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.

Porto: cidade amiga das pessoas idosas: um estudo centrado na perspectiva de idosos das freguesias de Miragaia e Vitória

O presente estudo, de natureza qualitativa e exploratório, teve como objectivo verificar se a cidade do Porto possui características de uma cidade amiga das pessoas idosas, na perspectiva de idosos residentes neste meio urbano. Uma cidade amiga das pessoas idosas estimula um envelhecimento activo e com dignidade ao optimizar oportunidades para a saúde, participação e segurança. Foram realizados dois focus groups com pessoas idosas habitantes das Freguesias da Vitória e Miragaia, seleccionados a partir de uma amostragem por conveniência, recorrendo-se a um guião de entrevista constituído pelas seguintes categorias: espaços exteriores e edifícios; transportes; habitação; respeito e inclusão social; participação social; participação cívica e emprego; comunicação e informação; apoio comunitário e serviços de saúde. Desta forma, foi possível verificar que, apesar dos participantes identificarem um conjunto de condições que podem ser consideradas amigas das pessoas idosas, a maior parte das características referidas foram encaradas como negativas e com um impacto considerável no seu quotidiano. A participação social, os meios de informação disponíveis e os serviços comunitários são as condições perante as quais os participantes demonstram maior satisfação. Pelo contrário, em relação aos espaços exteriores, referem aspectos, como os grandes declives, as más condições dos pavimentos, os obstáculos nos passeios e a acumulação de lixo, que contribuem para um ambiente desagradável e inseguro. Quanto aos transportes, as modificações na identificação dos veículos, as alterações nos percursos, a pouca consciencialização dos motoristas em relação às necessidades dos mais velhos e as condições das paragens são os principais factores destacados, enquanto as habitações são consideradas antigas e com más condições estruturais e de acesso. De uma forma geral, estes idosos consideram-se pouco reconhecidos e desrespeitados pelos mais jovens e deparam-se com grandes dificuldades no acesso a actividades laborais e de voluntariado.

Cartografia geotécnica subterrânea do maciço granítico de Arca d’Água (Paranhos): implicações para o modelo geomecânico comportamental

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Métodos de observação durante a execução de obras subterrâneas

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Ensaios geomecânicos em rochas metassedimentares do maciço da Mina das Aveleiras (Mosteiro de Tibães): comparação, potencialidades e limitações

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Avaliação multitécnica em hidrogeologia ambiental e suas implicações na gestão de recursos hídricos subterrâneos

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Cartografia geotécnica subterrânea do maciço granítico de Arca D'Água (sector de Carvalhido–Burgães): implicações para o modelo geomecânico comportamental

Este trabalho pretende enfatizar a importância da elaboração de uma base de dados extensa e robusta para o melhoramento da cartografia geotécnica subterrânea do maciço granítico do sector de Carvalhido–Burgães (Porto). Este estudo envolveu a análise e o refinamento das principais características geomecânicas ao longo de um traçado com cerca de 1220 m, para a caracterização do maciço rochoso da galeria subterrânea Carvalhido–Burgães. Para esta caracterização foram coligidos e uniformizados dados geológicos, geotécnicos e geomecânicos relativos a várias campanhas de campo, realizadas entre 2005 e 2011, tendo estado a técnica da amostragem linear aplicada ao grau de compartimentação do maciço rochoso na base do seu estudo. Além disso, procedeu‐se a um tratamento estatístico das descontinuidades, bem como dos parâmetros geológico‐geotécnicos e geomecânicos a estas associados. O zonamento geotécnico do maciço granítico foi realizado sempre em estreita ligação com o conhecimento das características do maciço in situ. Pretende‐se que esta metodologia contribua para um melhor conhecimento da compartimentação dos maciços rochosos em geral e, em particular, do modelo geomecânico comportamental do maciço rochoso do Porto.

