Exploração da Point Cloud Library aplicada à percepção em sistemas autónomos

A navegação e a interpretação do meio envolvente por veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um grande desafio na actualidade. Sebastian Thrun, descreve em [Thr02], que o problema do mapeamento em sistemas robóticos é o da aquisição de um modelo espacial do meio envolvente do robô. Neste contexto, a integração de sistemas sensoriais em plataformas robóticas, que permitam a construção de mapas do mundo que as rodeia é de extrema importância. A informação recolhida desses dados pode ser interpretada, tendo aplicabilidade em tarefas de localização, navegação e manipulação de objectos. Até à bem pouco tempo, a generalidade dos sistemas robóticos que realizavam tarefas de mapeamento ou Simultaneous Localization And Mapping (SLAM), utilizavam dispositivos do tipo laser rangefinders e câmaras stereo. Estes equipamentos, para além de serem dispendiosos, fornecem apenas informação bidimensional, recolhidas através de cortes transversais 2D, no caso dos rangefinders. O paradigma deste tipo de tecnologia mudou consideravelmente, com o lançamento no mercado de câmaras RGB-D, como a desenvolvida pela PrimeSense TM e o subsequente lançamento da Kinect, pela Microsoft R para a Xbox 360 no final de 2010. A qualidade do sensor de profundidade, dada a natureza de baixo custo e a sua capacidade de aquisição de dados em tempo real, é incontornável, fazendo com que o sensor se tornasse instantaneamente popular entre pesquisadores e entusiastas. Este avanço tecnológico deu origem a várias ferramentas de desenvolvimento e interacção humana com este tipo de sensor, como por exemplo a Point Cloud Library [RC11] (PCL). Esta ferramenta tem como objectivo fornecer suporte para todos os blocos de construção comuns que uma aplicação 3D necessita, dando especial ênfase ao processamento de nuvens de pontos de n dimensões adquiridas a partir de câmaras RGB-D, bem como scanners laser, câmaras Time-of-Flight ou câmaras stereo. Neste contexto, é realizada nesta dissertação, a avaliação e comparação de alguns dos módulos e métodos constituintes da biblioteca PCL, para a resolução de problemas inerentes à construção e interpretação de mapas, em ambientes indoor não estruturados, utilizando os dados provenientes da Kinect. A partir desta avaliação, é proposta uma arquitectura de sistema que sistematiza o registo de nuvens de pontos, correspondentes a vistas parciais do mundo, num modelo global consistente. Os resultados da avaliação realizada à biblioteca PCL atestam a sua viabilidade, para a resolução dos problemas propostos. Prova da sua viabilidade, são os resultados práticos obtidos, da implementação da arquitectura de sistema proposta, que apresenta resultados de desempenho interessantes, como também boas perspectivas de integração deste tipo de conceitos e tecnologia em plataformas robóticas desenvolvidas no âmbito de projectos do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA).

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.

Sistema de modelização tridimensional para ambientes não estruturados

A navegação de veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um problema em aberto. A complexidade do mundo real ainda é um desafio. A difícil caracterização do relevo irregular, dos objectos dinâmicos e pouco distintos(e a inexistência de referências de localização) tem sido alvo de estudo e do desenvolvimento de vários métodos que permitam de uma forma eficiente, e em tempo real, modelizar o espaço tridimensional. O trabalho realizado ao longo desta dissertação insere-se na estratégia do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) na pesquisa e desenvolvimento de sistemas sensoriais que possibilitem o aumento da capacidade de percepção das plataformas robóticas. O desenvolvimento de um sistema de modelização tridimensional visa acrescentar aos projectos LINCE (Land INtelligent Cooperative Explorer) e TIGRE (Terrestrial Intelligent General proposed Robot Explorer) maior autonomia e capacidade de exploração e mapeamento. Apresentamos alguns sensores utilizados para a aquisição de modelos tridimensionais, bem como alguns dos métodos mais utilizados para o processo de mapeamento, e a sua aplicação em plataformas robóticas. Ao longo desta dissertação são apresentadas e validadas técnicas que permitem a obtenção de modelos tridimensionais. É abordado o problema de analisar a cor e geometria dos objectos, e da criação de modelos realistas que os representam. Desenvolvemos um sistema que nos permite a obtenção de dados volumétricos tridimensionais, a partir de múltiplas leituras de um Laser Range Finder bidimensional de médio alcance. Aos conjuntos de dados resultantes associamos numa nuvem de pontos coerente e referenciada. Foram desenvolvidas e implementadas técnicas de segmentação que permitem inspeccionar uma nuvem de pontos e classifica-la quanto às suas características geométricas, bem como ao tipo de estruturas que representem. São apresentadas algumas técnicas para a criação de Mapas de Elevação Digital, tendo sido desenvolvida um novo método que tira partido da segmentação efectuada

