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).

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.

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

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.

Application mapping in NoC-Based many-cores

Many-core platforms based on Network-on-Chip (NoC [Benini and De Micheli 2002]) present an emerging technology in the real-time embedded domain. Although the idea to group the applications previously executed on separated single-core devices, and accommodate them on an individual many-core chip offers various options for power savings, cost reductions and contributes to the overall system flexibility, its implementation is a non-trivial task. In this paper we address the issue of application mapping onto a NoCbased many-core platform when considering fundamentals and trends of current many-core operating systems, specifically, we elaborate on a limited migrative application model encompassing a message-passing paradigm as a communication primitive. As the main contribution, we formulate the problem of real-time application mapping, and propose a three-stage process to efficiently solve it. Through analysis it is assured that derived solutions guarantee the fulfilment of posed time constraints regarding worst-case communication latencies, and at the same time provide an environment to perform load balancing for e.g. thermal, energy, fault tolerance or performance reasons.We also propose several constraints regarding the topological structure of the application mapping, as well as the inter- and intra-application communication patterns, which efficiently solve the issues of pessimism and/or intractability when performing the analysis.

A fuzzified systematic adjustment of the robotic Darwinian PSO

The Darwinian Particle Swarm Optimization (DPSO) is an evolutionary algorithm that extends the Particle Swarm Optimization using natural selection to enhance the ability to escape from sub-optimal solutions. An extension of the DPSO to multi-robot applications has been recently proposed and denoted as Robotic Darwinian PSO (RDPSO), benefiting from the dynamical partitioning of the whole population of robots, hence decreasing the amount of required information exchange among robots. This paper further extends the previously proposed algorithm adapting the behavior of robots based on a set of context-based evaluation metrics. Those metrics are then used as inputs of a fuzzy system so as to systematically adjust the RDPSO parameters (i.e., outputs of the fuzzy system), thus improving its convergence rate, susceptibility to obstacles and communication constraints. The adapted RDPSO is evaluated in groups of physical robots, being further explored using larger populations of simulated mobile robots within a larger scenario.

Is multidimensional scaling suitable for mapping the input respiratory impedance in subjects and patients?

This paper presents the application of multidimensional scaling (MDS) analysis to data emerging from noninvasive lung function tests, namely the input respiratory impedance. The aim is to obtain a geometrical mapping of the diseases in a 3D space representation, allowing analysis of (dis)similarities between subjects within the same pathology groups, as well as between the various groups. The adult patient groups investigated were healthy, diagnosed chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and diagnosed kyphoscoliosis, respectively. The children patient groups were healthy, asthma and cystic fibrosis. The results suggest that MDS can be successfully employed for mapping purposes of restrictive (kyphoscoliosis) and obstructive (COPD) pathologies. Hence, MDS tools can be further examined to define clear limits between pools of patients for clinical classification, and used as a training aid for medical traineeship.

