Sistema de visão para percepção e navegação de um UAV Quadrotor

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

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.

Forest fire detection with a small fixed wing autonomous aerial vehicle

In this work a forest fire detection solution using small autonomous aerial vehicles is proposed. The FALCOS unmanned aerial vehicle developed for remote-monitoring purposes is described. This is a small size UAV with onboard vision processing and autonomous flight capabilities. A set of custom developed navigation sensors was developed for the vehicle. Fire detection is performed through the use of low cost digital cameras and near-infrared sensors. Test results for navigation and ignition detection in real scenario are presented.

Desenvolvimento de módulos para planeamento e controlo de execução de missões de veículos aéreos não tripulados

Com a evolução da tecnologia, os UAVs (unmanned aerial vehicles) são cada vez mais utilizados, não só em missões de risco para o ser Humano, mas também noutro tipo de missões, como é o caso de missões de inspeção, vigilância, busca e salvamento. Isto devese ao baixo custo das plataformas assim como à sua enorme fiabilidade e facilidade de operação. Esta dissertação surge da necessidade de aumentar a autonomia dos UAVs do projeto PITVANT (Projeto de Investigação e Tecnologia em Veículos Aéreos Não Tripulados), projeto de investigação colaborativa entre a AFA (Academia da Força Aérea) e a FEUP (Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto), relativamente ao planeamento de trajetórias entre dois pontos no espaço, evitando os obstáculos que intersetem o caminho. Para executar o planeamento da trajetória mais curta entre dois pontos, foi implementado o algoritmo de pesquisa A*, por ser um algoritmo de pesquisa de soluções ótimas. A área de pesquisa é decomposta em células regulares e o centro das células são os nós de pesquisa do A*. O tamanho de cada célula é dependente da dinâmica de cada aeronave. Para que as aeronaves não colidam com os obstáculos, foi desenvolvido um método numérico baseado em relações trigonométricas para criar uma margem de segurança em torno de cada obstáculo. Estas margens de segurança são configuráveis, sendo o seu valor por defeito igual ao raio mínimo de curvatura da aeronave à velocidade de cruzeiro. De forma a avaliar a sua escalabilidade, o algoritmo foi avaliado com diferentes números de obstáculos. As métricas utilizadas para avaliação do algoritmo foram o tempo de computação do mesmo e o comprimento do trajeto obtido. Foi ainda comparado o desempenho do algoritmo desenvolvido com um algoritmo já implementado, do tipo fast marching.

Planeamento de Trajetória para Operações de Busca e Salvamento com UAVs

Os sistemas autónomos trazem como mais valia aos cenários de busca e salvamento a possibilidade de minimizar a presença de Humanos em situações de perigo e a capacidade de aceder a locais de difícil acesso. Na dissertação propõe-se endereçar novos métodos para perceção e navegação de veículos aéreos não tripulados (UAV), tendo como foco principal o planeamento de trajetórias e deteção de obstáculos. No que respeita à perceção foi desenvolvido um método para gerar clusters tendo por base os voxels gerados pelo Octomap. Na área de navegação, foram desenvolvidos dois novos métodos de planeamento de trajetórias, GPRM (Grid Probabilistic Roadmap) e PPRM (Particle Probabilistic Roadmap), que tem como método base para o seu desenvolvimento o PRM. O primeiro método desenvolvido, GPRM, espalha as partículas numa grid pré-definida, construindo posteriormente o roadmap na área determinada pela grid e com isto estima o trajeto mais curto até ao ponto destino. O segundo método desenvolvido, PPRM, espalha as partículas pelo cenário de aplicação, gera o roadmap considerando o mapa total e atribui uma probabilidade que irá permitir definir a trajetória otimizada. Para analisar a performance de cada método em comparação com o PRM, efetua-se a sua avaliação em três cenários distintos com recurso ao simulador MORSE.

Development of an Unmanned Capsule for large-scale maritime search and rescue

This paper describes the development and testing of a robotic capsule for search and rescue operations at sea. This capsule is able to operate autonomously or remotely controlled, is transported and deployed by a larger USV into a determined disaster area and is used to carry a life raft and inflate it close to survivors in large-scale maritime disasters. The ultimate goal of this development is to endow search and rescue teams with tools that extend their operational capability in scenarios with adverse atmospheric or maritime conditions.

High-Accuracy Low-Cost RTK-GPS for an Unmanned Surface Vehicle

This work presents a low cost RTK-GPS system for localization of unmanned surface vehicles. The system is based on the use of standard low cost L1 band receivers and in the RTKlib open source software library. Mission scenarios with multiple robotic vehicles are addressed as the ones envisioned in the ICARUS search and rescue case where the possibility of having a moving RTK base on a large USV and multiple smaller vehicles acting as rovers in a local communication network allows for local relative localization with high quality. The approach is validated in operational conditions with results presented for moving base scenario. The system was implemented in the SWIFT USV with the ROAZ autonomous surface vehicle acting as a moving base. This setup allows for the performing of a missions in a wider range of environments and applications such as precise 3D environment modeling in contained areas and multiple robot operations.

Uncertainty based Multi-Robot Cooperative Triangulation

The paper presents a multi-robot cooperative framework to estimate the 3D position of dynamic targets, based on bearing-only vision measurements. The uncertainty of the observation provided by each robot equipped with a bearing-only vision system is effectively addressed for cooperative triangulation purposes by weighing the contribution of each monocular bearing ray in a probabilistic manner. The envisioned framework is evaluated in an outdoor scenario with a team of heterogeneous robots composed of an Unmanned Ground and Aerial Vehicle.