A case study on the improvement of eco-efficiency ratios: application to a composite processing industry

The World Business Council for Sustainable Development (WBCSD) defines Eco-Efficiency as follows: ‘Eco- Efficiency is achieved by the delivery of competitively priced-goods and services that satisfy human needs and bring quality of life, while progressively reducing ecological impacts and resource intensity throughout the life-cycle to a level at least in line with the earth’s estimated carrying capacity’. Eco-Efficiency is under this point of view a key concept for sustainable development, bringing together economic and ecological progress. Measuring the Eco-Efficiency of a company, factory or business, is a complex process that involves the measurement and control of several and relevant parameters or indicators, globally applied to all companies in general, or specific according to the nature and specificities of the business itself. In this study, an attempt was made in order to measure and evaluate the eco-efficiency of a pultruded composite processing company. For this purpose the recommendations of WBCSD [1] and the directives of ISO 14301 standard [2] were followed and applied. The analysis was restricted to the main business branch of the company: the production and sale of standard GFRP pultrusion profiles. The main general indicators of eco-efficiency, as well as the specific indicators, were defined and determined according to ISO 14031 recommendations. With basis on indicators’ figures, the value profile, the environmental profile, and the pertinent eco-efficiency’s ratios were established and analyzed. In order to evaluate potential improvements on company eco-performance, new indicators values and ecoefficiency ratios were estimated taking into account the implementation of new proceedings and procedures, both in upstream and downstream of the production process, namely: a) Adoption of new heating system for pultrusion die in the manufacturing process, more effective and with minor heat losses; b) Implementation of new software for stock management (raw materials and final products) that minimize production failures and delivery delays to final consumer; c) Recycling approach, with partial waste reuse of scrap material derived from manufacturing, cutting and assembly processes of GFRP profiles. In particular, the last approach seems to significantly improve the eco-efficient performance of the company. Currently, by-products and wastes generated in the manufacturing process of GFRP profiles are landfilled, with supplementary added costs to this company traduced by transport of scrap, landfill taxes and required test analysis to waste materials. However, mechanical recycling of GFRP waste materials, with reduction to powdered and fibrous particulates, constitutes a recycling process that can be easily attained on heavy-duty cutting mills. The posterior reuse of obtained recyclates, either into a close-looping process, as filler replacement of resin matrix of GFRP profiles, or as reinforcement of other composite materials produced by the company, will drive to both costs reduction in raw materials and landfill process, and minimization of waste landfill. These features lead to significant improvements on the sequent assessed eco-efficiency ratios of the present case study, yielding to a more sustainable product and manufacturing process of pultruded GFRP profiles.

Cloud-assisted Wireless Body Area Networks

Wireless Body Area Networks (WBANs) have emerged as a promising technology for medical and non-medical applications. WBANs consist of a number of miniaturized, portable, and autonomous sensor nodes that are used for long-term health monitoring of patients. These sensor nodes continuously collect information of patients, which are used for ubiquitous health monitoring. In addition, WBANs may be used for managing catastrophic events and increasing the effectiveness and performance of rescue forces. The huge amount of data collected by WBAN nodes demands scalable, on-demand, powerful, and secure storage and processing infrastructure. Cloud computing is expected to play a significant role in achieving the aforementioned objectives. The cloud computing environment links different devices ranging from miniaturized sensor nodes to high-performance supercomputers for delivering people-centric and context-centric services to the individuals and industries. The possible integration of WBANs with cloud computing (WBAN-cloud) will introduce viable and hybrid platform that must be able to process the huge amount of data collected from multiple WBANs. This WBAN-cloud will enable users (including physicians and nurses) to globally access the processing and storage infrastructure at competitive costs. Because WBANs forward useful and life-critical information to the cloud – which may operate in distributed and hostile environments, novel security mechanisms are required to prevent malicious interactions to the storage infrastructure. Both the cloud providers and the users must take strong security measures to protect the storage infrastructure.

Dynamic power- and failure-aware cloud resources allocation for Sets of independent tasks

Cloud computing is increasingly being adopted in different scenarios, like social networking, business applications, scientific experiments, etc. Relying in virtualization technology, the construction of these computing environments targets improvements in the infrastructure, such as power-efficiency and fulfillment of users’ SLA specifications. The methodology usually applied is packing all the virtual machines on the proper physical servers. However, failure occurrences in these networked computing systems can induce substantial negative impact on system performance, deviating the system from ours initial objectives. In this work, we propose adapted algorithms to dynamically map virtual machines to physical hosts, in order to improve cloud infrastructure power-efficiency, with low impact on users’ required performance. Our decision making algorithms leverage proactive fault-tolerance techniques to deal with systems failures, allied with virtual machine technology to share nodes resources in an accurately and controlled manner. The results indicate that our algorithms perform better targeting power-efficiency and SLA fulfillment, in face of cloud infrastructure failures.

