On the hardware and software architecture of the robuter mobile platform: a hands-on approach

The Robuter is a robotic mobile platform that is located in the “Hands-On” Laboratory of the IPP-Hurray! Research Group, at the School of Engineering of the Polytechnic Institute of Porto. Recently, the Robuter was subject of an upgrading process addressing two essential areas: the Hardware Architecture and the Software Architecture. This upgrade in process was triggered due to technical problems on-board of the robot and also to the fact that the hardware/software architecture has become obsolete. This Technical Report overviews the most important aspects of the new Hardware and Software Architectures of the Robuter. This document also presents a first approach on the first steps towards the use of the Robuter platform, and provides some hints on future work that may be carried out using this mobile platform.

Hardware and software in smart decision rooms

Since the last decade research in Group Decision Making area have been focus in the building of meeting rooms that could support the decision making task and improve the quality of those decisions. However the emergence of Ambient Intelligence concept contributes with a new perspective, a different way of viewing traditional decision rooms. In this paper we will present an overview of Smart Decision Rooms providing Intelligence to the meeting environment, and we will also present LAID, an Ambient Intelligence Environment oriented to support Group Decision Making and some of the software tools that we already have installed in this environment.

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.

Evaluating Android OS for embedded real-time systems

Since its official public release, Android has captured the interest from companies, developers and the general audience. From that time up to now, this software platform has been constantly improved either in terms of features or supported hardware and, at the same time, extended to new types of devices different from the originally intended mobile ones. However, there is a feature that has not been explored yet - its real-time capabilities. This paper intends to explore this gap and provide a basis for discussion on the suitability of Android in order to be used in Open Real-Time environments. By analysing the software platform, with the main focus on the virtual machine and its underlying operating system environments, we are able to point out its current limitations and, therefore, provide a hint on different perspectives of directions in order to make Android suitable for these environments. It is our position that Android may provide a suitable architecture for real-time embedded systems, but the real-time community should address its limitations in a joint effort at all of the platform layers.

Zigbee over tinyos: Implementation and experimental challenges

The IEEE 802.15.4/Zigbee protocols are a promising technology for Wireless Sensor Networks (WSNs). This paper shares our experience on the implementation and use of these protocols and related technologies in WSNs. We present problems and challenges we have been facing in implementing an IEEE 802.15.4/ZigBee stack for TinyOS in a two-folded perspective: IEEE 802.15.4/ZigBee protocol standards limitations (ambiguities and open issues) and technological limitations (hardware and software). Concerning the former, we address challenges for building scalable and synchronized multi-cluster ZigBee networks, providing a trade-off between timeliness and energy-efficiency. On the latter issue, we highlight implementation problems in terms of hardware, timer handling and operating system limitations. We also report on our experience from experimental test-beds, namely on physical layer aspects such as coexistence problems between IEEE 802.15.4 and 802.11 radio channels.

A wireless sensor network platform for structural health monitoring: enabling accurate and synchronized measurements through COTS+custom-based design

Structural health monitoring has long been identified as a prominent application of Wireless Sensor Networks (WSNs), as traditional wired-based solutions present some inherent limitations such as installation/maintenance cost, scalability and visual impact. Nevertheless, there is a lack of ready-to-use and off-the-shelf WSN technologies that are able to fulfill some most demanding requirements of these applications, which can span from critical physical infrastructures (e.g. bridges, tunnels, mines, energy grid) to historical buildings or even industrial machinery and vehicles. Low-power and low-cost yet extremely sensitive and accurate accelerometer and signal acquisition hardware and stringent time synchronization of all sensors data are just examples of the requirements imposed by most of these applications. This paper presents a prototype system for health monitoring of civil engineering structures that has been jointly conceived by a team of civil, and electrical and computer engineers. It merges the benefits of standard and off-the-shelf (COTS) hardware and communication technologies with a minimum set of custom-designed signal acquisition hardware that is mandatory to fulfill all application requirements.