As características geotécnicas de um maciço como factores preponderantes na planificação e organização de obras de escavação subterrâneas - uma perspectiva sobre a produção

Com o presente documento pretende-se abordar e identificar os diferentes factores que influenciam directamente a produção e execução de uma escavação subterrânea, com especial relevo sobre a influência exercida pela geotecnia do maciço intersectado. Inicialmente são focados os principais aspectos a ter em conta na caracterização geotécnica de um maciço, seguindo-se uma introdução a diferentes métodos de escavação actuais e metodologias de suporte de uma obra subterrânea, com particular realce para os utilizados em maciços brandos. Depois de tratados estes conceitos, é apresentada uma obra subterrânea em execução que foi acompanhada durante 4 meses para efeitos de desenvolvimento deste estudo. Assim, são abordados neste documento diferentes aspectos construtivos, no que diz respeito à mão-de-obra utilizada, metodologias e técnicas aplicadas, redes técnicas auxiliares instaladas, produções e rendimentos verificados. De seguida e de modo a atestar a importância da caracterização geotécnica ao longo da obra, foi feito um estudo do maciço intersectado, relativamente às descontinuidades que o intersectam, litologia, alteração, e resistência à compressão. Para este último parâmetro foram utilizadas técnicas distintas mas complementares, nomeadamente o ensaio de carga pontual (em laboratório), e o esclerómetro portátil (in situ). Por último, tendo em conta os parâmetros e características presentes e as implicações que uma obra do género acarreta, são propostas de modo sucinto, técnicas alternativas de escavação do maciço cuja viabilidade de implementação seja possível no contexto em questão.

Geotecnia urbana da zona ribeirinha de Vila Nova de Gaia: criação de uma base de dados SIG geotécnica

O presente trabalho apresenta os resultados dos estudos geotécnicos e de uma base de dados da zona ribeirinha de Vila Nova de Gaia, com o objectivo de compreender melhor os aspectos geotécnicos em ambiente urbano numa área sensível com um registo histórico de instabilidade de taludes rochosos. Além disso, os escassos estudos científicos recentes de natureza geológica e geotécnica em Vila Nova de Gaia justificam o estudo exploratório da geotecnia urbana da zona ribeirinha de Vila Nova de Gaia. A importância de Vila Nova de Gaia como a terceira maior cidade portuguesa e como centro de intensa actividade económica e cultural despoleta uma constante necessidade de expansão. O aumento da densidade populacional acarreta a realização de projectos complexos de engenharia, utilizando o subsolo para a construção e, com frequência, em terrenos com características geotécnicas desfavoráveis. As cidades de Vila Nova de Gaia e do Porto foram sendo edificadas ao longo de encostas numa plataforma litoral caracterizada por uma vasta área aplanada, inclinando ligeiramente para Oeste. Esta plataforma foi cortada pelo Rio Douro num vale encaixado de vertentes abruptas, nas quais se localizam as zonas ribeirinhas das duas cidades. Este trabalho envolveu, inicialmente, uma caracterização topográfica, morfoestrutural, geotectónica e geomecânica da área de estudo e, numa fase posterior, o desenvolvimento duma base de dados geotécnica. Todos os dados geológicos e geotécnicos locais e os estudos geotécnicos levados a cabo in situ pelas diversas empresas e instituições foram representados cartograficamente numa base apoiada pelos Sistemas de Informação Geográfica (SIG). Esta metodologia inter‐disciplinar foi de grande valor para um melhor conhecimento dos riscos geológico‐geotécnicos ao longo das margens do Rio Douro. De facto, a cartografia geotécnica da zona ribeirinha de Vila Nova de Gaia deve constituir uma ferramenta importante para uma previsão mais rigorosa de futuras instabilidades de taludes e um bom instrumento para a gestão do espaço urbano.

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.

