Simulação e controlo de veículos autónomos terrestres

A implementação e venda de robôs autónomos tem sido um sector que nos últimos anos tem adquirido cada vez mais quota no mercado, nomeadamente no sector militar, agrícola e da vigilância. Como tal, tem sido também de grande importância a capacidade de implementar e testar robôs por parte das entidades que os fabricam. Uma das formas que tem garantido o sucesso do desenvolvimento de robôs é a simulação prévia dos mesmos antes que estes passem a fase de produção. Sendo assim, o LSA como entidade de desenvolvimento de robôs autónomos, tem necessidade de adquirir um sistema que simule os robôs em desenvolvimento. O trabalho desta tese consiste na realização de um sistema que simule robôs autónomos terrestres de forma que se possa observar o comportamento da cinemática, dinânica e hardware dos robôs em ambiente 3D. Esta aplicação de simulação pode mais tarde ser utilizada pelo laboratório para testar missões, validar alterações de estrutura, sensores, etc. Para além disso, com recurso ao simulador Player/Stage/Gazebo testar o robô LINCE e implementar algoritmos de controlo para o mesmo. Os algoritmos de controlo implementados baseiam-se em primitivas de controlo básico para serem utilizadas pelo sistema de navegação e gerar trajectórias complexas. Os algoritmos desenvolvidos nesta tese baseiam-se nas equações cinemáticas do veículo estudado. Estes algoritmos depois de testados no simulador, poderão ser colocados no Hardware do robô. Desta forma consegue-se desenvolver algoritmos para determinado robô sem que este esteja operacional.

Hybrid Maneuver for Gradient Search with Multiple Coordinated AUVs

This work presents a hybrid maneuver for gradient search with multiple AUV's. The mission consists in following a gradient field in order to locate the source of a hydrothermal vent or underwater freshwater source. The formation gradient search exploits the environment structuring by the phenomena to be studied. The ingredients for coordination are the payload data collected by each vehicle and their knowledge of the behaviour of other vehicles and detected formation distortions.

Sistema de auto calibração visual para robots do ISePorto, baseado em EKF

Os sistemas de perceção existentes nos robôs autónomos, hoje em dia, são bastante complexos. A informação dos vários sensores, existentes em diferentes partes do robôs, necessitam de estar relacionados entre si face ao referencial do robô ou do mundo. Para isso, o conhecimento da atitude (posição e rotação) entre os referenciais dos sensores e o referencial do robô é um fator critico para o desempenho do mesmo. O processo de calibração dessas posições e translações é chamado calibração dos parâmetros extrínsecos. Esta dissertação propõe o desenvolvimento de um método de calibração autónomo para robôs como câmaras direcionais, como é o caso dos robôs da equipa ISePorto. A solução proposta consiste na aquisição de dados da visão, giroscópio e odometria durante uma manobra efetuada pelo robô em torno de um alvo com um padrão conhecido. Esta informação é então processada em conjunto através de um Extended Kalman Filter (EKF) onde são estimados necessários para relacionar os sensores existentes no robô em relação ao referencial do mesmo. Esta solução foi avaliada com recurso a vários testes e os resultados obtidos foram bastante similares aos obtidos pelo método manual, anteriormente utilizado, com um aumento significativo em rapidez e consistência.

Autonomous bathymetry for risk assessment with ROAZ robotic surface vehicle

The use of unmanned marine robotic vehicles in bathymetric surveys is discussed. This paper presents recent results in autonomous bathymetric missions with the ROAZ autonomous surface vehicle. In particular, robotic surface vehicles such as ROAZ provide an efficient tool in risk assessment for shallow water environments and water land interface zones as the near surf zone in marine coast. ROAZ is an ocean capable catamaran for distinct oceanographic missions, and with the goal to fill the gap were other hydrographic surveys vehicles/systems are not compiled to operate, like very shallow water rivers and marine coastline surf zones. Therefore, the use of robotic systems for risk assessment is validated through several missions performed either in river scenario (in a very shallow water conditions) and in marine coastlines.

ROAZ Autonomous Surface Vehicle Design and Implementation

The design of an Autonomous Surface Vehicle for operation in river and estuarine scenarios is presented. Multiple operations with autonomous underwater vehicles and support to AUV missions are one of the main design goals in the ROAZ system. The mechanical design issues are discussed. Hardware, software and implementation status are described along with the control and navigation system architecture. Some preliminary test results concerning a custom developed thruster are presented along with hydrodynamic drag calculations by the use of computer fluid dynamic methods.

Swordfish: an Autonomous Surface Vehicle for Network Centric Operations

The design and development of the swordfish autonomous surface vehicle (ASV) system is discussed. Swordfish is an ocean capable 4.5 m long catamaran designed for network centric operations (with ocean and air going vehicles and human operators). In the basic configuration, Swordfish is both a survey vehicle and a communications node with gateways for broadband, Wi-Fi and GSM transports and underwater acoustic modems. In another configuration, Swordfish mounts a docking station for the autonomous underwater vehicle Isurus from Porto University. Swordfish has an advanced control architecture for multi-vehicle operations with mixed initiative interactions (human operators are allowed to interact with the control loops).

