Adaptive tackling of the swinging problem for a 2 DOF crane – payload system

The control of a crane carrying its payload by an elastic string corresponds to a task in which precise, indirect control of a subsystem dynamically coupled to a directly controllable subsystem is needed. This task is interesting since the coupled degree of freedom has little damping and it is apt to keep swinging accordingly. The traditional approaches apply the input shaping technology to assist the human operator responsible for the manipulation task. In the present paper a novel adaptive approach applying fixed point transformations based iterations having local basin of attraction is proposed to simultaneously tackle the problems originating from the imprecise dynamic model available for the system to be controlled and the swinging problem, too. The most important phenomenological properties of this approach are also discussed. The control considers the 4th time-derivative of the trajectory of the payload. The operation of the proposed control is illustrated via simulation results.

Construção de um robô trepador com locomoção através de rodas e adesão através de meios magnéticos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Localizing objects in large-scale cyber- physical systems

We use the term Cyber-Physical Systems to refer to large-scale distributed sensor systems. Locating the geographic coordinates of objects of interest is an important problemin such systems. We present a new distributed approach to localize objects and events of interest in time complexity independent of number of nodes.

Competitive dynamics for behavior coordination in a joint transportation task

We address the problem of coordinating two non-holonomic mobile robots that move in formation while transporting a long payload. A competitive dynamics is introduced that gradually controls the activation and deactivation of individual behaviors. This process introduces (asymmetrical) hysteresis during behavioral switching. As a result behavioral oscillations, due to noisy information, are eliminated. Results in indoor environments show that if parameter values are chosen within reasonable ranges then, in spite of noise in the robots communi- cation and sensors, the overall robotic system works quite well even in cluttered environments. The robots overt behavior is stable and smooth.

A survey of technologies and applications for climbing robots locomotion and adhesion

The interest in the development of climbing robots has grown rapidly in the last years. Climbing robots are useful devices that can be adopted in a variety of applications, such as maintenance and inspection in the process and construction industries. These systems are mainly adopted in places where direct access by a human operator is very expensive, because of the need for scaffolding, or very dangerous, due to the presence of an hostile environment. The main motivations are to increase the operation efficiency, by eliminating the costly assembly of scaffolding, or to protect human health and safety in hazardous tasks. Several climbing robots have already been developed, and other are under development, for applications ranging from cleaning to inspection of difficult to reach constructions. A wall climbing robot should not only be light, but also have large payload, so that it may reduce excessive adhesion forces and carry instrumentations during navigation. These machines should be capable of travelling over different types of surfaces, with different inclinations, such as floors, walls, or ceilings, and to walk between such surfaces (Elliot et al. (2006); Sattar et al. (2002)). Furthermore, they should be able of adapting and reconfiguring for various environment conditions and to be self-contained. Up to now, considerable research was devoted to these machines and various types of experimental models were already proposed (according to Chen et al. (2006), over 200 prototypes aimed at such applications had been developed in the world by the year 2006). However, we have to notice that the application of climbing robots is still limited. Apart from a couple successful industrialized products, most are only prototypes and few of them can be found in common use due to unsatisfactory performance in on-site tests (regarding aspects such as their speed, cost and reliability). Chen et al. (2006) present the main design problems affecting the system performance of climbing robots and also suggest solutions to these problems. The major two issues in the design of wall climbing robots are their locomotion and adhesion methods. With respect to the locomotion type, four types are often considered: the crawler, the wheeled, the legged and the propulsion robots. Although the crawler type is able to move relatively faster, it is not adequate to be applied in rough environments. On the other hand, the legged type easily copes with obstacles found in the environment, whereas generally its speed is lower and requires complex control systems. Regarding the adhesion to the surface, the robots should be able to produce a secure gripping force using a light-weight mechanism. The adhesion method is generally classified into four groups: suction force, magnetic, gripping to the surface and thrust force type. Nevertheless, recently new methods for assuring the adhesion, based in biological findings, were proposed. The vacuum type principle is light and easy to control though it presents the problem of supplying compressed air. An alternative, with costs in terms of weight, is the adoption of a vacuum pump. The magnetic type principle implies heavy actuators and is used only for ferromagnetic surfaces. The thrust force type robots make use of the forces developed by thrusters to adhere to the surfaces, but are used in very restricted and specific applications. Bearing these facts in mind, this chapter presents a survey of different applications and technologies adopted for the implementation of climbing robots locomotion and adhesion to surfaces, focusing on the new technologies that are recently being developed to fulfill these objectives. The chapter is organized as follows. Section two presents several applications of climbing robots. Sections three and four present the main locomotion principles, and the main "conventional" technologies for adhering to surfaces, respectively. Section five describes recent biological inspired technologies for robot adhesion to surfaces. Section six introduces several new architectures for climbing robots. Finally, section seven outlines the main conclusions.