Escavações subterrâneas em meio urbano: Túnel do Seixo Alvo

As obras subterrâneas têm actualmente maior relevância, sobretudo em meios urbanos e são, desde a fase de estudo até à sua execução, projectos tecnicamente complexos, exigentes e interessantes. O meio em que a obra subterrânea está inserida condiciona, quer na fase de estudo quer no desenvolvimento dos trabalhos, as opções técnicas e representa um desafio constante para todos os intervenientes. São poucos os técnicos que têm a oportunidade de acompanhar e apreender o conhecimento envolvido nestas obras, pelo que é importante que toda a experiência adquirida seja registada e se possível transmitida. Pela sua formação e vocação, os engenheiros geotécnicos desempenham um papel de destaque nestes empreendimentos, onde o conhecimento e a sensibilidade técnica, associados à experiência em trabalhos semelhantes, são factores determinantes para atingir os objectivos propostos. Com este trabalho pretende-se caracterizar, valorizar, analisar e concluir sobre as várias etapas desenvolvidas na construção do túnel de Seixo Alvo, enquadrado na Concessão do Douro Litoral. Realizou-se uma apreciação do estado da arte e apresenta-se o túnel do Seixo Alvo como caso de estudo, onde se evidencia a importância do estudo e observação da obra e do meio em que está inserida, caracteriza os métodos e processos construtivos implementados e propostos, analisa os incidentes ocorridos e valoriza os trabalhos executados. Por último conclui-se sobre as técnicas, os custos e os rendimentos obtidos.

Geotecnia urbana da zona ribeirinha de Vila Nova de Gaia (Cais de Gaia, Santa Marinha – Lavadores, Canidelo): uma avaliação preliminar

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Microtunelação. Aplicação a um caso de obra

Um túnel é uma obra subterrânea dimensionada com o objetivo de satisfazer diversas necessidades num mundo onde o planeamento urbano e a gestão de espaços ganha cada vez mais importância. A execução de este género de obras de engenharia pode ter várias finalidades, que podem ir desde a construção/reabilitação de redes de saneamento, abastecimento de água ou gás (túneis de pequeno diâmetro) até à construção/modernização de redes pedonais, rodoviárias ou ferroviárias, galerias mineiras, tuneis para barragens, etc. (túneis de grande diâmetro). As tuneladoras são uma das ferramentas de desmonte mais utilizadas na execução de obras subterrâneas. Existem no mercado vários tipos de máquinas tuneladoras, a sua escolha e dimensionamento depende de diversos fatores que devem ser cuidadosamente analisados, nomeadamente tipo de terreno a escavar, presença ou não de água na zona de escavação, dureza e/ou abrasividade das formações a atravessar, etc. Será feita uma abordagem aos princípios de funcionamento de este tipo de equipamentos, indicando o seu campo de aplicação dentro da respetiva tecnologia de escavação onde se inserem. Finalmente será desenvolvido o caso da empreitada: “Execução da Travessia do Rio Ave, da Estação Elevatória de Vila do Conde e dos Sistemas Elevatória da Aguçadoura e da Apúlia 4 - AR 44.0.08”, onde em alternativa ao desvio provisório do Rio Ave em Vila do Conde foi projetada a execução de duas travessias no diâmetro 1200 mm, uma delas escavadas maioritariamente em terreno aluvionar brando e a outra em terreno rochoso duro e abrasivo com recurso, em ambos casos, à utilização de máquina tuneladora. Através da avaliação do desempenho do equipamento escolhido para execução de este trabalho será estudada a eficiência da utilização deste tipo de equipamento. Com o objetivo de mostrar os custos associados à execução de obras de escavação subterrânea com recurso a utilização de máquinas tuneladoras, será feita uma análise económica e comparativa relativa aos dois casos de obra apresentados.

Radioactivity studies in Porto urban area: gamma radiation of Paranhos sector

A set of radiation measurements were carried out in several public and private institutions. These were selected with basis on the people affluence and passage to these sites. These measurements were registration formed either indoor, outdoor or underground and were compiled in three Case Studies. Radiation doses measurements were also made, surface and underground locations, and compiled in other two Case Studies. There were sampled, at the same time, humidity, temperature, atmospheric pressure and relevant construction materials at sampling locations. They were collected and registration formed to analyse if there is any relation or contribution for the measured value in each specific place. Geostatistical models were used to elaborate maps of the results both for radiation values and for doses. Preliminary relations were established among the measured parameters.