Autonomous Surface Vehicle Docking Manoeuvre with Visual Information

This work presents a hybrid coordinated manoeuvre for docking an autonomous surface vehicle with an autonomous underwater vehicle. The control manoeuvre uses visual information to estimate the AUV relative position and attitude in relation to the ASV and steers the ASV in order to dock with the AUV. The AUV is assumed to be at surface with only a small fraction of its volume visible. The system implemented in the autonomous surface vehicle ROAZ, developed by LSA-ISEP to perform missions in river environment, test autonomous AUV docking capabilities and multiple AUV/ASV coordinated missions is presented. Information from a low cost embedded robotics vision system (LSAVision), along with inertial navigation sensors is fused in an extended Kalman filter and used to determine AUV relative position and orientation to the surface vehicle The real time vision processing system is described and results are presented in operational scenario.

Marine Operations with the SWORDFISH Autonomous Surface Vehicle

IEEE Robótica 2007 - 7th Conference on Mobile Robots and Competitions, Paderne, Portugal 2007

Environmental modeling with precision navigation using ROAZ autonomous surface vehicle

The use of robotic vehicles for environmental modeling is discussed. This paper presents diverse results in autonomous marine missions with the ROAZ autonomous surface vehicle. The vehicle can perform autonomous missions while gathering marine data with high inertial and positioning precision. The underwater world is an, economical and environmental, asset that need new tools to study and preserve it. ROAZ is used in marine environment missions since it can sense and monitor the surface and underwater scenarios. Is equipped with a diverse set of sensors, cameras and underwater sonars that generate 3D environmental models. It is used for study the marine life and possible underwater wrecks that can pollute or be a danger to marine navigation. The 3D model and integration of multibeam and sidescan sonars represent a challenge in nowadays. Adding that it is important that robots can explore an area and make decisions based on their surroundings and goals. Regard that, autonomous robotic systems can relieve human beings of repetitive and dangerous tasks.

Neural control of an autonomous robot

This article aims to apply the concepts associated with artificial neural networks (ANN) in the control of an autonomous robot system that is intended to be used in competitions of robots. The robot was tested in several arbitrary paths in order to verify its effectiveness. The results show that the robot performed the tasks with success. Moreover, in the case of arbitrary paths the ANN control outperforms other methodologies, such as fuzzy logic control (FLC).

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.

Navegação de um robô autónomo semi-industrial usando diferentes técnicas sensoriais

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Construção de um robô trepador com locomoção através de rodas e adesão através de meios magnéticos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

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.

Um novo gerador central de padrões de locomoção para geração de trajectórias em tempo real de robôs quadrúpedes

Neste trabalho estuda-se a geração de trajectórias em tempo real de um robô quadrúpede. As trajectórias podem dividir-se em duas componentes: rítmica e discreta. A componente rítmica das trajectórias é modelada por uma rede de oito osciladores acoplados, com simetria 4 2 Z  Z . Cada oscilador é modelado matematicamente por um sistema de Equações Diferenciais Ordinárias. A referida rede foi proposta por Golubitsky, Stewart, Buono e Collins (1999, 2000), para gerar os passos locomotores de animais quadrúpedes. O trabalho constitui a primeira aplicação desta rede à geração de trajectórias de robôs quadrúpedes. A derivação deste modelo baseia-se na biologia, onde se crê que Geradores Centrais de Padrões de locomoção (CPGs), constituídos por redes neuronais, geram os ritmos associados aos passos locomotores dos animais. O modelo proposto gera soluções periódicas identificadas com os padrões locomotores quadrúpedes, como o andar, o saltar, o galopar, entre outros. A componente discreta das trajectórias dos robôs usa-se para ajustar a parte rítmica das trajectórias. Este tipo de abordagem é útil no controlo da locomoção em terrenos irregulares, em locomoção guiada (por exemplo, mover as pernas enquanto desempenha tarefas discretas para colocar as pernas em localizações específicas) e em percussão. Simulou-se numericamente o modelo de CPG usando o oscilador de Hopf para modelar a parte rítmica do movimento e um modelo inspirado no modelo VITE para modelar a parte discreta do movimento. Variou-se o parâmetro g e mediram-se a amplitude e a frequência das soluções periódicas identificadas com o passo locomotor quadrúpede Trot, para variação deste parâmetro. A parte discreta foi inserida na parte rítmica de duas formas distintas: (a) como um offset, (b) somada às equações que geram a parte rítmica. Os resultados obtidos para o caso (a), revelam que a amplitude e a frequência se mantêm constantes em função de g. Os resultados obtidos para o caso (b) revelam que a amplitude e a frequência aumentam até um determinado valor de g e depois diminuem à medida que o g aumenta, numa curva quase sinusoidal. A variação da amplitude das soluções periódicas traduz-se numa variação directamente proporcional na extensão do movimento do robô. A velocidade da locomoção do robô varia com a frequência das soluções periódicas, que são identificadas com passos locomotores quadrúpedes.