Integrated Management of IaaS Resources

This paper proposes and reports the development of an open source solution for the integrated management of Infrastructure as a Service (IaaS) cloud computing resources, through the use of a common API taxonomy, to incorporate open source and proprietary platforms. This research included two surveys on open source IaaS platforms (OpenNebula, OpenStack and CloudStack) and a proprietary platform (Parallels Automation for Cloud Infrastructure - PACI) as well as on IaaS abstraction solutions (jClouds, Libcloud and Deltacloud), followed by a thorough comparison to determine the best approach. The adopted implementation reuses the Apache Deltacloud open source abstraction framework, which relies on the development of software driver modules to interface with different IaaS platforms, and involved the development of a new Deltacloud driver for PACI. The resulting interoperable solution successfully incorporates OpenNebula, OpenStack (reuses pre-existing drivers) and PACI (includes the developed Deltacloud PACI driver) nodes and provides a Web dashboard and a Representational State Transfer (REST) interface library. The results of the exchanged data payload and time response tests performed are presented and discussed. The conclusions show that open source abstraction tools like Deltacloud allow the modular and integrated management of IaaS platforms (open source and proprietary), introduce relevant time and negligible data overheads and, as a result, can be adopted by Small and Medium-sized Enterprise (SME) cloud providers to circumvent the vendor lock-in problem whenever service response time is not critical.

Integrated Management of Cloud Computing Resources

Lunacloud is a cloud service provider with offices in Portugal, Spain, France and UK that focus on delivering reliable, elastic and low cost cloud Infrastructure as a Service (IaaS) solutions. The company currently relies on a proprietary IaaS platform - the Parallels Automation for Cloud Infrastructure (PACI) - and wishes to expand and integrate other IaaS solutions seamlessly, namely open source solutions. This is the challenge addressed in this thesis. This proposal, which was fostered by Eurocloud Portugal Association, contributes to the promotion of interoperability and standardisation in Cloud Computing. The goal is to investigate, propose and develop an interoperable open source solution with standard interfaces for the integrated management of IaaS Cloud Computing resources based on new as well as existing abstraction libraries or frameworks. The solution should provide bothWeb and application programming interfaces. The research conducted consisted of two surveys covering existing open source IaaS platforms and PACI (features and API) and open source IaaS abstraction solutions. The first study was focussed on the characteristics of most popular open source IaaS platforms, namely OpenNebula, OpenStack, CloudStack and Eucalyptus, as well as PACI and included a thorough inventory of the provided Application Programming Interfaces (API), i.e., offered operations, followed by a comparison of these platforms in order to establish their similarities and dissimilarities. The second study on existing open source interoperability solutions included the analysis of existing abstraction libraries and frameworks and their comparison. The approach proposed and adopted, which was supported on the conclusions of the carried surveys, reuses an existing open source abstraction solution – the Apache Deltacloud framework. Deltacloud relies on the development of software driver modules to interface with different IaaS platforms, officially provides and supports drivers to sixteen IaaS platform, including OpenNebula and OpenStack, and allows the development of new provider drivers. The latter functionality was used to develop a new Deltacloud driver for PACI. Furthermore, Deltacloud provides a Web dashboard and REpresentational State Transfer (REST) API interfaces. To evaluate the adopted solution, a test bed integrating OpenNebula, Open- Stack and PACI nodes was assembled and deployed. The tests conducted involved time elapsed and data payload measurements via the Deltacloud framework as well as via the pre-existing IaaS platform API. The Deltacloud framework behaved as expected, i.e., introduced additional delays, but no substantial overheads. Both the Web and the REST interfaces were tested and showed identical measurements. The developed interoperable solution for the seamless integration and provision of IaaS resources from PACI, OpenNebula and OpenStack IaaS platforms fulfils the specified requirements, i.e., provides Lunacloud with the ability to expand the range of adopted IaaS platforms and offers a Web dashboard and REST API for the integrated management. The contributions of this work include the surveys and comparisons made, the selection of the abstraction framework and, last, but not the least, the PACI driver developed.

