Entity localization and tracking: a sensor fusion-based mechanism in WSNs

Knowing exactly where a mobile entity is and monitoring its trajectory in real-time has recently attracted a lot of interests from both academia and industrial communities, due to the large number of applications it enables, nevertheless, it is nowadays one of the most challenging problems from scientific and technological standpoints. In this work we propose a tracking system based on the fusion of position estimations provided by different sources, that are combined together to get a final estimation that aims at providing improved accuracy with respect to those generated by each system individually. In particular, exploiting the availability of a Wireless Sensor Network as an infrastructure, a mobile entity equipped with an inertial system first gets the position estimation using both a Kalman Filter and a fully distributed positioning algorithm (the Enhanced Steepest Descent, we recently proposed), then combines the results using the Simple Convex Combination algorithm. Simulation results clearly show good performance in terms of the final accuracy achieved. Finally, the proposed technique is validated against real data taken from an inertial sensor provided by THALES ITALIA.

Person Localization Using Sensor Information Fusion

Nowadays the incredible grow of mobile devices market led to the need for location-aware applications. However, sometimes person location is difficult to obtain, since most of these devices only have a GPS (Global Positioning System) chip to retrieve location. In order to suppress this limitation and to provide location everywhere (even where a structured environment doesn’t exist) a wearable inertial navigation system is proposed, which is a convenient way to track people in situations where other localization systems fail. The system combines pedestrian dead reckoning with GPS, using widely available, low-cost and low-power hardware components. The system innovation is the information fusion and the use of probabilistic methods to learn persons gait behavior to correct, in real-time, the drift errors given by the sensors.

Localization system for pedestrians based on sensor and information fusion

Nowadays there is an increase of location-aware mobile applications. However, these applications only retrieve location with a mobile device's GPS chip. This means that in indoor or in more dense environments these applications don't work properly. To provide location information everywhere a pedestrian Inertial Navigation System (INS) is typically used, but these systems can have a large estimation error since, in order to turn the system wearable, they use low-cost and low-power sensors. In this work a pedestrian INS is proposed, where force sensors were included to combine with the accelerometer data in order to have a better detection of the stance phase of the human gait cycle, which leads to improvements in location estimation. Besides sensor fusion an information fusion architecture is proposed, based on the information from GPS and several inertial units placed on the pedestrian body, that will be used to learn the pedestrian gait behavior to correct, in real-time, the inertial sensors errors, thus improving location estimation.

Sistema de visão para percepção e navegação de um UAV Quadrotor

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

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.

Coordenação de veículo de inspecção subaquática com veículo de superfície autónomo

O LSA/ISEP(Laboratório de sistemas Autónomos do Instituto Superior de Engenharia do Porto) tem vindo nos últimos anos a desenvolver sistemas robóticos inovadores para operação em ambiente marinho sendo o veículo de superfície autónomo ROAZ II um exemplo de renome internacional. Neste contexto, e tendo em vista a satisfação dos requisitos parciais conducentes à obtenção do grau de Mestre em Eng. Electrotécnica e de Computadores - Ramo de Sistemas Autónomos do ISEP, o presente trabalho visou a integração de um robô submarino operado remotamente (ROV) com o robô de superfície ROAZ II. Esta solução inovadora de operação coordenada e integrada de um ASV/ROV permite dotar o ASV de mobilidade e visão subaquática. Após a caracterização e análise de requisitos de diversos cenários operacionais foi apresentada uma arquitectura de controlo coordenado dos dois veículos baseada em manobras de controlo descritas por autómatos híbridos. Os dois veículos foram modelados e as manobras coordenadas projectadas foram validadas com um simulador em ambiente Matlab/Simulink. Foi desenvolvido um sistema de localização relativa do ROV através da fusão sensorial de um sistema INS com um sistema acústico USBL utilizando um filtro EKF. O veículo ROV (VideoRay) do LSA foi instrumentado com os sensores necessários e efectuada a integração de hardware e software com o ASV ROAZ II permitindo a operação remota. Foi realizada uma missão demonstrativa de inspecção de pilares subaquáticos em cenário real com a operação conjunta dos dois robôs.

