Towards a Mobile Three-dimensional Modelling System for Underground Structures

Robotica 2012: 12th International Conference on Autonomous Robot Systems and Competitions April 11, 2012, Guimarães, Portugal

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.

Geostatistical Mapping of Outfall Plume Dispersion Data gathered with an autonomous underwater vehicle

The main purpose of this study was to examine the applicability of geostatistical modeling to obtain valuable information for assessing the environmental impact of sewage outfall discharges. The data set used was obtained in a monitoring campaign to S. Jacinto outfall, located off the Portuguese west coast near Aveiro region, using an AUV. The Matheron’s classical estimator was used the compute the experimental semivariogram which was fitted to three theoretical models: spherical, exponential and gaussian. The cross-validation procedure suggested the best semivariogram model and ordinary kriging was used to obtain the predictions of salinity at unknown locations. The generated map shows clearly the plume dispersion in the studied area, indicating that the effluent does not reach the near by beaches. Our study suggests that an optimal design for the AUV sampling trajectory from a geostatistical prediction point of view, can help to compute more precise predictions and hence to quantify more accurately dilution. Moreover, since accurate measurements of plume’s dilution are rare, these studies might be very helpful in the future for validation of dispersion models.

Personalized sightseeing tours support using mobile devices

In this paper, we present PSiS (Personalized Sightseeing Tours Recommendation System) Mobile. PSiS Mobile is our proposal to a mobile recommendation and planning support system, which is designed to provide effective support during the tourist visit with context-aware information and recommendations about places of interest (POI), exploiting tourist preferences and context.

Tourism mobile and recommendation systems - a state of the art

Recommendation systems have been growing in number for the last fifteen years. To evolve and adapt to the demands of the actual society, many paradigms emerged giving birth to even more paradigms and hybrid approaches. Mobile devices have also been under an incredible growth rate in every business area, and there are already lots of mobile based systems to assist tourists. This explosive growth gave birth to different mobile applications, each having their own advantages and disadvantages. Since recommendation and mobile systems might as well be integrated, this work intends to present the current state of the art in tourism mobile and recommendation systems, as well as to state their advantages and disadvantages.

Recommendation & mobile systems - a state of the art for tourism

Recommendation systems have been growing in number over the last fifteen years. To evolve and adapt to the demands of the actual society, many paradigms emerged giving birth to even more paradigms and hybrid approaches. These approaches contain strengths and weaknesses that need to be evaluated according to the knowledge area in which the system is going to be implemented. Mobile devices have also been under an incredible growth rate in every business area, and there are already lots of mobile based systems to assist tourists. This explosive growth gave birth to different mobile applications, each having their own advantages and disadvantages. Since recommendation and mobile systems might as well be integrated, this work intends to present the current state of the art in tourism mobile and recommendation systems, as well as to state their advantages and disadvantages.

PSiS Mobile

In this paper, we present a state of the art on applications of mobile devices to support decision of a tourist running on a trip. We focus on two types of applications, tourism recommendation and tourism guide, making a brief description of the main characteristics of each one of them. We also refer the main problems encountered on the development of applications for mobile devices, and present PSiS (Personalized Sightseeing Tours Recommendation System) Mobile, our proposal to a mobile recommendation and planning support system, which is designed to provide an effective support during the tourist visit, providing contextaware information and recommendations about places of interest (POI) to visit, based on tourist preferences and his current context.

Recommendation and planning through mobile devices in tourism context

In this paper we present a mobile recommendation and planning system, named PSiS Mobile. It is designed to provide effective support during a tourist visit through context-aware information and recommendations about points of interest, exploiting tourist preferences and context. Designing a tool like this brings several challenges that must be addressed. We discuss how these challenges have been overcame, present the overall system architecture, since this mobile application extends the PSiS project website, and the mobile application architecture.

Vantagens e desvantagens no desenvolvimento de recursos educativos para dispositivos móveis. CV Learning Mobile - Software educativo sobre “Organização Administrativa de Cabo Verde”

Não é recente a contribuição das tecnologias de informação e comunicação em processos de ensino/aprendizagem, no sentido da proliferação de conhecimento, de forma fácil e rápida. Com a contínua evolução tecnológica, surgem novos conceitos relativamente a processos de ensino/aprendizagem assentes nessas tecnologias. A aprendizagem por meio de dispositivos móveis, o m-Learning, é um exemplo, sendo um campo de investigação educacional em franca evolução, que explora essencialmente a mobilidade e a interactividade. No âmbito desta dissertação, pretende-se analisar a tecnologia m-Learning, fazendo referência as principais vantagens e desvantagens desta tecnologia. Neste sentido, e por pretendermos dar o nosso contributo ao ensino cabo-verdiano, onde a utilização de tal tecnologia é ainda inexistente, desenvolveu-se a aplicação CV Learning Mobile, um software educativo sobre a “Organização Administrativa de Cabo Verde”, como resultado do estudo efectuado.

