de coaching, que apresenta os fundamentos teóricos para a escolha da metodologia de desenvolvimento adequado. São apresentadas posteriormente as fases constituintes do modelo de desenvolvimento de interfaces escolhido, a engenharia de usabilidade, que se inicia com uma análise detalhada, permitindo de seguida uma estruturação dos conhecimentos obtidos e a aplicação de linhas de orientação estipuladas, finalizando com testes de utilização e respetivo feedback dos utilizadores. O protótipo desenvolvido distingue utilizadores com diferentes características, através de uma classificação por níveis e permite gerir todo o processo de coaching efetuado a outras pessoas ou ao próprio utilizador. O facto de existir uma classificação dos utilizadores faz com que a interação entre sistema e utilizadores seja diferente e adaptada às necessidades de cada um. O resultado dos testes de utilização com um caso prático e dos questionários efetuados permite detetar se o modelo foi bem-sucedido e funciona corretamente e o que é necessário alterar no futuro para facilitar a interação e satisfazer as necessidades de cada utilizador.

Desenvolvimento e Controlo de um Veículo Autónomo Aéreo Quadrotor

A crescente necessidade de meios de inspecção e recolha de informação de infraestruturas e do meio ambiente natural, origina o recurso a meios tecnológicos cada vez mais evoluídos. Neste contexto, os robôs móveis autónomos aéreos surgem como uma ferramenta importante. Em particular, os veículos aéreos de asa móvel, pela sua manobrabilidade e controlo podem-se utilizar eficazmente em meios complexos como cenários interiores onde o ambiente é parcialmente controlado. A sua utilização em coordenação com outros veículos robóticos móveis e em particular com a crescente autonomia de decisão, permitem uma eficiência elevada, por exemplo, em tarefas de recolha automática de informação, vigilância, apoio a comunicações, etc. A inexistência de um veículo autónomo de asa móvel no cenário multi-robótico desenvolvido pelo Laboratório de Sistemas Autónomos do Instituto Superior de Engenharia do Porto, aliada às suas aplicações referidas, criou a necessidade do desenvolvimento de um veículo desta gama. Identificou-se, pois, o desenvolvimento de um veículo autónomo aéreo do tipo quadrotor com capacidade de vôo base estabilizado como o problema a resolver. Foi efectuado um levantamento de requisitos do sistema, a caracterização de um veículo autónomo aéreo Vertical Take-off and Landing - VTOL, e efectuado um trabalho de pesquisa a fim de possibilitar o conhecimento das técnicas e tecnologias envolvidas. Tendo em vista o objectivo de controlo e estabilização do veículo, foi efectuada a modelização do sistema que serviu não só para a melhor compreensão da sua dinâmica mas também para o desenvolvimento de um simulador que possibilitou a validação de estratégias de controlo e avaliação de comportamentos do veículo para diferentes cenários. A inexistência de controladores de motores brushless adequada (frequência de controlo), originou o desenvolvimento de um controlador dedicado para motores brushless, motores esses utilizados para a propulsão do veículo. Este controlador permite uma taxa de controlo a uma frequência de 20KHz, possui múltiplas interfaces de comunicação (CAN, RS232, Ethernet, SPI e JTAG), é de reduzido peso e dimensões e modular, visto ter sido implementado em dois módulos, i.e., permite a sua utilização com diferentes interfaces de potência. Projectou-se um veículo autónomo aéreo em termos físicos com a definição da sua arquitectura de hardware e software bem como o sistema de controlo de vôo. O sistema de estabilização de vôo compreende o processamento de informação fornecida por um sistema de navegação inercial, um sonar e o envio de referências de velocidade para cada um dos nós de controlo ligados a um barramento CAN instalado no veículo. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software. O UAV foi equipado com um sistema computacional dotando-o de capacidades para o desempenho de tarefas previamente analisadas. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

Hand gesture recognition system based in computer vision and machine learning : applications on human-machine interaction