Environmental/Regatta Buoy: Telemetry and Configuration

A monitorização ambiental é essencial para a tomada de decisões tanto na ciência como na indústria. Em particular, uma vez que a água é essencial à vida e a superfície da Terra é composta principalmente por água, a monitorização do clima e dos parâmetros relacionados com a água em ecossistemas sensíveis, tais como oceanos, lagoas, rios e lagos, é de extrema importância. Um dos métodos mais comuns para monitorar a água é implantar bóias. O presente trabalho está integrado num projeto mais amplo, com o objetivo de projectar e desenvolver uma bóia autónoma para a investigação científica com dois modos de funcionamento: (i) monitorização ambiental ; e (ii) baliza ativa de regata. Assim, a bóia tem duas aplicações principais: a coleta e armazenamento de dados e a assistência a regatas de veleiros autónomos. O projeto arrancou há dois anos com um grupo de quatro estudantes internacionais. Eles projetaram e construíram a estrutura física, compraram e montaram o sistema de ancoragem da bóia e escolherem a maioria dos componentes electrónicos para o sistema geral de controlo e medição. Este ano, durante o primeiro semestre, dois estudantes belgas - Jeroen Vervenne e Hendrick Verschelde – trabalharam nos subsistemas de recolha e armazenamento de dados (unidade de controlo escrava) e de telemetria e configuração (unidade de controlo mestre) assim como definiram o protocolo de comunicação da aplicação. O trabalho desta tese continua o desenvolvimento do subsistema de telemetria e configuração. Este subsistema _e responsável pela configuração do modo de funcionamento e dos sensores assim como pela comunicação com a estacão de base (controlo ambiental), barcos (baliza ativa de regata) e com o subsistema de recolha e armazenamento de dados. O desenvolvimento do subsistema de recolha e armazenamento de dados, que coleta e armazena num cartão SD os dados dos sensores selecionados, prossegue com outro estudante belga - Mathias van Flieberge. O objetivo desta tese é, por um lado, implementar o subsistema de telemetria e de configuração na unidade de controle mestre e, por outro lado, refinar e implementar, conjuntamente com Mathias van Flieberge, o protocolo de nível de aplicação projetado. Em particular, a unidade de controlo mestre deve processar e atribuir prioridades às mensagens recebidas da estacão base, solicitar dados à unidade de controlo escrava e difundir mensagens com informação de posição e condições de vento e água no modo de regata. Enquanto que a comunicação entre a unidade de controlo mestre e a estacão base e a unidade de controlo mestre e os barcos é sem fios, a unidade de controlo mestre e a unidade de controlo escrava comunicam através de uma ligação série. A bóia tem atualmente duas limitações: (i) a carga máxima é de 40 kg; e (ii) apenas pode ser utilizada em rios ou próximo da costa dada à limitação de distância imposta pela técnica de comunicação sem fios escolhida.

Técnicas de deteção de dano estrutural com base na monitorização

Ao longo dos últimos anos, acompanhada da evolução tecnológica, da dificuldade da inspeção visual e da consciencialização dos efeitos de uma má inspeção, verificou-se uma maior sensibilidade para a importância da monitorização estrutural, principalmente nas grandes infra-estruturas de engenharia civil. Os sistemas de monitorização estrutural permitem o acompanhamento contínuo do comportamento de uma determinada estrutura de tal forma que com os dados obtidos, é possível avaliar alterações no comportamento da mesma. Com isso, tem-se desenvolvido e implementado estratégias de identificação de danos estruturais com o intuito de aumentar a fiabilidade estrutural e evitar precocemente que alterações na condição da estrutura possam evoluir para situações mais severas. Neste contexto, a primeira parte desta dissertação consiste numa introdução à monitorização estrutural e à deteção de dano estrutural. Relativamente à monitorização, são expostos os seus objetivos e os princípios da sua aplicação. Conjuntamente são apresentados e descritos os principais sensores e são explicadas as funcionalidades de um sistema de aquisição de dados. O segundo tema aborda a importância da deteção de dano introduzindo os métodos estudados neste trabalho. Destaca-se o método das linhas de influência, o método da curvatura dos modos de vibração e o método da transformada de wavelet. Na segunda parte desta dissertação são apresentados dois casos de estudo. O primeiro estudo apresenta uma componente numérica e uma componente experimental. Estuda-se um modelo de viga que se encontra submetida a vários cenários de dano e valida-se a capacidade do método das linhas de influência em detetar e localizar essas anomalias. O segundo estudo consiste na modelação numérica de uma ponte real, na posterior simulação de cenários de dano e na análise comparativa da eficácia de cada um dos três métodos de deteção de dano na identificação e localização dos danos simulados. Por último, são apresentadas as principais conclusões deste trabalho e são sugeridos alguns tópicos a explorar na elaboração de trabalhos futuros.