Use of negative information in positioning and tracking algorithms

To avoid additional hardware deployment, indoor localization systems have to be designed in such a way that they rely on existing infrastructure only. Besides the processing of measurements between nodes, localization procedure can include the information of all available environment information. In order to enhance the performance of Wi-Fi based localization systems, the innovative solution presented in this paper considers also the negative information. An indoor tracking method inspired by Kalman filtering is also proposed.

A sensor classification strategy for robotic manipulators

In practice the robotic manipulators present some degree of unwanted vibrations. The advent of lightweight arm manipulators, mainly in the aerospace industry, where weight is an important issue, leads to the problem of intense vibrations. On the other hand, robots interacting with the environment often generate impacts that propagate through the mechanical structure and produce also vibrations. In order to analyze these phenomena a robot signal acquisition system was developed. The manipulator motion produces vibrations, either from the structural modes or from endeffector impacts. The instrumentation system acquires signals from several sensors that capture the joint positions, mass accelerations, forces and moments, and electrical currents in the motors. Afterwards, an analysis package, running off-line, reads the data recorded by the acquisition system and extracts the signal characteristics. Due to the multiplicity of sensors, the data obtained can be redundant because the same type of information may be seen by two or more sensors. Because of the price of the sensors, this aspect can be considered in order to reduce the cost of the system. On the other hand, the placement of the sensors is an important issue in order to obtain the suitable signals of the vibration phenomenon. Moreover, the study of these issues can help in the design optimization of the acquisition system. In this line of thought a sensor classification scheme is presented. Several authors have addressed the subject of the sensor classification scheme. White (White, 1987) presents a flexible and comprehensive categorizing scheme that is useful for describing and comparing sensors. The author organizes the sensors according to several aspects: measurands, technological aspects, detection means, conversion phenomena, sensor materials and fields of application. Michahelles and Schiele (Michahelles & Schiele, 2003) systematize the use of sensor technology. They identified several dimensions of sensing that represent the sensing goals for physical interaction. A conceptual framework is introduced that allows categorizing existing sensors and evaluates their utility in various applications. This framework not only guides application designers for choosing meaningful sensor subsets, but also can inspire new systems and leads to the evaluation of existing applications. Today’s technology offers a wide variety of sensors. In order to use all the data from the diversity of sensors a framework of integration is needed. Sensor fusion, fuzzy logic, and neural networks are often mentioned when dealing with problem of combing information from several sensors to get a more general picture of a given situation. The study of data fusion has been receiving considerable attention (Esteban et al., 2005; Luo & Kay, 1990). A survey of the state of the art in sensor fusion for robotics can be found in (Hackett & Shah, 1990). Henderson and Shilcrat (Henderson & Shilcrat, 1984) introduced the concept of logic sensor that defines an abstract specification of the sensors to integrate in a multisensor system. The recent developments of micro electro mechanical sensors (MEMS) with unwired communication capabilities allow a sensor network with interesting capacity. This technology was applied in several applications (Arampatzis & Manesis, 2005), including robotics. Cheekiralla and Engels (Cheekiralla & Engels, 2005) propose a classification of the unwired sensor networks according to its functionalities and properties. This paper presents a development of a sensor classification scheme based on the frequency spectrum of the signals and on a statistical metrics. Bearing these ideas in mind, this paper is organized as follows. Section 2 describes briefly the robotic system enhanced with the instrumentation setup. Section 3 presents the experimental results. Finally, section 4 draws the main conclusions and points out future work.

Saccharomyces cerevisiae Mutants Affected in Vacuole Assembly or Vacuolar H+-ATPase are Hypersensitive to Lead (Pb) Toxicity

Lead is an important environmental pollutant. The role of vacuole, in Pb detoxification, was studied using a vacuolar protein sorting mutant strain (vps16D), belonging to class C mutants. Cells disrupted in VPS16 gene, did not display a detectable vacuolar-like structure. Based on the loss of cell proliferation capacity, it was found that cells from vps16D mutant exhibited a hypersensitivity to Pb-induced toxicity, compared to wild type (WT) strain. The function of vacuolar H?-ATPase (VATPase), in Pb detoxification, was evaluated using mutants with structurally normal vacuoles but defective in subunits of catalytic (vma1D or vma2D) or membrane domain (vph1D or vma3D) of V-ATPase. All mutants tested, lacking a functional V-ATPase, displayed an increased susceptibility to Pb, comparatively to cells from WT strain. Modification of vacuolar morphology, in Pb-exposed cells, was visualized using a Vma2p-GFP strain. The treatment of yeast cells with Pb originated the fusion of the medium size vacuolar lobes into one enlarged vacuole. In conclusion, it was found that vacuole plays an important role in the detoxification of Pb in Saccharomyces cerevisiae; in addition, a functional V-ATPase was required for Pb compartmentalization.