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.

eTourism – Mobile Data Interface (Sistema de Apoio On-Line ao Turista em Dispositivos Móveis com Adaptação de Tours Personalizados)

O intuito principal desta Tese é criar um interface de Dados entre uma fonte de informação e fornecimento de Rotas para turistas e disponibilizar essa informação através de um sistema móvel interactivo de navegação e visualização desses mesmos dados. O formato tecnológico será portátil e orientado à mobilidade (PDA) e deverá ser prático, intuitivo e multi-facetado, permitindo boa usabilidade a públicos de várias faixas etárias. Haverá uma componente de IA (Inteligência Artificial), que irá usar a informação fornecida para tomar decisões ponderadas tendo em conta uma diversidade de aspectos. O Sistema a desenvolver deverá ser, assim, capaz de lidar com imponderáveis (alterações de rota, gestão de horários, cancelamento de pontos de visita, novos pontos de visita) e, finalmente, deverá ajudar o turista a gerir o seu tempo entre Pontos de Interesse (POI – Points os Interest). Deverá também permitir seguir ou não um dado percurso pré-definido, havendo possibilidade de cenários de exploração de POIs, sugeridos a partir de sugestões in loco, similares a Locais incluídos no trajecto, que se enquadravam no perfil dos Utilizadores. O âmbito geográfico de teste deste projecto será a zona ribeirinha do porto, por ser um ex-líbris da cidade e, simultaneamente, uma zona com muitos desafios ao nível geográfico (com a inclinação) e ao nível do grande número de Eventos e Locais a visitar.

Novopca mobile

A constante evolução da tecnologia obriga a que o mundo empresarial tenha que alocar esforços para se manter actualizado. Os equipamentos tecnológicos que se encontram actualmente na vanguarda da tecnologia são os dispositivos móveis, que cada vez mais nos rodeiam e acompanham com o intuito de nos facilitar a execução de tarefas rotineiras. O ramo de construção e obras públicas em particular é um sector que obriga a que os seus trabalhadores estejam constantemente em movimento, e que muito têm a ganhar com a utilização de ferramentas de trabalho em equipamentos móveis. Neste projecto pretendeu-se identificar qual o sistema operativo para dispositivos móveis que melhor se enquadra com as necessidades empresariais, assim como quais os mecanismos de comunicação inter-máquinas que melhor se enquadram com o cenário em estudo. Foi então desenvolvida uma plataforma para dispositivos móveis que permite agilizar a execução de processos que normalmente são morosos ou que obrigam à utilização do computador em locais menos próprios, nomeadamente o ambiente de obra. A solução proposta e implementada envolve uma aplicação modular quer permita a fácil inserção e remoção de módulos. Foram também realizados os estudos e implementações de quatro módulos, designadamente: auto-afectação, conferência documental, fornecedores e presenças em obra. Concluído este projecto, ficam reunidas as condições para o fácil desenvolvimento de novos módulos, visando inovação e optimização dos processos de trabalho da empresa.