Environmental/Regatta Buoy: Sensing System

Um dos principais objetivos da ciência é perceber a natureza, i.e., descobrir e explicar o funcionamento do mundo que nos rodeia. Para tal, os cientistas precisam de coligir dados e monitorar o meio ambiente. Em particular, considerando que cerca de 70% da Terra é coberta por água, a coleta de parâmetros de caracterização da água de grandes superfícies é uma prioridade. A monitorização das condições da água é feita principalmente através de bóias. No entanto, as bóias disponíveis no mercado não satisfazem as necessidades existentes. Esta é uma das principais razões que levaram o Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto a lançarem um projeto para o desenvolvimento de uma bóia reconfigurável e com dois modos de funcionamento: monitorização ambiental e baliza ativa de regata. O segundo modo é destinado a regatas de veleiros autónomos. O projeto começou há um ano com um projeto do European Project Project [1] (EPS), realizado por quatro estudantes internacionais, destinado à construção da estrutura da bóia e à selecção dos componentes mais adequados para o sistema de medição e controlo. A arquitetura que foi definida para este sistema é do tipo mestre-escravo e é composta por uma unidade de controlo mestre para a telemetria e configuração e uma unidade de controlo escrava para a medição e armazenamento de dados. O desenvolvimento do projeto continuou com dois estudantes belgas que trabalharam na comunicação e no armazenamento de dados. Este projeto, que prossegue com o desenvolvimento da medição e do armazenamento de dados do lado da unidade de controlo escrava, tem os seguintes objetivos: (i ) implementar o protocolo de comunicação na unidade de controlo escrava; (ii ) coligir e armazenar os dados dos sensores no cartão SD em tempo real; (iii ) fornecer dados em tempo útil; e (iv) recuperar dados do cartão SD em tempo diferido. As contribuições anteriores foram estudadas e foi feito um levantamento dos projetos congéneres existentes. O desenvolvimento do projeto atual começou com o protocolo de comunicação. Este protocolo, que foi projetado pelos alunos anteriores, foi um bom ponto de partida. No entanto, o protocolo foi atualizado e melhorado com novas funcionalidades. Esta última componente foi um trabalho conjunto com Laurens Allart, que esteve a trabalhar no subsistema de telemetria e de configuração durante este semestre. O protocolo foi implementado do lado da unidade de controlo escrava através de uma estrutura de múltiplas actividades paralelas (multithreaded). Esta estrutura recebe as mensagens da unidade mestre, executa as ações solicitadas e envia de volta o resultado. A bóia é um dispositivo reconfigurável multimodo que pode ser expandido com novos modos de operação no futuro. Infelizmente, sofre de algumas limitações: suporta uma carga máxima de 40 kg e tem uma área de implantação limitada pela distância máxima à estacão base.

Modelação Dinâmica de Sistemas de Drenagem Urbana. Aplicação a um caso de estudo

A crescente expansão urbana e o incremento das exigências ambientais e financeiras promovem a implementação de abordagens sustentáveis para a gestão das infraestruturas sanitárias. Assim, o recurso a instrumentos de monitorização e à modelação matemática surge como o caminho para a racionalização do investimento e a otimização dos sistemas existentes. Neste contexto, a modelação dinâmica de sistemas de drenagem urbana assume relevância para o controlo e redução dos caudais em excesso e das descargas de poluentes nos meios recetores, resultantes de um incremento significativo de afluências pluviais indevidas, de problemas de sub-dimensionamento ou falta de operação e manutenção. O objetivo da presente dissertação consiste na modelação, calibração e diagnóstico do sistema intercetor de Lordelo utilizando o software Storm Water Management Model, através dos dados recolhidos a partir do projeto de Reabilitação dos intercetores de Lordelo, elaborado pela Noraqua. A modelação considera a avaliação das afluências de tempo seco e as afluências pluviais pelo software Sanitary Sewer Overflow Analysis and Planning Toolbox. Com efeito, a simulação dinâmica, permitiu um conhecimento mais detalhado do sistema, avaliando a capacidade hidráulica e localizando os pontos propícios a inundações. Assim, foi possível testar soluções de beneficiação do sistema, englobando a problemática das afluências pluviais indevidas calibradas. Apesar das dificuldades sentidas face à qualidade dos dados existentes, verificou-se que o SSOAP e o SWMM são ferramentas úteis na deteção, diagnóstico e redução dos caudais em excesso e que o procedimento utilizado pode ser aplicado a sistemas semelhantes, como forma de definir a melhor solução técnica e económica ao nível do planeamento, operação e reabilitação do sistema.

