Providing location everywhere

The ability to locate an individual is an essential part of many applications, specially the mobile ones. Obtaining this location in an open environment is relatively simple through GPS (Global Positioning System), but indoors or even in dense environments this type of location system doesn't provide a good accuracy. There are already systems that try to suppress these limitations, but most of them need the existence of a structured environment to work. Since Inertial Navigation Systems (INS) try to suppress the need of a structured environment we propose an INS based on Micro Electrical Mechanical Systems (MEMS) that is capable of, in real time, compute the position of an individual everywhere.

Sistema móvel de telemetria para automóveis

Este trabalho compreende uma análise crítica e reflexiva sobre o que atualmente existe no âmbito dos sistemas de navegação integrados (e.g. sistemas de posicionamento global com sistemas de navegação por inércia). O objetivo deste estudo vai também no sentido de desenvolver para um dispositivo móvel, um sistema de telemetria para automóveis baseado na plataforma Android fazendo uso de conceitos estudados e tecnologias existentes. Pretende-se demonstrar a potencialidade da integração de um sistema de posicionamento por satélite, com um sistema de navegação por inércia, em dispositivos cada vez mais acessíveis ao utilizador comum, tais como tablets, smartphones e outros equipamentos dotados de dispositivos MEMS (sistemas microelectromecânicos) de baixo custo usando a plataforma Android. Este trabalho pretende explorar a forma como podemos fundir os registos dos vários sensores, tais como o acelerómetro, magnetómetro e giroscópio, para determinar a orientação do dispositivo e assim integrar esta informação de maior frequência, com a informação disponibilizada pelo GNSS de menor frequência, tendo como objetivo final a determinação em tempo real do posicionamento do dispositivo, destacando as forças e fraquezas de cada um dos sistemas de navegação.

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.

Sistema de localização de um veículo autónomo terrestre

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores.

Sistema de percepção visual para veículos autónomos aéreos

Esta dissertação aborda o problema de detecção e desvio de obstáculos "SAA- Sense And Avoid" em movimento para veículos aéreos. Em particular apresenta contribuições tendo em vista a obtenção de soluções para permitir a utilização de aeronaves não tripuladas em espaço aéreo não segregado e para aplicações civis. Estas contribuições caracterizam-se por: uma análise do problema de SAA em \UAV's - Unmmaned Aerial Vehicles\ civis; a definição do conceito e metodologia para o projecto deste tipo de sistemas; uma proposta de \ben- chmarking\ para o sistema SAA caracterizando um conjunto de "datasets\ adequados para a validação de métodos de detecção; respectiva validação experimental do processo e obtenção de "datasets"; a análise do estado da arte para a detecção de \Dim point features\ ; o projecto de uma arquitectura para uma solução de SAA incorporando a integração de compensação de \ego motion" e respectiva validação para um "dataset" recolhido. Tendo em vista a análise comparativa de diferentes métodos bem como a validação de soluções foi proposta a recolha de um conjunto de \datasets" de informação sensorial e de navegação. Para os mesmos foram definidos um conjunto de experiências e cenários experimentais. Foi projectado e implementado um setup experimental para a recolha dos \datasets" e realizadas experiências de recolha recorrendo a aeronaves tripuladas. O setup desenvolvido incorpora um sistema inercial de alta precisão, duas câmaras digitais sincronizadas (possibilitando análise de informa formação stereo) e um receptor GPS. As aeronaves alvo transportam um receptor GPS com logger incorporado permitindo a correlação espacial dos resultados de detecção. Com este sistema foram recolhidos dados referentes a cenários de aproximação com diferentes trajectórias e condições ambientais bem como incorporando movimento do dispositivo detector. O método proposto foi validado para os datasets recolhidos tendo-se verificado, numa análise preliminar, a detecção do obstáculo (avião ultraleve) em todas as frames para uma distância inferior a 3 km com taxas de sucesso na ordem dos 95% para distâncias entre os 3 e os 4 km. Os resultados apresentados permitem validar a arquitectura proposta para a solução do problema de SAA em veículos aéreos autónomos e abrem perspectivas muito promissoras para desenvolvimento futuro com forte impacto técnico-científico bem como sócio-economico. A incorporação de informa formação de \ego motion" permite fornecer um forte incremento em termos de desempenho.

An internet DGPS service for precise outdoor navigation

The goal of the work presented in this paper is to provide mobile platforms within our campus with a GPS based data service capable of supporting precise outdoor navigation. This can be achieved by providing campus-wide access to real time Differential GPS (DGPS) data. As a result, we designed and implemented a three-tier distributed system that provides Internet data links between remote DGPS sources and the campus and a campus-wide DGPS data dissemination service. The Internet data link service is a two-tier client/server where the server-side is connected to the DGPS station and the client-side is located at the campus. The campus-wide DGPS data provider disseminates the DGPS data received at the campus via the campus Intranet and via a wireless data link. The wireless broadcast is intended for portable receivers equipped with a DGPS wireless interface and the Intranet link is provided for receivers with a DGPS serial interface. The application is expected to provide adequate support for accurate outdoor campus navigation tasks.

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.

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.

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.