Web survey system to discover the actual role of experience in learning in higher education: a case study

March 19 - 22, 2006, São Paulo, BRAZIL World Congress on Computer Science, Engineering and Technology Education

Assessment of guanylin peptides system in type 2 diabetes

Os doentes com diabetes mellitus tipo 2 apresentam predisposição para a retenção de sódio e são frequentemente hipertensos. No entanto, os mecanismos implicados na dificuldade do rim diabético em mobilizar o sódio são, ainda, pouco compreendidos. Os peptídeos da família das guanilinas estão envolvidos na regulação do transporte de electrólitos e água nos epitélios intestinal e renal, através da activação do receptor guanilato ciclase-C (GC-C) e subsequente libertação intracelular de GMPc. O objectivo do presente estudo foi a avaliação da actividade do sistema dos peptídeos das guanilinas (SPG) e do seu papel na regulação do balanço de sódio num modelo animal de diabetes tipo 2. Ratinhos machos C57BL/6 foram submetidos a uma dieta com alto teor de gordura e rica em hidratos de carbono simples (ratinhos diabéticos) ou a uma dieta normal (ratinhos controlo). A expressão renal e intestinal da guanilina (GN), uroguanilina (UGN) e do receptor GC-C assim como os níveis de GMPc na urina e plasma foram avaliados nos ratinhos controlo e diabéticos, durante a ingestão de dietas normo (NS) e hiper-salina (HS). Nos ratinhos diabéticos, durante a dieta NS verificou-se um aumento significativo da pressão arterial que foi acompanhado de redução da expressão do ARNm da GN, UGN e do GC-C no intestino e de aumento da expressão de ARNm da UGN no rim. A dieta HS induziu um aumento da expressão do ARNm da UGN no jejuno dos ratinhos controlo mas não nos diabéticos. Os ratinhos diabéticos apresentaram níveis urinários de GMPc inferiores aos controlos, em condições de dieta NS. Em conclusão, os nossos resultados sugerem que na diabetes tipo 2 ocorre uma redução da actividade intestinal do SPG que é acompanhada por um aumento compensatório da actividade renal do SPG. A diminuição da actividade do SPG intestinal na diabetes tipo 2 deve-se não só a uma redução da expressão dos peptídeos GN e UGN, mas também a uma redução da expressão do seu receptor, GC-C. Estes resultados sugerem que o SPG pode contribuir para a sensibilidade ao sódio na diabetes.

An heuristic approach for optimal location of gas supply units in transportation system

The best places to locate the Gas Supply Units (GSUs) on a natural gas systems and their optimal allocation to loads are the key factors to organize an efficient upstream gas infrastructure. The number of GSUs and their optimal location in a gas network is a decision problem that can be formulated as a linear programming problem. Our emphasis is on the formulation and use of a suitable location model, reflecting real-world operations and constraints of a natural gas system. This paper presents a heuristic model, based on lagrangean approach, developed for finding the optimal GSUs location on a natural gas network, minimizing expenses and maximizing throughput and security of supply.The location model is applied to the Iberian high pressure natural gas network, a system modelised with 65 demand nodes. These nodes are linked by physical and virtual pipelines – road trucks with gas in liquefied form. The location model result shows the best places to locate, with the optimal demand allocation and the most economical gas transport mode: by pipeline or by road truck.

DITRANS - a multi-agent system for integrated diagnosis of power transformers

This paper describes the development and the implementation of a multi-agent system for integrated diagnosis of power transformers. The system is divided in layers which contain a number of agents performing different functions. The social ability and cooperation between the agents lead to the final diagnosis and to other relevant conclusions through integrating various monitoring technologies, diagnostic methods and data sources, such as the dissolved gas analysis.

TINSEL – a web-based intelligent tutoring system on electrical installation design

This paper presents a project consisting on the development of an Intelligent Tutoring System, for training and support concerning the development of electrical installation projects to be used by electrical engineers, technicians and students. One of the major goals of this project is to devise a teaching model based on Intelligent Tutoring techniques, considering not only academic knowledge but also other types of more empirical knowledge, able to achieve successfully the training of electrical installation design.

Study of distribution network demand response events in the Portuguese system

In competitive electricity markets with deep concerns for the efficiency level, demand response programs gain considerable significance. As demand response levels have decreased after the introduction of competition in the power industry, new approaches are required to take full advantage of demand response opportunities. Grid operators and utilities are taking new initiatives, recognizing the value of demand response for grid reliability and for the enhancement of organized spot markets’ efficiency. This paper proposes a methodology for the selection of the consumers that participate in an event, which is the responsibility of the Portuguese transmission network operator. The proposed method is intended to be applied in the interruptibility service implemented in Portugal, in convergence with Spain, in the context of the Iberian electricity market. This method is based on the calculation of locational marginal prices (LMP) which are used to support the decision concerning the consumers to be schedule for participation. The proposed method has been computationally implemented and its application is illustrated in this paper using a 937 bus distribution network with more than 20,000 consumers.

Intelligent management of end consumers loads including electric vehicles through a SCADA system

The large penetration of intermittent resources, such as solar and wind generation, involves the use of storage systems in order to improve power system operation. Electric Vehicles (EVs) with gridable capability (V2G) can operate as a means for storing energy. This paper proposes an algorithm to be included in a SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) system, which performs an intelligent management of three types of consumers: domestic, commercial and industrial, that includes the joint management of loads and the charge/discharge of EVs batteries. The proposed methodology has been implemented in a SCADA system developed by the authors of this paper – the SCADA House Intelligent Management (SHIM). Any event in the system, such as a Demand Response (DR) event, triggers the use of an optimization algorithm that performs the optimal energy resources scheduling (including loads and EVs), taking into account the priorities of each load defined by the installation users. A case study considering a specific consumer with several loads and EVs is presented in this paper.