Processing XML with Java – a performance benchmark

Over time, XML markup language has acquired a considerable importance in applications development, standards definition and in the representation of large volumes of data, such as databases. Today, processing XML documents in a short period of time is a critical activity in a large range of applications, which imposes choosing the most appropriate mechanism to parse XML documents quickly and efficiently. When using a programming language for XML processing, such as Java, it becomes necessary to use effective mechanisms, e.g. APIs, which allow reading and processing of large documents in appropriated manners. This paper presents a performance study of the main existing Java APIs that deal with XML documents, in order to identify the most suitable one for processing large XML files

Performance analysis of Java APIS for XML processing

Over time, XML markup language has acquired a considerable importance in applications development, standards definition and in the representation of large volumes of data, such as databases. Today, processing XML documents in a short period of time is a critical activity in a large range of applications, which imposes choosing the most appropriate mechanism to parse XML documents quickly and efficiently. When using a programming language for XML processing, such as Java, it becomes necessary to use effective mechanisms, e.g. APIs, which allow reading and processing of large documents in appropriated manners. This paper presents a performance study of the main existing Java APIs that deal with XML documents, in order to identify the most suitable one for processing large XML files.

Sistema multi-agente para gestão de tráfego em centros urbanos

Mestrado em Engenharia Informática

Estudo da implementação de um sistema de vigilância e alarme num recurso hídrico

Neste trabalho estudou-se a implementação de um sistema de vigilância e alerta da qualidade da água de um recurso hídrico, para um possível caso de poluição. Em 25 de Agosto de 2008 foram derramadas 4 toneladas de ácido clorídrico acidentalmente para as águas do rio Febros. Este rio situa-se no concelho de Vila Nova de Gaia e é um pequeno afluente do rio Douro, tendo cerca de 14 km de extensão e tem a particularidade de atravessar o Parque Biológico de Gaia. A falta de uma rápida intervenção e da existência de um plano de ação levou a que parte da fauna e flora fosse destruída. Por este motivo realizou-se este estudo que se baseou na criação de um sistema de vigilância e alerta a ser implementado neste rio. A informação da hidrogeometria do rio e da capacidade de transporte e dispersão de poluentes é indispensável para o bom funcionamento deste sistema. O coeficiente de dispersão longitudinal é um parâmetro muito importante no estudo da qualidade da água. Recorreu-se à utilização da Rodamina WT como marcador, determinando assim a evolução da sua concentração ao longo do tempo e espaço. No cálculo do coeficiente de dispersão foi utilizado o modelo Transient Storage, que demonstrou ser um bom modelo de ajuste aproximando-se dos valores medidos em campo. Para três estações diferentes com distâncias de 290, 390 e 1100 metros do ponto de injeção, obtiveram-se valores de coeficiente de dispersão de 0,18, 0,15 e 0,39 m2/s respetivamente. Os valores do ajuste expressos sob a forma de coeficiente de correlação foram 0,988, 0,998 e 0,986, para a mesma ordem de estações. A constante de rearejamento do rio foi também determinada recorrendo ao método dos marcadores inertes, utilizando o propano como marcador gasoso. A constante determinada próximo de Casal Drijo, entre 2 estações de amostragem a 140 e 290 m do local de injeção, foi de 13,4 dia-1. Com os resultados do coeficiente de dispersão e da constante de rearejamento para além da velocidade e caudal da corrente do rio conseguir-se-á construir o modelo de simulação e previsão de um possível poluente. O sistema de vigilância a implementar sugere-se assim que seja construído por duas partes, uma de análise de evolução da nuvem de poluição e plano de ação outra de monitorização contínua e emissão de alerta. Após uma análise do investimento à implementação deste sistema chegou-se à conclusão que o valor de investimento é de 15.182,00 €.

ECG denoising based on adaptive signal processing technique

An Electrocardiogram (ECG) monitoring system deals with several challenges related with noise sources. The main goal of this text was the study of Adaptive Signal Processing Algorithms for ECG noise reduction when applied to real signals. This document presents an adaptive ltering technique based on Least Mean Square (LMS) algorithm to remove the artefacts caused by electromyography (EMG) and power line noise into ECG signal. For this experiments it was used real noise signals, mainly to observe the di erence between real noise and simulated noise sources. It was obtained very good results due to the ability of noise removing that can be reached with this technique. A recolha de sinais electrocardiogr a cos (ECG) sofre de diversos problemas relacionados com ru dos. O objectivo deste trabalho foi o estudo de algoritmos adaptativos para processamento digital de sinal, para redu c~ao de ru do em sinais ECG reais. Este texto apresenta uma t ecnica de redu c~ao de ru do baseada no algoritmo Least Mean Square (LMS) para remo c~ao de ru dos causados quer pela actividade muscular (EMG) quer por ru dos causados pela rede de energia el ectrica. Para as experiencias foram utilizados ru dos reais, principalmente para aferir a diferen ca de performance do algoritmo entre os sinais reais e os simulados. Foram conseguidos bons resultados, essencialmente devido as excelentes caracter sticas que esta t ecnica tem para remover ru dos.