A Distributed System for the Dissemination of DGPS Data through the Internet

In this paper we describe a low cost distributed system intended to increase the positioning accuracy of outdoor navigation systems based on the Global Positioning System (GPS). Since the accuracy of absolute GPS positioning is insufficient for many outdoor navigation tasks, another GPS based methodology – the Differential GPS (DGPS) – was developed in the nineties. The differential or relative positioning approach is based on the calculation and dissemination of the range errors of the received GPS satellites. GPS/DGPS receivers correlate the broadcasted GPS data with the DGPS corrections, granting users increased accuracy. DGPS data can be disseminated using terrestrial radio beacons, satellites and, more recently, the Internet. Our goal is to provide mobile platforms within our campus with DGPS data for precise outdoor navigation. To achieve this objective, we designed and implemented a three-tier client/server distributed system that, first, establishes Internet links with remote DGPS sources and, then, performs campus-wide dissemination of the obtained data. The Internet links are established between data servers connected to remote DGPS sources and the client, which is the data input module of the campus-wide DGPS data provider. The campus DGPS data provider allows the establishment of both Intranet and wireless links within the campus. This distributed system is expected to provide adequate support for accurate outdoor navigation tasks.

Implementation of a Campus wide DGPS Data Server

Although the Navigation Satellite Timing and Ranging (NAVSTAR) Global Positioning System (GPS) is, de facto, the standard positioning system used in outdoor navigation, it does not provide, per se, all the features required to perform many outdoor navigational tasks. The accuracy of the GPS measurements is the most critical issue. The quest for higher position readings accuracy led to the development, in the late nineties, of the Differential Global Positioning System (DGPS). The differential GPS method detects the range errors of the GPS satellites received and broadcasts them. The DGPS/GPS receivers correlate the DGPS data with the GPS satellite data they are receiving, granting users increased accuracy. DGPS data is broadcasted using terrestrial radio beacons, satellites and, more recently, the Internet. Our goal is to have access, within the ISEP campus, to DGPS correction data. To achieve this objective we designed and implemented a distributed system composed of two main modules which are interconnected: a distributed application responsible for the establishment of the data link over the Internet between the remote DGPS stations and the campus, and the campus-wide DGPS data server application. The DGPS data Internet link is provided by a two-tier client/server distributed application where the server-side is connected to the DGPS station and the client-side is located at the campus. The second unit, the campus DGPS data server application, diffuses DGPS data received at the campus via the Intranet and via a wireless data link. The wireless broadcast is intended for DGPS/GPS portable receivers equipped with an air interface and the Intranet link is provided for DGPS/GPS receivers with just a RS232 DGPS data interface. While the DGPS data Internet link servers receive the DGPS data from the DGPS base stations and forward it to the DGPS data Internet link client, the DGPS data Internet link client outputs the received DGPS data to the campus DGPS data server application. The distributed system is expected to provide adequate support for accurate (sub-metric) outdoor campus navigation tasks. This paper describes in detail the overall distributed application.

Step count algorithm adapted to indoor localization

This paper presents a step count algorithm designed to work in real-time using low computational power. This proposal is our first step for the development of an indoor navigation system, based on Pedestrian Dead Reckoning (PDR). We present two approaches to solve this problem and compare them based in their error on step counting, as well as, the capability of their use in a real time system.

Traveled Distance Estimation Algorithm for Indoor Localization

This paper presents an ankle mounted Inertial Navigation System (INS) used to estimate the distance traveled by a pedestrian. This distance is estimated by the number of steps given by the user. The proposed method is based on force sensors to enhance the results obtained from an INS. Experimental results have shown that, depending on the step frequency, the traveled distance error varies between 2.7% and 5.6%.

Análise e identificação do sinal de aceleração num pé

Com a massificação do uso da tecnologia no dia-a-dia, os sistemas de localização têm vindo a aumentar a sua popularidade, devido à grande diversidade de funcionalidades que proporcionam e aplicações a que se destinam. No entanto, a maior parte dos sistemas de posicionamento não funcionam adequadamente em ambientes indoor, impedindo o desenvolvimento de aplicações de localização nestes ambientes. Os acelerómetros são muito utilizados nos sistemas de localização inercial, pelas informações que fornecem acerca das acelerações sofridas por um corpo. Para tal, neste trabalho, recorrendo à análise do sinal de aceleração provindo de um acelerómetro, propõe-se uma técnica baseada na deteção de passos para que, em aplicações futuras, possa constituir-se como um recurso a utilizar para calcular a posição do utilizador dentro de um edifício. Neste sentido, este trabalho tem como objetivo contribuir para o desenvolvimento da análise e identificação do sinal de aceleração obtido num pé, por forma a determinar a duração de um passo e o número de passos dados. Para alcançar o objetivo de estudo foram analisados, com recurso ao Matlab, um conjunto de 12 dados de aceleração (para marcha normal, rápida e corrida) recolhidos por um sistema móvel (e provenientes de um acelerómetro). A partir deste estudo exploratório tornou-se possível apresentar um algoritmo baseado no método de deteção de pico e na utilização de filtros de mediana e Butterworth passa-baixo para a contagem de passos, que apresentou bons resultados. Por forma a validar as informações obtidas nesta fase, procedeu-se, seguidamente, à realização de um conjunto de testes experimentais a partir da recolha de 33 novos dados para a marcha e corrida. Identificaram-se o número de passos efetuados, o tempo médio de passo e da passada e a percentagem de erro como as variáveis em estudo. Obteve-se uma percentagem de erro igual a 1% para o total dos dados recolhidos de 20, 100, 500 e 1000 passos com a aplicação do método proposto para a contagem do passo. Não obstante as dificuldades observadas na análise dos sinais de aceleração relativos à corrida, o algoritmo proposto mostrou bom desempenho, conseguindo valores próximos aos esperados. Os resultados obtidos permitem afirmar que foi possível atingir-se o objetivo de estudo com sucesso. Sugere-se, no entanto, o desenvolvimento de futuras investigações de forma a alargar estes resultados em outras direções.