Quinoxaline, its derivatives and applications: A state of the art review.

Quinoxaline derivatives are an important class of heterocycle compounds, where N replaces some carbon atoms in the ring of naphthalene. Its molecular formula is C8H6N2, formed by the fusion of two aromatic rings, benzene and pyrazine. It is rare in natural state, but their synthesis is easy to perform. In this review the State of the Art will be presented, which includes a summary of the progress made over the past years in the knowledge of the structure and mechanism of the quinoxaline and quinoxaline derivatives, associated medical and biomedical value as well as industrial value. Modifying quinoxaline structure it is possible to obtain a wide variety of biomedical applications, namely antimicrobial activities and chronic and metabolic diseases treatment.

Solução de navegação inercial para o sistema plasys

Neste trabalho faz-se uma pesquisa e análise dos conceitos associados à navegação inercial para estimar a distância percorrida por uma pessoa. Foi desenvolvida uma plataforma de hardware para implementar os algoritmos de navegação inercial e estudar a marcha humana. Os testes efetuados permitiram adaptar os algoritmos de navegação inercial para humanos e testar várias técnicas para reduzir o erro na estimativa da distância percorrida. O sistema desenvolvido é um sistema modular que permite estudar o efeito da inserção de novos sensores. Desta forma foram adaptados os algoritmos de navegação para permitir a utilização da informação dos sensores de força colocados na planta do pé do utilizador. A partir desta arquitetura foram efetuadas duas abordagens para o cálculo da distância percorrida por uma pessoa. A primeira abordagem estima a distância percorrida considerando o número de passos. A segunda abordagem faz uma estimação da distância percorrida com base nos algoritmos de navegação inercial. Foram realizados um conjunto de testes para comparar os erros na estimativa da distância percorrida pelas abordagens efetuadas. A primeira abordagem obteve um erro médio de 4,103% em várias cadências de passo. Este erro foi obtido após sintonia para o utilizador em questão. A segunda abordagem obteve um erro de 9,423%. De forma a reduzir o erro recorreu-se ao filtro de Kalman o que levou a uma redução do erro para 9,192%. Por fim, recorreu-se aos sensores de força que permitiram uma redução para 8,172%. A segunda abordagem apesar de ter um erro maior não depende do utilizador pois não necessita de sintonia dos parâmetros para estimar a distância para cada pessoa. Os testes efetuados permitiram, através dos sensores de força, testar a importância da força sentida pela planta do pé para aferir a fase do ciclo de marcha. Esta capacidade permite reduzir os erros na estimativa da distância percorrida e obter uma maior robustez neste tipo de sistemas.