CANDi: context-aware node discovery for short-range cooperation

Multi-standard mobile devices are allowing users to enjoy higher data rates with ubiquitous connectivity. However, the benefits gained from multiple interfaces come at an expense—that being higher energy consumption in an era where mobile devices need to be energy compliant. One promising solution is the usage of short-range cooperative communication as an overlay for infrastructure-based networks taking advantage of its context information. However, the node discovery mechanism, which is pivotal to the bearer establishment process, still represents a major burden in terms of the total energy budget. In this paper, we propose a technology agnostic approach towards enhancing the MAC energy ratings by presenting a context-aware node discovery (CANDi) algorithm, which provides a priori knowledge towards the node discovery mechanism by allowing it to search nodes in the near vicinity at the ‘right time and at the right place’. We describe the different beacons required for establishing the cooperation, as well as the context information required, including battery level, modes, location and so on. CANDi uses the long-range network (WiMAX and WiFi) to distribute the context information about cooperative clusters (Ultra-wideband-based) in the vicinity. The searching nodes can use this context in locating the cooperative clusters/nodes, which facilitates the establishing of short-range connections. Analytical and simulation results are obtained, and the energy saving gains are further demonstrated in the laboratory using a customised testbed. CANDi saves up to 50% energy during the node discovery process, while the demonstrative testbed shows up to 75% savings in the total energy budget, thus validating the algorithm, as well as providing viable evidence to support the usage of short-range cooperative communications for energy savings.

Hybrid Maneuver for Gradient Search with Multiple Coordinated AUVs

This work presents a hybrid maneuver for gradient search with multiple AUV's. The mission consists in following a gradient field in order to locate the source of a hydrothermal vent or underwater freshwater source. The formation gradient search exploits the environment structuring by the phenomena to be studied. The ingredients for coordination are the payload data collected by each vehicle and their knowledge of the behaviour of other vehicles and detected formation distortions.

Sistema de apoio à decisão na localização de peças

A globalização, nas suas diversas dimensões, está a tornar o mundo cada vez mais pequeno, alterando as nossas vidas e transformando a forma como as empresas fazem negócios. Estamos cada vez mais expostos aos traços e práticas das outras culturas à medida que a tecnologia diminui os custos da comunicação global e das viagens. A globalização está a obrigar as empresas a serem mais competitivas ao mesmo tempo que os países reduzem as barreiras ao comércio internacional e ao investimento estrangeiro. A competitividade das empresas obriga-as a serem mais eficientes e eficazes, logo a pensarem os seus processos internos de forma a procurarem a sua otimização e melhorarem a sua produtividade, com a notória consequência na satisfação do cliente. Para a satisfação do cliente é necessário que as operações dentro do sistema de distribuição, nomeadamente as realizadas no armazém, sejam otimizadas. Esta otimização é atingida quando as encomendas dos clientes estiverem completas e prontas a serem despachadas em tempo útil e todos os processos necessários para o efeito tenham ocorrido no menor espaço de tempo possível e com o mínimo de recursos. O planeamento das operações no armazém tem de determinar o tempo e a ordem das operações bem como os recursos necessários de forma a não acontecerem congestionamentos. A Caetano Parts, uma empresa de revenda de peças de substituição automóvel, identificou um congestionamento na localização de peças que chegavam pela primeira vez ao seu armazém, o que suscitou a necessidade do desenvolvimento de uma ferramenta que permitisse proceder à localização destas peças de uma forma mais expedita, permitindo ganhos significativos de tempo na arrumação das peças e consequentemente no tempo gasto na sua procura/separação e posterior envio para os clientes. A ferramenta desenvolvida consiste num programa em Visual Basic for Applications (VBA) cuja conceção, desenvolvimento e descrição das funcionalidades serão abordados ao longo do trabalho. Os testes realizados ao longo do desenvolvimento validaram o correto funcionamento da ferramenta.