Supervisão, comando e controlo para sistemas robóticos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Área de Especialização em Sistemas Autónomos

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).

Coordenação de veículo de inspecção subaquática com veículo de superfície autónomo

O LSA/ISEP(Laboratório de sistemas Autónomos do Instituto Superior de Engenharia do Porto) tem vindo nos últimos anos a desenvolver sistemas robóticos inovadores para operação em ambiente marinho sendo o veículo de superfície autónomo ROAZ II um exemplo de renome internacional. Neste contexto, e tendo em vista a satisfação dos requisitos parciais conducentes à obtenção do grau de Mestre em Eng. Electrotécnica e de Computadores - Ramo de Sistemas Autónomos do ISEP, o presente trabalho visou a integração de um robô submarino operado remotamente (ROV) com o robô de superfície ROAZ II. Esta solução inovadora de operação coordenada e integrada de um ASV/ROV permite dotar o ASV de mobilidade e visão subaquática. Após a caracterização e análise de requisitos de diversos cenários operacionais foi apresentada uma arquitectura de controlo coordenado dos dois veículos baseada em manobras de controlo descritas por autómatos híbridos. Os dois veículos foram modelados e as manobras coordenadas projectadas foram validadas com um simulador em ambiente Matlab/Simulink. Foi desenvolvido um sistema de localização relativa do ROV através da fusão sensorial de um sistema INS com um sistema acústico USBL utilizando um filtro EKF. O veículo ROV (VideoRay) do LSA foi instrumentado com os sensores necessários e efectuada a integração de hardware e software com o ASV ROAZ II permitindo a operação remota. Foi realizada uma missão demonstrativa de inspecção de pilares subaquáticos em cenário real com a operação conjunta dos dois robôs.

Calibração automática para sistema de localização Multi-câmara

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Sistemas Autónomos

Sistema de Variação de Lastro para Controlo de Movimento Vertical de Veículo Subaquático

O principal motivo para a realização deste trabalho consistiu no desenvolvimento de tecnologia robótica, que permitisse o mergulho e ascenção de grandes profundidades de uma forma eficiente. O trabalho realizado contemplou uma fase inicial de análise e estudo dos sistemas robóticos existentes no mercado, bem como métodos utilizados identificando vantagens e desvantagens em relação ao tipo de veículo pretendido. Seguiu-se uma fase de projeto e estudo mecânico, com o intuito de desenvolver um veículo com variação de lastro através do bombeamento de óleo para um reservatório exterior, para variar o volume total do veículo, variando assim a sua flutuabilidade. Para operar a grande profundidade com AUV’s é conveniente poder efetuar o trajeto up/down de forma eficiente e a variação de lastro apresenta vantagens nesse aspeto. No entanto, contrariamente aos gliders o interesse está na possibilidade de subir e descer na vertical. Para controlar a flutuabilidade e ao mesmo tempo analisar a profundidade do veículo em tempo real, foi necessario o uso de um sistema de processamento central que adquirisse a informação do sensor de pressão e comunicasse com o sistema de variação de lastro, de modo a fazer o controlo de posicionamento vertical desejado. Do ponto de vista tecnológico procurou-se desenvolver e avaliar soluções de variação de volume intermédias entre as dos gliders (poucas gramas) e as dos ROV’s workclass (dezenas ou centenas de kilogramas). Posteriormente, foi desenvolvido um simulador em matlab (Simulink) que reflete o comportamento da descida do veículo, permitindo alterar parâmetros do veículo e analisar os seus resultados práticos, de modo a poder ajustar o veículo real. Nos resultados simulados verificamos o cálculo das velocidades limite atingidas pelo veículo com diferentes coeficientes de atrito, bem como o comportamento da variação de lastro do veículo no seu deslocamento vertical. Sistema de Variação de Lastro para Controlo de Movimento Vertical de Veículo Subaquático Por fim, verificou-se ainda a capacidade de controlo do veículo para uma determinada profundiade, e foi feita a comparação entre estas simulações executadas com parâmetros muito próximos do ensaio real e os respetivos ensaios reais.