PSiS mobile

Os sistemas de recomendação têm vindo a ser cada vez mais utilizados nos últimos anos. Por isso, é imprescindível que estes sistemas se adaptem à evolução da sociedade incluindo cada vez mais novas funcionalidades, tais como a adaptação do sistema ao contexto da pessoa. Esta adaptação pode ser feita através de, por exemplo, dispositivos móveis, que têm vindo a apresentar uma taxa de crescimento de vendas muito grande. Dada a crescente integração dos sistemas de recomendação com os sistemas móveis, foi elaborado um estudo sobre o estado da arte dos sistemas de auxílio ao turista que utilizam dispositivos móveis, sendo apresentadas as suas vantagens e desvantagens. Estes sistemas móveis de auxílio a turistas foram divididos em dois grupos: os que apresentam apenas a informação sobre pontos de interesse e os sistemas que são capazes de efectuar recomendações, com base no perfil do turista. Um breve estudo sobre os sistemas operativos para dispositivos móveis é apresentado, sendo especialmente focado o sistema operativo Android que foi o escolhido para esta implementação. Como os dispositivos móveis, actualmente, ainda possuem várias limitações, estas foram descritas e apresentadas as boas práticas no desenvolvimento de aplicações para este tipo de sistemas. É também apresentado um estudo que visa descobrir qual é o método mais leve e mais rápido para trocar dados entre a parte servidora e a parte móvel. Com a parte introdutória apresentada, é exposto o projecto desenvolvido nesta tese, o PSiS Mobile. Este sistema é um módulo que faz parte do projecto PSiS e pretende trazer todas as vantagens dos sistemas móveis para o sistema base já implementado. O projecto PSiS foca-se no estabelecimento de planos de visita personalizados com indicação de percursos para turistas com tempo limitado. Apoiando a definição de planos de visitas de acordo com o perfil do turista (interesses, valores pessoais, desejos, restrições, deficiências, etc.) combinando os produtos de turismo mais adequados (locais de interesse, eventos, restaurantes, etc.) em itinerários eficientes. A utilização de dispositivos móveis para acompanhamento da visita permite uma rápida interacção entre o turista e o sistema. Assim, o PSiS poderá recolher informação contextual do utilizador para que o perfil do mesmo seja enriquecido. O sistema apresentado é composto por duas partes: a parte cliente e a parte servidora. Toda a informação, como por exemplo o perfil do turista, histórico de viagens e valores de similaridade entre utilizadores está presente na parte servidora. O processo de recomendação também é efectuado pela aplicação servidora, sendo esta a responsável pela atribuição de uma classificação aos pontos de interesse tendo em conta o perfil do utilizador em causa. A base de dados do PSiS possui toda a informação relativa aos pontos de interesse numa determinada cidade ou região e o portfólio completo do histórico de visitas de cada utilizador. A componente móvel é uma parte muito importante para o sistema, pois interage com o utilizador no terreno. Um dispositivo móvel como o PDA, não só permite a apresentação de informação relevante ao utilizador, como também permite a recolha automática de informação contextual (por exemplo, a localização). Toda esta informação contribui para a definição de um perfil completo e para uma melhor adaptação do sistema às necessidades do utilizador. De forma a nem sempre estar dependente do servidor, a aplicação móvel possui rotinas para a realização de recomendações básicas. Ou seja, a aplicação móvel não realiza a classificação dos pontos de interesse, mas apenas mostra os principais resultados já formados pela parte servidora. Por exemplo, se um utilizador gostar de comida Chinesa, um restaurante Chinês nas imediações irá ter uma boa classificação e, por isso, ser recomendado. A aplicação móvel mostra ao turista o percurso definido para o dia em que o mesmo se encontra, sendo feito o rastreio do trajecto que o mesmo efectua. Assim, o sistema consegue saber se o horário do planeamento está a ser cumprido ou não. Caso não esteja, é invocado um algoritmo de planeamento que irá tentar corrigir o atraso ou o adiantamento perante o horário inicial. Depois de visitar um ponto de interesse, é pedido ao utilizador para fornecer feedback sobre o mesmo. Se desejado também é possível mostrar os pontos de interesse existentes perto do turista (usando as coordenadas GPS obtidas pelo dispositivo móvel) organizados por categorias, raio de distância, etc. Apesar dos dispositivos móveis possuírem várias restrições, pretendeu-se proporcionar ao utilizador uma boa experiência, através de uma aplicação rápida, de fácil utilização e adaptável, incluindo funcionalidades de planeamento, realidade aumentada e integração com a rede social do sistema. Todos estes factores contribuem para a disponibilização de informação detalhada ao turista.

Exploração de dados de uma solução mobile wallet usando as técnicas de data mining

A descoberta de conhecimento em dados hoje em dia é um ponto forte para as empresas. Atualmente a CardMobili não dispõe de qualquer sistema de mineração de dados, sendo a existência deste uma mais-valia para as suas operações de marketing diárias, nomeadamente no lançamento de cupões a um grupo restrito de clientes com uma elevada probabilidade que os mesmos os utilizem. Para isso foi analisada a base de dados da aplicação tentando extrair o maior número de dados e aplicadas as transformações necessárias para posteriormente serem processados pelos algoritmos de mineração de dados. Durante a etapa de mineração de dados foram aplicadas as técnicas de associação e classificação, sendo que os melhores resultados foram obtidos com técnicas de associação. Desta maneira pretende-se que os resultados obtidos auxiliem o decisor na sua tomada de decisões.