A smart layer for remote laboratories

Commonly, when a weblab is developed to support remote experiments in sciences and engineering courses, a particular hardware/software architecture is implemented. However, the existence of several technological solutions to implement those architectures difficults the emergence of a standard, both at hardware and software levels. While particular solutions are adopted assuming that only qualified people may implement a weblab, the control of the physical space and the power consumption are often forgotten. Since controlling these two previous aspects may increase the quality of the weblab hosting the remote experiments, this paper proposes the useof a new layer implemented by a domotic system bus with several devices (e.g. lights, power sockets, temperature sensors, and others) able to be controlled through the Internet. We also provide a brief proof-of-concept in the form of a weblab equipped with a simple domotic system usually implemented in smart houses. The added value to the remote experiment hosted at the weblab is also identified in terms of power savings and environment conditions.

Pulseira inteligente para aplicações industriais e de lazer

Nos últimos anos, o avanço da tecnologia e a miniaturização de diversos componentes têm permitido o aparecimento de novos conceitos, ideias e projetos, que até aqui não passariam de filmes de ficção científica. Com a tecnologia atual, podem ser desenvolvidos pequenos dispositivos wearable com diversas interfaces, múltiplas conectividades, poder de processamento e autonomia. Permitindo desta forma, dar resposta à crescente necessidade de interação com os mais diversos equipamentos eletrónicos do dia-a-dia, melhorando o acesso e o fornecimento de informação. O principal objetivo deste trabalho passa assim por demonstrar e implementar um conceito que permita estreitar e facilitar a interação entre o utilizador e o mundo que o rodeia, quer em ambientes domésticos quer industriais. Para isso foi projetado e implementado um dispositivo wearable (para utilização no pulso) baseado numa arquitetura de hardware e software capaz de correr diferentes aplicações, tais como extensão de alertas de um smartphone, crowdsourcing de informações meteorológicas, manutenção e inspeção industrial e monitorização remota de forças de segurança. Os resultados obtidos demonstram que este conceito é viável tanto do ponto de vista técnico como funcional, evidenciando boas hipóteses para que estes conceitos, métodos e tecnologias possam ser integradas em plataformas robóticas desenvolvidas no âmbito de projetos do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) bem como nos contextos industrial e de lazer.

TIGRE - An autonomous ground robot for outdoor exploration

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

Abstract Timers and their Implementation onto the ARM Cor tex-M family of MCUs

Presented at Embed with Linux Workshop (EWiLi 2015). 4 to 9, Oct, 2015. Amsterdam, Netherlands.

Towards realistic core-failure-resilient scheduling and analysis

Presented at IEEE Real-Time Systems Symposium (RTSS 2015). 1 to 4, Dec, 2015. San Antonio, U.S.A..

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.

Conceção de um tutorial de Iniciação ao co-projeto de Hardware/software

A crescente evolução dos dispositivos contendo circuitos integrados, em especial os FPGAs (Field Programmable Logic Arrays) e atualmente os System on a chip (SoCs) baseados em FPGAs, juntamente com a evolução das ferramentas, tem deixado um espaço entre o lançamento e a produção de materiais didáticos que auxiliem os engenheiros no Co- Projecto de hardware/software a partir dessas tecnologias. Com o intuito de auxiliar na redução desse intervalo temporal, o presente trabalho apresenta o desenvolvimento de documentos (tutoriais) direcionados a duas tecnologias recentes: a ferramenta de desenvolvimento de hardware/software VIVADO; e o SoC Zynq-7000, Z-7010, ambos desenvolvidos pela Xilinx. Os documentos produzidos são baseados num projeto básico totalmente implementado em lógica programável e do mesmo projeto implementado através do processador programável embarcado, para que seja possível avaliar o fluxo de projeto da ferramenta para um projeto totalmente implementado em hardware e o fluxo de projeto para o mesmo projeto implementado numa estrutura de harware/software.