Development of advanced human robot interaction systems

O trabalho aqui apresentado é a Dissertação da minha Tese do curso de Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores do ISEP, realizada em parceria com o INESC TEC. O trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema avançado de interação entre homem-robô, usando ferramentas de software livres e de domínio público e hardware pouco dispendioso e facilmente acessível. Pretende-se que o sistema desenvolvido possa ser adotado por pequenas ou micro empresas, daí a restrição monetária. Este tipo de empresas tem, por norma, uma capacidade de investimento pequena, e ficam impossibilitadas de aceder a este tipo de sistemas automatizados se estes forem caros. No entanto, o robô continua a ser um componente fundamental, sendo dispendioso. Os trabalhos realizados pelos sistemas robóticos podem por um lado, ser repetitivos sem necessidade de grandes ajustes; por outro lado, o trabalho a realizar pode ser bastante diverso, sendo necessários bastantes ajustes com (possivelmente) programação do robô. As empresas podem não ter disponível mão-de-obra qualificada para realização da programação do robô. Pretende-se então um sistema de “ensino” que seja simples e rápido. Este trabalho pretende satisfazer as necessidades de um sistema de interação homem-robô intuitivo mesmo para operadores que não estejam familiarizados com a robótica. Para simplificar a transferência de informação da tarefa a desempenhar pelo sistema robótico é usado um sistema de infravermelhos para delinear a operação a desempenhar, neste caso concreto uma operação de soldadura. O operador usa um apontador com marcadores, a posição destes marcadores é detetada usando duas câmaras para permitir o posicionamento tridimensional no espaço. As câmaras possuem filtros infravermelhos para separar o espectro de luz. Para o controlo do sistema e interface com o robô é usado um computador de baixos recursos computacionais e energéticos, e também de baixo custo. O sistema desenvolvido é portanto computacionalmente leve para poder ser executado neste computador.

Segurança em edifícios habitacionais. Utilização de sistemas autónomos

A segurança de pessoas e bens é um aspeto fundamental na qualidade de vida das pessoas. Independentemente das caraterísticas arquitetónicas dos edifícios, da sua utilização prevista, do risco ou complexidade de cada instalação, deverão ser estudados, desenvolvidos e implementados sistemas de proteção e segurança, capazes de garantir o conforto e a segurança dos ocupantes e a proteção dos seus bens. Nos edifícios habitacionais, verifica-se a instalação de, principalmente, sistemas automáticos de intrusão. Com a implementação destes sistemas de segurança, pretende-se a deteção e sinalização, quer local, quer à distância, da tentativa de intrusão nas instalações, na forma tentada ou consumada, protegendo bens e os próprios ocupantes das instalações dos potenciais riscos resultantes de tais situações.

Sistema visual para Ground Truth de sistemas autónomos

Este trabalho visa contribuir para o desenvolvimento de um sistema de visão multi-câmara para determinação da localização, atitude e seguimento de múltiplos objectos, para ser utilizado na unidade de robótica do INESCTEC, e resulta da necessidade de ter informação externa exacta que sirva de referência no estudo, caracterização e desenvolvimento de algoritmos de localização, navegação e controlo de vários sistemas autónomos. Com base na caracterização dos veículos autónomos existentes na unidade de robótica do INESCTEC e na análise dos seus cenários de operação, foi efectuado o levantamento de requisitos para o sistema a desenvolver. Foram estudados os fundamentos teóricos, necessários ao desenvolvimento do sistema, em temas relacionados com visão computacional, métodos de estimação e associação de dados para problemas de seguimento de múltiplos objectos . Foi proposta uma arquitectura para o sistema global que endereça os vários requisitos identi cados, permitindo a utilização de múltiplas câmaras e suportando o seguimento de múltiplos objectos, com ou sem marcadores. Foram implementados e validados componentes da arquitectura proposta e integrados num sistema para validação, focando na localização e seguimento de múltiplos objectos com marcadores luminosos à base de Light-Emitting Diodes (LEDs). Nomeadamente, os módulos para a identi cação dos pontos de interesse na imagem, técnicas para agrupar os vários pontos de interesse de cada objecto e efectuar a correspondência das medidas obtidas pelas várias câmaras, método para a determinação da posição e atitude dos objectos, ltro para seguimento de múltiplos objectos. Foram realizados testes para validação e a nação do sistema implementado que demonstram que a solução encontrada vai de encontro aos requisitos, e foram identi cadas as linhas de trabalho para a continuação do desenvolvimento do sistema global.