Preparação de biofilmes a partir de resíduos da indústria de curtumes

A indústria dos curtumes é uma das indústrias mais antigas e tradicionais de Portugal e é também uma das mais poluentes. Esta indústria produz muitos resíduos sólidos, entre os quais, está o pelo de bovino. A valorização deste resíduo permite reduzir o impacto ambiental e aumentar a eco-eficiência da indústria dos curtumes. O pelo de bovino, rico em queratina, é um bom candidato para a produção de biofilmes. O objetivo deste trabalho foi a valorização de um resíduo de indústria de curtume (pelo de bovino) através da produção de filmes à base de queratina por termocompressão. Foi estudada a melhor formulação e as condições operatórias mais favoráveis com a finalidade de melhorar as propriedades mecânicas dos filmes. O trabalho realizado durante este projeto dividiu-se em 5 partes: preparação do material, caracterização do material, seleção do pré-tratamento, produção de filmes e caracterização dos filmes. Foram produzidos filmes para a seleção do pré-tratamento e para a respetiva caracterização. Os pré-tratamentos testados foram: tratamento com detergente, tratamento com detergente e sulfureto de sódio e, tratamento com detergente e éter de petróleo. O pré-tratamento selecionado foi o tratamento com detergente. Para a produção de filmes para a posterior caracterização, foram escolhidos 4 conjuntos de condições operatórias diferentes: 160 oC – 147 kN – 8 min – 30% glicerol; 160 oC – 147 kN – 12 min – 30% glicerol; 160 oC – 147 kN – 8 min – 40% glicerol; 160 oC – 147 kN – 12 min – 40% glicerol; identificados como Conjuntos A, B, C e D, respetivamente. Na caracterização dos filmes foram analisados vários parâmetros, nomeadamente a espessura, a permeabilidade ao vapor de água ao vapor de água, as isotérmicas de sorção, a cor, a solubilidade e as propriedades mecânicas. Também foram feitas as análises de calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e microscopia eletrónica de varrimento (SEM). Concluiu-se que os filmes do conjunto A (160 oC – 147 kN – 8 min – 30% glicerol) tiveram um melhor desempenho apresentando espessuras médias de 0,25 0,02 mm, permeabilidade ao vapor de água ao vapor de água igual a 1,20 x 10-8 6,79 x 10-10 g/(m.s.Pa), solubilidade igual a 27,9 0,4 %, tensão de rutura média igual a 9,23 1,19 N/mm2, deformação na rutura média igual a 1,9 0,2 % e módulo de elasticidade médio igual a 554 26 N/mm2. Verificou-se um bom ajuste do modelo de GAB aos resultados experimentais. A análise DSC indicou uma temperatura de fusão aos 170 ºC para a mistura de pelo e glicerol que não se verificou nos filmes formados e indicou a temperatura de degradação do material por volta dos 240-250 ºC. A análise SEM mostrou que os filmes não estão totalmente fundidos e provou a irregularidade da superfície dos mesmos. Provou-se que é possível a produção de filmes de pelo bovino sendo ainda necessário melhorar o processo de mistura do pelo com o glicerol.

Standard commercial education robotic platform: intermediate solution to teaching robotics

Teaching robotics to students at the beginning of their studies has become a huge challenge. Simulation environments can be an effective solution to that challenge where students can interact with simulated robots and have the first contact with robotic constraints. From our previous experience with simulation environments it was possible to observe that students with lower background knowledge in robotics where able to deal with a limited number of constraints, implement a simulated robotic platform and study several sensors. The question is: after this first phase what should be the best approach? Should the student start developing their own hardware? Hardware development is a very important part of an engineer's education but it can also be a difficult phase that could lead to discouragement and loss of motivation in some students. Considering the previous constraints and first year engineering students’ high abandonment rate it is important to develop teaching strategies to deal with this problem in a feasible way. The solution that we propose is the integration of a low-cost standard robotic platform WowWee Rovio as an intermediate solution between the simulation phase and the stage where the students can develop their own robots. This approach will allow the students to keep working in robotic areas such as: cooperative behaviour, perception, navigation and data fusion. The propose approach proved to be a motivation step not only for the students but also for the teachers. Students and teachers were able to reach an agreement between the level of demand imposed by the teachers and satisfaction/motivation of the students.

Decentralized Target Tracking based on Multi-Robot Cooperative Triangulation

Target tracking with bearing-only sensors is a challenging problem when the target moves dynamically in complex scenarios. Besides the partial observability of such sensors, they have limited field of views, occlusions can occur, etc. In those cases, cooperative approaches with multiple tracking robots are interesting, but the different sources of uncertain information need to be considered appropriately in order to achieve better estimates. Even though there exist probabilistic filters that can estimate the position of a target dealing with incertainties, bearing-only measurements bring usually additional problems with initialization and data association. In this paper, we propose a multi-robot triangulation method with a dynamic baseline that can triangulate bearing-only measurements in a probabilistic manner to produce 3D observations. This method is combined with a decentralized stochastic filter and used to tackle those initialization and data association issues. The approach is validated with simulations and field experiments where a team of aerial and ground robots with cameras track a dynamic target.

Multi-robot cooperative stereo for outdoor scenarios

13th International Conference on Autonomous Robot Systems (Robotica), 2013