Arquitetura REST em smartphones Android

As grandes empresas como Google, com o Android, e a Apple, com o iOS, ajudaram a tornar a área das aplicações móveis muito apelativa e obtiveram um elevado sucesso. Com o crescimento elevado nesta área foi necessário usar uma solução que integrasse sistemas e permitisse comunicação entre aplicações diferentes, este é o caso dos Web Services, desta forma as novas aplicações podem comunicar com aplicações já existentes, e permitir que sistemas criados em plataformas diferentes comuniquem. O objetivo de um Web Service é disponibilizar uma plataforma independente de hardware e também uma plataforma que não implica estar escrita em determinada linguagem de programação. Para o acesso a um Web Service pode ser usado um protocolo ou estilo de arquitetura, nesta tese de mestrado são estudados os protocolos SOAP e a arquitectura REST, que diferem na técnica de acesso, a na sintax das mensagens trocadas. Para determinar qual dos anteriores (REST e SOAP) pode ser o mais adequado a usar no acesso a um Web Service são feitas análises a ambos e comparações entre os tempos de resposta de forma a determinar qual seria o mais vantajoso a nível de performance. O projeto que serviu como base desta tese de mestrado foi o desenvolvimento de uma aplicação de marcações em serviços beleza/saúde, a qual acede a um Web Service remoto através do REST.

Cooperative framework for open real-time systems

Actualmente, os sistemas embebidos estão presentes em toda a parte. Embora grande parte da população que os utiliza não tenha a noção da sua presença, na realidade, se repentinamente estes sistemas deixassem de existir, a sociedade iria sentir a sua falta. A sua utilização massiva deve-se ao facto de estarem practicamente incorporados em quase os todos dispositivos electrónicos de consumo, telecomunicações, automação industrial e automóvel. Influenciada por este crescimento, a comunidade científica foi confrontada com novos problemas distribuídos por vários domínios científicos, dos quais são destacados a gestão da qualidade de serviço e gestão de recursos - domínio encarregue de resolver problemas relacionados com a alocação óptima de recursos físicos, tais como rede, memória e CPU. Existe na literatura um vasto conjunto de modelos que propõem soluções para vários problemas apresentados no contexto destes domínios científicos. No entanto, não é possível encontrar modelos que lidem com a gestão de recursos em ambientes de execução cooperativos e abertos com restrições temporais utilizando coligações entre diferentes nós, de forma a satisfazer os requisitos não funcionais das aplicações. Devido ao facto de estes sistemas serem dinâmicos por natureza, apresentam a característica de não ser possível conhecer, a priori, a quantidade de recursos necessários que uma aplicação irá requerer do sistema no qual irá ser executada. Este conhecimento só é adquirido aquando da execução da aplicação. De modo a garantir uma gestão eficiente dos recursos disponíveis, em sistemas que apresentam um grande dinamismo na execução de tarefas com e sem restrições temporais, é necessário garantir dois aspectos fundamentais. O primeiro está relacionado com a obtenção de garantias na execução de tarefas de tempo-real. Estas devem sempre ser executadas dentro da janela temporal requirida. O segundo aspecto refere a necessidade de garantir que todos os recursos necessários à execução das tarefas são fornecidos, com o objectivo de manter os níveis de performance quer das aplicações, quer do próprio sistema. Tendo em conta os dois aspectos acima mencionados, o projecto CooperatES foi especificado com o objectivo de permitir a dispositivos com poucos recursos uma execução colectiva de serviços com os seus vizinhos, de modo a cumprir com as complexas restrições de qualidade de serviço impostas pelos utilizadores ou pelas aplicações. Decorrendo no contexto do projecto CooperatES, o trabalho resultante desta tese tem como principal objectivo avaliar a practicabilidade dos conceitos principais propostos no âmbito do projecto. O trabalho em causa implicou a escolha e análise de uma plataforma, a análise de requisitos, a implementação e avaliação de uma framework que permite a execução cooperativa de aplicações e serviços que apresentem requisitos de qualidade de serviço. Do trabalho desenvolvido resultaram as seguintes contribuições: Análise das plataformas de código aberto que possam ser utilizadas na implementação dos conceitos relacionados com o projecto CooperatES; Critérios que influenciaram a escolha da plataforma Android e um estudo focado na análise da plataforma sob uma perspectiva de sistemas de tempo-real; Experiências na implementação dos conceitos do projecto na plataforma Android; Avaliação da practicabilidade dos conceitos propostos no projecto CooperatES; Proposta de extensões que permitam incorporar características de sistemas de tempo real abertos na plataforma Android.