Estrutura a partir do Movimento em Sistemas Autónomos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Ramo de Sistemas Autónomos

Sistema de percepção visual para veículos autónomos aéreos

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

Sistema de controlo de um veículo autónomo terrestre

A crescente necessidade imposta pela gama de aplicações existentes, torna o estudo dos veículos autónomos terrestres um objecto de grande interesse na investigação. A utilização de robots móveis autónomos originou quer um incremento de eficiência e eficácia em inúmeras aplicações como permite a intervenção humana em contextos de elevado risco ou inacessibilidade. Aplicações de monitorização e segurança constituem um foco de utilização deste tipo de sistemas quer pela automatização de procedimentos quer pelos ganhos de eficiência (desde a eficiência de soluções multi-veículo à recolha e detecção de informação). Neste contexto, esta dissertação endereça o problema de concepção, o desenvolvimento e a implementação de um veículo autónomo terrestre, com ênfase na perspectiva de controlo. Este projecto surge pois no âmbito do desenvolvimento de um novo veículo terrestre no Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). É efectuado um levantamento de requisitos do sistema tendo por base a caracterização de aplicações de monitorização, transporte e vigilância em cenários exteriores pouco estruturados. Um estado da arte em veículos autónomos terrestres é apresentado bem como conceitos e tecnologias relevantes para o controlo deste tipo de sistemas. O problema de controlo de locomoção é abordado tendo em particular atenção o controlo de motores DC brushless. Apresenta-se o projecto do sistema de controlo do veículo, desde o controlo de tracção e direcção, ao sistema computacional de bordo responsável pelo controlo e supervisão da missão. A solução adoptada para a implementação mecânica da estrutura do veículo consiste numa plataforma de veículo todo terreno (motociclo 4X4) disponível comercialmente. O projecto e implementação do sistema de controlo de direcção para o mesmo é apresentado quer sob o ponto de vista da solução electromecânica, quer pelo subsistema de hardware de controlo embebido e respectivo software. Tendo em vista o controlo de tracção são apresentadas duas soluções. Uma passando pelo estudo e desenvolvimento de um sistema de raiz capaz de controlar motores BLDC de elevada potência, a segunda passando pela utilização de uma solução através de um controlador externo. A gestão energética do sistema é abordada através do projecto e implementação de um sistema de controlo e distribuição de energia específico. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software, envolvendo a integração dos subsistemas projectados especialmente bem como a implementação do sistema computacional de bordo. São apresentados resultados de validação do controlo de locomoção básico quer em simulação quer descritos os testes e validações efectuados no veículo real. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

Método de correspondência para sistemas de visão multi-câmara

Os sistemas de perceção visual são das principais fontes de informação sensorial utilizadas pelos robôs autónomos, para localização e navegação em diferentes meios de operação. O objetivo passa por obter uma grande quantidade de informação sobre o ambiente que a câmara está a visualizar, processar e extrair informação que permita realizar as tarefas de uma forma e ciente. Uma informação em particular que os sistemas de visão podem fornecer, e a informação tridimensional acerca do meio envolvente. Esta informação pode ser adquirida recorrendo a sistemas de visão monoculares ou com múltiplas câmaras. Nestes sistemas a informação tridimensional pode ser obtida recorrendo a técnica de triangulação, tirando partido do conhecimento da posição relativa entre as câmaras. No entanto, para calcular as coordenadas de um ponto tridimensional no referencial da câmara e necessário existir correspondência entre pontos comuns às imagens adquiridas pelo sistema. No caso de más correspondências a informação 3D e obtida de forma incorreta. O problema associado à correspondência de pontos pode ser agravado no caso das câmaras do sistema terem características intrínsecas diferentes nomeadamente: resolução, abertura da lente, distorção. Outros fatores como as orientações e posições das câmaras também podem condicionar a correspondência de pontos. Este trabalho incide sobre problemática de correspondência de pontos existente no processo de cálculo da informação tridimensional. A presente dissertação visa o desenvolvimento de uma abordagem de correspondência de pontos para sistemas de visão no qual é conhecida a posição relativa entre câmaras.