Sendo uma forma natural de interação homem-máquina, o reconhecimento de gestos implica uma forte componente de investigação em áreas como a visão por computador e a aprendizagem computacional. O reconhecimento gestual é uma área com aplicações muito diversas, fornecendo aos utilizadores uma forma mais natural e mais simples de comunicar com sistemas baseados em computador, sem a necessidade de utilização de dispositivos extras. Assim, o objectivo principal da investigação na área de reconhecimento de gestos aplicada à interacção homemmáquina é o da criação de sistemas, que possam identificar gestos específicos e usálos para transmitir informações ou para controlar dispositivos. Para isso as interfaces baseados em visão para o reconhecimento de gestos, necessitam de detectar a mão de forma rápida e robusta e de serem capazes de efetuar o reconhecimento de gestos em tempo real. Hoje em dia, os sistemas de reconhecimento de gestos baseados em visão são capazes de trabalhar com soluções específicas, construídos para resolver um determinado problema e configurados para trabalhar de uma forma particular. Este projeto de investigação estudou e implementou soluções, suficientemente genéricas, com o recurso a algoritmos de aprendizagem computacional, permitindo a sua aplicação num conjunto alargado de sistemas de interface homem-máquina, para reconhecimento de gestos em tempo real. A solução proposta, Gesture Learning Module Architecture (GeLMA), permite de forma simples definir um conjunto de comandos que pode ser baseado em gestos estáticos e dinâmicos e que pode ser facilmente integrado e configurado para ser utilizado numa série de aplicações. É um sistema de baixo custo e fácil de treinar e usar, e uma vez que é construído unicamente com bibliotecas de código. As experiências realizadas permitiram mostrar que o sistema atingiu uma precisão de 99,2% em termos de reconhecimento de gestos estáticos e uma precisão média de 93,7% em termos de reconhecimento de gestos dinâmicos. Para validar a solução proposta, foram implementados dois sistemas completos. O primeiro é um sistema em tempo real capaz de ajudar um árbitro a arbitrar um jogo de futebol robótico. A solução proposta combina um sistema de reconhecimento de gestos baseada em visão com a definição de uma linguagem formal, o CommLang Referee, à qual demos a designação de Referee Command Language Interface System (ReCLIS). O sistema identifica os comandos baseados num conjunto de gestos estáticos e dinâmicos executados pelo árbitro, sendo este posteriormente enviado para um interface de computador que transmite a respectiva informação para os robôs. O segundo é um sistema em tempo real capaz de interpretar um subconjunto da Linguagem Gestual Portuguesa. As experiências demonstraram que o sistema foi capaz de reconhecer as vogais em tempo real de forma fiável. Embora a solução implementada apenas tenha sido treinada para reconhecer as cinco vogais, o sistema é facilmente extensível para reconhecer o resto do alfabeto. As experiências também permitiram mostrar que a base dos sistemas de interação baseados em visão pode ser a mesma para todas as aplicações e, deste modo facilitar a sua implementação. A solução proposta tem ainda a vantagem de ser suficientemente genérica e uma base sólida para o desenvolvimento de sistemas baseados em reconhecimento gestual que podem ser facilmente integrados com qualquer aplicação de interface homem-máquina. A linguagem formal de definição da interface pode ser redefinida e o sistema pode ser facilmente configurado e treinado com um conjunto de gestos diferentes de forma a serem integrados na solução final.

Web survey system to discover the actual role of experience in learning in higher education: a case study

March 19 - 22, 2006, São Paulo, BRAZIL World Congress on Computer Science, Engineering and Technology Education

Intelligent supervisory control system for home devices using a cyber physical approach

Although we have many electric devices at home, there are just few systems to evaluate, monitor and control them. Sometimes users go out and leave their electric devices turned on what can cause energy wasting and dangerous situations. Therefore most of the users may want to know the using states of their electrical appliances through their mobile devices in a pervasive way. In this paper, we propose an Intelligent Supervisory Control System to evaluate, monitor and control the use of electric devices in home, from outside. Because of the transferring data to evaluate, monitor and control user's location and state of home (ex. nobody at home) may be opened to attacks leading to dangerous situations. In our model we include a location privacy module and encryption module to provide security to user location and data. Intelligent Supervising Control System gives to the user the ability to manage electricity loads by means of a multi-agent system involving evaluation, monitoring, control and energy resource agents.

Intelligent power system

Artificial intelligence techniques are being widely used to face the new reality and to provide solutions that can make power systems undergo all the changes while assuring high quality power. In this way, the agents that act in the power industry are gaining access to a generation of more intelligent applications, making use of a wide set of AI techniques. Knowledge-based systems and decision-support systems have been applied in the power and energy industry. This article is intended to offer an updated overview of the application of artificial intelligence in power systems. This article paper is organized in a way so that readers can easily understand the problems and the adequacy of the proposed solutions. Because of space constraints, this approach can be neither complete nor sufficiently deep to satisfy all readers’ needs. As this is amultidisciplinary area, able to attract both software and computer engineering and power system people, this article tries to give an insight into themost important concepts involved in these applications. Complementary material can be found in the reference list, providing deeper and more specific approaches.

Optimal intelligent supervisory control system in cyber-physical intelligence

This paper studies Optimal Intelligent Supervisory Control System (OISCS) model for the design of control systems which can work in the presence of cyber-physical elements with privacy protection. The development of such architecture has the possibility of providing new ways of integrated control into systems where large amounts of fast computation are not easily available, either due to limitations on power, physical size or choice of computing elements.

Combining artificial intelligence techniques for the training of power system control centre operators

Control Centre operators are essential to assure a good performance of Power Systems. Operators’ actions are critical in dealing with incidents, especially severe faults, like blackouts. In this paper we present an Intelligent Tutoring approach for training Portuguese Control Centre operators in incident analysis and diagnosis, and service restoration of Power Systems, offering context awareness and an easy integration in the working environment.

Ubiquitous ambient intelligence in a flight decision assistance system

In this paper a new free flight instrument is presented. The instrument named FlyMaster distinguishes from others not only at hardware level, since it is the first one based on a PDA and with an RF interface for wireless sensors, but also at software level once its structure was developed following some guidelines from Ambient Intelligence and ubiquitous and context aware mobile computing. In this sense the software has several features which avoid pilot intervention during flight. Basically, the FlyMaster adequate the displayed information to each flight situation. Furthermore, the FlyMaster has its one way of show information.