Private cloud computing platforms. Analysis and implementation in a Higher Education Institution

The constant evolution of the Internet and its increasing use and subsequent entailing to private and public activities, resulting in a strong impact on their survival, originates an emerging technology. Through cloud computing, it is possible to abstract users from the lower layers to the business, focusing only on what is most important to manage and with the advantage of being able to grow (or degrades) resources as needed. The paradigm of cloud arises from the necessity of optimization of IT resources evolving in an emergent and rapidly expanding and technology. In this regard, after a study of the most common cloud platforms and the tactic of the current implementation of the technologies applied at the Institute of Biomedical Sciences of Abel Salazar and Faculty of Pharmacy of Oporto University a proposed evolution is suggested in order adorn certain requirements in the context of cloud computing.

Life cycle analysis of biodiesel production

Biodieselhas attracted considerable attention as a renewable, biodegradable, and nontoxic fuel and can contribute to solving the energy problems, significantly reducing the emission of gases which cause global warming. The first stage of this work was to simulate different alternative processes for producing biodiesel. The method used for the production of biodiesel is the transesterification of vegetable oilswith an alcohol in the presence of a catalyst. The raw materials used were palm oils and waste cooking oil. The second stage was a life cycle analysis for all alternatives under study, followed by an economic analysis for the alternatives that present minor impacts and which are more promising from an economic point of view. Finally,we proceeded to compare the different alternatives fromboth the point of view of life cycle and economic analysis. The feasibility of all processes was proven and the biodiesel obtained had good specifications. From the standpoint of life cycle analysis, the best alternative was the process of alkaline catalysiswith acid pretreatment for waste cooking oil. The economic analysis was done to the previous mentioned process and to the process that uses raw virgin oils, methanol, and sodium hydroxide. This process has lower investment costs but the process of alkaline catalysis with acid pre-treatment, whose main raw material is waste oil, is much more profitable and has less environmental impacts.

Cloud computing sobre a plataforma Windows Azure

A utilização massiva da internet e dos serviços que oferece por parte do utilizador final potencia a evolução dos mesmos, motivando as empresas a apostarem no desenvolvimento deste tipo de soluções. Requisitos como o poder de computação, flexibilidade e escalabilidade tornam-se cada vez mais indissociáveis do desenvolvimento aplicacional, o que leva ao surgimento de paradigmas como o de Cloud Computing. É neste âmbito que surge o presente trabalho. Com o objetivo de estudar o paradigma de Cloud Computing inicia-se um estudo sobre esta temática, onde é detalhado o seu conceito, a sua evolução histórica e comparados os diferentes tipos de implementações que suporta. O estudo detalha posteriormente a plataforma Azure, sendo analisada a sua topologia e arquitetura, detalhando-se os seus componentes e a forma como esta mitiga alguns dos problemas mencionados. Com o conhecimento teórico é desenvolvido um protótipo prático sobre esta plataforma, em que se exploram algumas das particularidades da topologia e se interage com as principais redes sociais. O estudo culmina com uma análise sobre os benefícios e desvantagens do Azure e através de um levantamento das necessidades da empresa, determinam-se as oportunidades que a utilização da plataforma poderá proporcionar.

Informal learning recognition through a cloud ecosystem

Learning and teaching processes, like all human activities, can be mediated through the use of tools. Information and communication technologies are now widespread within education. Their use in the daily life of teachers and learners affords engagement with educational activities at any place and time and not necessarily linked to an institution or a certificate. In the absence of formal certification, learning under these circumstances is known as informal learning. Despite the lack of certification, learning with technology in this way presents opportunities to gather information about and present new ways of exploiting an individual’s learning. Cloud technologies provide ways to achieve this through new architectures, methodologies, and workflows that facilitate semantic tagging, recognition, and acknowledgment of informal learning activities. The transparency and accessibility of cloud services mean that institutions and learners can exploit existing knowledge to their mutual benefit. The TRAILER project facilitates this aim by providing a technological framework using cloud services, a workflow, and a methodology. The services facilitate the exchange of information and knowledge associated with informal learning activities ranging from the use of social software through widgets, computer gaming, and remote laboratory experiments. Data from these activities are shared among institutions, learners, and workers. The project demonstrates the possibility of gathering information related to informal learning activities independently of the context or tools used to carry them out.