Ontology mapping evolution

Introdução Hoje em dia, o conceito de ontologia (Especificação explícita de uma conceptualização [Gruber, 1993]) é um conceito chave em sistemas baseados em conhecimento em geral e na Web Semântica em particular. Entretanto, os agentes de software nem sempre concordam com a mesma conceptualização, justificando assim a existência de diversas ontologias, mesmo que tratando o mesmo domínio de discurso. Para resolver/minimizar o problema de interoperabilidade entre estes agentes, o mapeamento de ontologias provou ser uma boa solução. O mapeamento de ontologias é o processo onde são especificadas relações semânticas entre entidades da ontologia origem e destino ao nível conceptual, e que por sua vez podem ser utilizados para transformar instâncias baseadas na ontologia origem em instâncias baseadas na ontologia destino. Motivação Num ambiente dinâmico como a Web Semântica, os agentes alteram não só os seus dados mas também a sua estrutura e semântica (ontologias). Este processo, denominado evolução de ontologias, pode ser definido como uma adaptação temporal da ontologia através de alterações que surgem no domínio ou nos objectivos da própria ontologia, e da gestão consistente dessas alterações [Stojanovic, 2004], podendo por vezes deixar o documento de mapeamento inconsistente. Em ambientes heterogéneos onde a interoperabilidade entre sistemas depende do documento de mapeamento, este deve reflectir as alterações efectuadas nas ontologias, existindo neste caso duas soluções: (i) gerar um novo documento de mapeamento (processo exigente em termos de tempo e recursos computacionais) ou (ii) adaptar o documento de mapeamento, corrigindo relações semânticas inválidas e criar novas relações se forem necessárias (processo menos existente em termos de tempo e recursos computacionais, mas muito dependente da informação sobre as alterações efectuadas). O principal objectivo deste trabalho é a análise, especificação e desenvolvimento do processo de evolução do documento de mapeamento de forma a reflectir as alterações efectuadas durante o processo de evolução de ontologias. Contexto Este trabalho foi desenvolvido no contexto do MAFRA Toolkit1. O MAFRA (MApping FRAmework) Toolkit é uma aplicação desenvolvida no GECAD2 que permite a especificação declarativa de relações semânticas entre entidades de uma ontologia origem e outra de destino, utilizando os seguintes componentes principais: Concept Bridge – Representa uma relação semântica entre um conceito de origem e um de destino; Property Bridge – Representa uma relação semântica entre uma ou mais propriedades de origem e uma ou mais propriedades de destino; Service – São aplicados às Semantic Bridges (Property e Concept Bridges) definindo como as instâncias origem devem ser transformadas em instâncias de destino. Estes conceitos estão especificados na ontologia SBO (Semantic Bridge Ontology) [Silva, 2004]. No contexto deste trabalho, um documento de mapeamento é uma instanciação do SBO, contendo relações semânticas entre entidades da ontologia de origem e da ontologia de destino. Processo de evolução do mapeamento O processo de evolução de mapeamento é o processo onde as entidades do documento de mapeamento são adaptadas, reflectindo eventuais alterações nas ontologias mapeadas, tentando o quanto possível preservar a semântica das relações semântica especificadas. Se as ontologias origem e/ou destino sofrerem alterações, algumas relações semânticas podem tornar-se inválidas, ou novas relações serão necessárias, sendo por isso este processo composto por dois sub-processos: (i) correcção de relações semânticas e (ii) processamento de novas entidades das ontologias. O processamento de novas entidades das ontologias requer a descoberta e cálculo de semelhanças entre entidades e a especificação de relações de acordo com a ontologia/linguagem SBO. Estas fases (“similarity measure” e “semantic bridging”) são implementadas no MAFRA Toolkit, sendo o processo (semi-) automático de mapeamento de ontologias descrito em [Silva, 2004].O processo de correcção de entidades SBO inválidas requer um bom conhecimento da ontologia/linguagem SBO, das suas entidades e relações, e de todas as suas restrições, i.e. da sua estrutura e semântica. Este procedimento consiste em (i) identificar as entidades SBO inválidas, (ii) a causa da sua invalidez e (iii) corrigi-las da melhor forma possível. Nesta fase foi utilizada informação vinda do processo de evolução das ontologias com o objectivo de melhorar a qualidade de todo o processo. Conclusões Para além do processo de evolução do mapeamento desenvolvido, um dos pontos mais importantes deste trabalho foi a aquisição de um conhecimento mais profundo sobre ontologias, processo de evolução de ontologias, mapeamento etc., expansão dos horizontes de conhecimento, adquirindo ainda mais a consciência da complexidade do problema em questão, o que permite antever e perspectivar novos desafios para o futuro.