Desenvolvimento e Controlo de um Veículo Autónomo Aéreo Quadrotor

A crescente necessidade de meios de inspecção e recolha de informação de infraestruturas e do meio ambiente natural, origina o recurso a meios tecnológicos cada vez mais evoluídos. Neste contexto, os robôs móveis autónomos aéreos surgem como uma ferramenta importante. Em particular, os veículos aéreos de asa móvel, pela sua manobrabilidade e controlo podem-se utilizar eficazmente em meios complexos como cenários interiores onde o ambiente é parcialmente controlado. A sua utilização em coordenação com outros veículos robóticos móveis e em particular com a crescente autonomia de decisão, permitem uma eficiência elevada, por exemplo, em tarefas de recolha automática de informação, vigilância, apoio a comunicações, etc. A inexistência de um veículo autónomo de asa móvel no cenário multi-robótico desenvolvido pelo Laboratório de Sistemas Autónomos do Instituto Superior de Engenharia do Porto, aliada às suas aplicações referidas, criou a necessidade do desenvolvimento de um veículo desta gama. Identificou-se, pois, o desenvolvimento de um veículo autónomo aéreo do tipo quadrotor com capacidade de vôo base estabilizado como o problema a resolver. Foi efectuado um levantamento de requisitos do sistema, a caracterização de um veículo autónomo aéreo Vertical Take-off and Landing - VTOL, e efectuado um trabalho de pesquisa a fim de possibilitar o conhecimento das técnicas e tecnologias envolvidas. Tendo em vista o objectivo de controlo e estabilização do veículo, foi efectuada a modelização do sistema que serviu não só para a melhor compreensão da sua dinâmica mas também para o desenvolvimento de um simulador que possibilitou a validação de estratégias de controlo e avaliação de comportamentos do veículo para diferentes cenários. A inexistência de controladores de motores brushless adequada (frequência de controlo), originou o desenvolvimento de um controlador dedicado para motores brushless, motores esses utilizados para a propulsão do veículo. Este controlador permite uma taxa de controlo a uma frequência de 20KHz, possui múltiplas interfaces de comunicação (CAN, RS232, Ethernet, SPI e JTAG), é de reduzido peso e dimensões e modular, visto ter sido implementado em dois módulos, i.e., permite a sua utilização com diferentes interfaces de potência. Projectou-se um veículo autónomo aéreo em termos físicos com a definição da sua arquitectura de hardware e software bem como o sistema de controlo de vôo. O sistema de estabilização de vôo compreende o processamento de informação fornecida por um sistema de navegação inercial, um sonar e o envio de referências de velocidade para cada um dos nós de controlo ligados a um barramento CAN instalado no veículo. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software. O UAV foi equipado com um sistema computacional dotando-o de capacidades para o desempenho de tarefas previamente analisadas. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

Os Sistemas de custeio e a competitividade da empresa

Trabalho de Projecto para a obtenção do grau de Mestre em Contabilidade e Finanças

Sistemas multimédia aplicados ao ensino da tradução – estudo de um caso

O uso recrudescente das novas tecnologias de informação conduziu ao aparecimento de novos ambientes de ensino, em que o computador, a internet, as intranets e o software específico ocuparam, em grande parte, o papel do manual e da sebenta, exigindo ao professor novas competências e estratégias. No Instituto Superior de Contabilidade e Administração do Porto, os Centros Multimédia de Línguas (CML) disponibilizam um conjunto de meios que abrangem áreas como o ensino da Legendagem, da Tradução Assistida por Computador, do ensino e aprendizagem de Línguas para Fins Específicos (também em regime de auto-aprendizagem) e, ainda numa fase piloto, do ensino à distância e apoio online. Para além de uma apresentação da experiência dos CML e de alguns dos resultados obtidos no que respeita ao ensino de Línguas Estrangeiras, da Interpretação e da Tradução, pretende-se reflectir sobre as novas necessidades do processo de ensino/aprendizagem, quer em termos da produção e disponibilização de conteúdos, quer em termos da avaliação. Finalmente, procurar-se-á aferir da adequação destas novas possibilidades ao sempre exigente e dinâmico mercado de trabalho.