A sensor classification strategy for robotic manipulators

In practice the robotic manipulators present some degree of unwanted vibrations. The advent of lightweight arm manipulators, mainly in the aerospace industry, where weight is an important issue, leads to the problem of intense vibrations. On the other hand, robots interacting with the environment often generate impacts that propagate through the mechanical structure and produce also vibrations. In order to analyze these phenomena a robot signal acquisition system was developed. The manipulator motion produces vibrations, either from the structural modes or from endeffector impacts. The instrumentation system acquires signals from several sensors that capture the joint positions, mass accelerations, forces and moments, and electrical currents in the motors. Afterwards, an analysis package, running off-line, reads the data recorded by the acquisition system and extracts the signal characteristics. Due to the multiplicity of sensors, the data obtained can be redundant because the same type of information may be seen by two or more sensors. Because of the price of the sensors, this aspect can be considered in order to reduce the cost of the system. On the other hand, the placement of the sensors is an important issue in order to obtain the suitable signals of the vibration phenomenon. Moreover, the study of these issues can help in the design optimization of the acquisition system. In this line of thought a sensor classification scheme is presented. Several authors have addressed the subject of the sensor classification scheme. White (White, 1987) presents a flexible and comprehensive categorizing scheme that is useful for describing and comparing sensors. The author organizes the sensors according to several aspects: measurands, technological aspects, detection means, conversion phenomena, sensor materials and fields of application. Michahelles and Schiele (Michahelles & Schiele, 2003) systematize the use of sensor technology. They identified several dimensions of sensing that represent the sensing goals for physical interaction. A conceptual framework is introduced that allows categorizing existing sensors and evaluates their utility in various applications. This framework not only guides application designers for choosing meaningful sensor subsets, but also can inspire new systems and leads to the evaluation of existing applications. Today’s technology offers a wide variety of sensors. In order to use all the data from the diversity of sensors a framework of integration is needed. Sensor fusion, fuzzy logic, and neural networks are often mentioned when dealing with problem of combing information from several sensors to get a more general picture of a given situation. The study of data fusion has been receiving considerable attention (Esteban et al., 2005; Luo & Kay, 1990). A survey of the state of the art in sensor fusion for robotics can be found in (Hackett & Shah, 1990). Henderson and Shilcrat (Henderson & Shilcrat, 1984) introduced the concept of logic sensor that defines an abstract specification of the sensors to integrate in a multisensor system. The recent developments of micro electro mechanical sensors (MEMS) with unwired communication capabilities allow a sensor network with interesting capacity. This technology was applied in several applications (Arampatzis & Manesis, 2005), including robotics. Cheekiralla and Engels (Cheekiralla & Engels, 2005) propose a classification of the unwired sensor networks according to its functionalities and properties. This paper presents a development of a sensor classification scheme based on the frequency spectrum of the signals and on a statistical metrics. Bearing these ideas in mind, this paper is organized as follows. Section 2 describes briefly the robotic system enhanced with the instrumentation setup. Section 3 presents the experimental results. Finally, section 4 draws the main conclusions and points out future work.

A multidimensional scaling classification of robotic sensors

This chapter analyzes the signals captured during impacts and vibrations of a mechanical manipulator. Eighteen signals are captured and several metrics are calculated between them, such as the correlation, the mutual information and the entropy. A sensor classification scheme based on the multidimensional scaling technique is presented.

Optimal location of the workpiece in a PKM-based machining robotic cell

Most machining tasks require high accuracy and are carried out by dedicated machine-tools. On the other hand, traditional robots are flexible and easy to program, but they are rather inaccurate for certain tasks. Parallel kinematic robots could combine the accuracy and flexibility that are usually needed in machining operations. Achieving this goal requires proper design of the parallel robot. In this chapter, a multi-objective particle swarm optimization algorithm is used to optimize the structure of a parallel robot according to specific criteria. Afterwards, for a chosen optimal structure, the best location of the workpiece with respect to the robot, in a machining robotic cell, is analyzed based on the power consumed by the manipulator during the machining process.

A sensor classification strategy for robotic manipulators using multidimensional scaling technique

This paper analyzes the signals captured during impacts and vibrations of a mechanical manipulator. To test the impacts, a flexible beam is clamped to the end-effector of a manipulator that is programmed in a way such that the rod moves against a rigid surface. Eighteen signals are captured and theirs correlation are calculated. A sensor classification scheme based on the multidimensional scaling technique is presented.

Application of fractional algorithms in the control of a robotic bird

In this paper, it is studied the dynamics of the robotic bird in terms of time response and robustness. It is analyzed the wing angle of attack and the velocity of the bird, the tail influence, the gliding flight and the flapping flight. The results are positive for the construction of flying robots. The development of computational simulation based on the dynamic of the robotic bird should allow testing strategies and different algorithms of control such as integer and fractional controllers.

Robotic manipulators with vibrations: short time fourier transform of fractional spectra

This paper analyzes the signals captured during impacts and vibrations of a mechanical manipulator. In order to acquire and study the signals an experimental setup is implemented. The signals are treated through signal processing tools such as the fast Fourier transform and the short time Fourier transform. The results show that the Fourier spectrum of several signals presents a non integer behavior. The experimental study provides valuable results that can assist in the design of a control system to deal with the unwanted effects of vibrations.

Mapeamento da Responsabilidade Social em Portugal (The Mapping of Social Responsibility in Portugal)

Conferência multidisciplinar e multicultural.

Aplicação do multi-layer stream mapping para a gestão da eficiência de recursos e produtividade de um sistema de produção

Mestrado em Engenharia Mecânica – Especialização Gestão Industrial