Sistema de visão para percepção e navegação de um UAV Quadrotor

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Probability and statistics: selected problems

Probability and Statistics—Selected Problems is a unique book for senior undergraduate and graduate students to fast review basic materials in Probability and Statistics. Descriptive statistics are presented first, and probability is reviewed secondly. Discrete and continuous distributions are presented. Sample and estimation with hypothesis testing are presented in the last two chapters. The solutions for proposed excises are listed for readers to references.

6D Visual Odometry with Dense Probabilistic Egomotion Estimation

Proceedings of the International Conference on Computer Vision Theory and Applications, 361-365, 2013, Barcelona, Spain

Towards an efficient and robust foot classification from pedobarographic images

O documento em anexo encontra-se na versão post-print (versão corrigida pelo editor).

Sistema de localização de um veículo autónomo terrestre

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores.

Rede de monitorização ambiental em tempo- real com sistemas móveis

A compreensão das interacções entre os oceanos, a linha de costa, a qualidade do ar e as florestas só será possível através do registo e análise de informação geo-temporalmente referenciada. Mas a monitorização de grandes áreas apresenta o problema da cobertura espacial e temporal, e os custos nela envolvidos pela impossibilidade de disseminar a quantidade de estações de monitorização necessários à compreensão do fenómeno. É necessário então definir metodologias de colocação de sensores e recolha de informação de forma robusta, económica e temporalmente útil. Nesta dissertação apresentamos uma estratégia de monitorização ambiental, para meios hídricos, (ou de grande dimensão) que baseada em sistemas móveis e alguns princípios da geoestatística, fornece uma ferramenta de monitorização mais económica, sem prejuízo da qualidade de informação. Os modelos usados na geoestatística assentam na ideia de que medidas mais próximas tendem a serem mais parecidas do que valores observados em locais distantes e fornece métodos para quantificar esta correlação espacial e incorporá-la na estimação. Os resultados obtidos sustentam a convicção do uso de veículos móveis em redes de sensores e que contribuímos para responder à seguinte questão “Qual a técnica que nos permite com poucos sensores monitorizar grandes áreas?”. A solução passará por modelos de estimação de grandezas utilizados na geoestatística associados a sistemas móveis.

Estimation of pollutant partition in sandy soils with different water contents

The objectives of this work were: (1) to identify an isotherm model to relate the contaminant contents in the gas phase with those in the solid and non-aqueous liquid phases; (2) to develop a methodology for the estimation of the contaminant distribution in the different phases of the soil; and (3) to evaluate the influence of soil water content on the contaminant distribution in soil. For sandy soils with negligible contents of clay and natural organic matter, contaminated with benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, trichloroethylene (TCE), and perchloroethylene (PCE), it was concluded that: (1) Freundlich’s model showed to be adequate to relate the contaminant contents in the gas phase with those in the solid and non-aqueous liquid phases; (2) the distribution of the contaminants in the different phases present in the soil could be estimated with differences lower than 10% for 83% of the cases; and (3) an increase of the soil water content led to a decrease of the amount of contaminant in the solid and non-aqueous liquid phases, increasing the amount in the other phases.

On the development of an automatic voice pleasantness classification and intensity estimation system

In the last few years, the number of systems and devices that use voice based interaction has grown significantly. For a continued use of these systems, the interface must be reliable and pleasant in order to provide an optimal user experience. However there are currently very few studies that try to evaluate how pleasant is a voice from a perceptual point of view when the final application is a speech based interface. In this paper we present an objective definition for voice pleasantness based on the composition of a representative feature subset and a new automatic voice pleasantness classification and intensity estimation system. Our study is based on a database composed by European Portuguese female voices but the methodology can be extended to male voices or to other languages. In the objective performance evaluation the system achieved a 9.1% error rate for voice pleasantness classification and a 15.7% error rate for voice pleasantness intensity estimation.

RadiaLE: A framework for designing and assessing link quality estimators in wireless sensor networks

Stringent cost and energy constraints impose the use of low-cost and low-power radio transceivers in large-scale wireless sensor networks (WSNs). This fact, together with the harsh characteristics of the physical environment, requires a rigorous WSN design. Mechanisms for WSN deployment and topology control, MAC and routing, resource and mobility management, greatly depend on reliable link quality estimators (LQEs). This paper describes the RadiaLE framework, which enables the experimental assessment, design and optimization of LQEs. RadiaLE comprises (i) the hardware components of the WSN testbed and (ii) a software tool for setting-up and controlling the experiments, automating link measurements gathering through packets-statistics collection, and analyzing the collected data, allowing for LQEs evaluation. We also propose a methodology that allows (i) to properly set different types of links and different types of traffic, (ii) to collect rich link measurements, and (iii) to validate LQEs using a holistic and unified approach. To demonstrate the validity and usefulness of RadiaLE, we present two case studies: the characterization of low-power links and a comparison between six representative LQEs. We also extend the second study for evaluating the accuracy of the TOSSIM 2 channel model.

Radio link quality estimation in wireless sensor networks: a survey

Radio link quality estimation in Wireless Sensor Networks (WSNs) has a fundamental impact on the network performance and also affects the design of higher-layer protocols. Therefore, for about a decade, it has been attracting a vast array of research works. Reported works on link quality estimation are typically based on different assumptions, consider different scenarios, and provide radically different (and sometimes contradictory) results. This article provides a comprehensive survey on related literature, covering the characteristics of low-power links, the fundamental concepts of link quality estimation in WSNs, a taxonomy of existing link quality estimators, and their performance analysis. To the best of our knowledge, this is the first survey tackling in detail link quality estimation in WSNs. We believe our efforts will serve as a reference to orient researchers and system designers in this area.

An approach for reliability-based robust design optimisation of angle-ply composites

Variations of manufacturing process parameters and environmental aspects may affect the quality and performance of composite materials, which consequently affects their structural behaviour. Reliability-based design optimisation (RBDO) and robust design optimisation (RDO) searches for safe structural systems with minimal variability of response when subjected to uncertainties in material design parameters. An approach that simultaneously considers reliability and robustness is proposed in this paper. Depending on a given reliability index imposed on composite structures, a trade-off is established between the performance targets and robustness. Robustness is expressed in terms of the coefficient of variation of the constrained structural response weighted by its nominal value. The Pareto normed front is built and the nearest point to the origin is estimated as the best solution of the bi-objective optimisation problem.

Online robust optimization framework for QoS guarantees in distributed soft real-time systems

In distributed soft real-time systems, maximizing the aggregate quality-of-service (QoS) is a typical system-wide goal, and addressing the problem through distributed optimization is challenging. Subtasks are subject to unpredictable failures in many practical environments, and this makes the problem much harder. In this paper, we present a robust optimization framework for maximizing the aggregate QoS in the presence of random failures. We introduce the notion of K-failure to bound the effect of random failures on schedulability. Using this notion we define the concept of K-robustness that quantifies the degree of robustness on QoS guarantee in a probabilistic sense. The parameter K helps to tradeoff achievable QoS versus robustness. The proposed robust framework produces optimal solutions through distributed computations on the basis of Lagrangian duality, and we present some implementation techniques. Our simulation results show that the proposed framework can probabilistically guarantee sub-optimal QoS which remains feasible even in the presence of random failures.

Application of robust fixed point transformations for technological operation of robots

A robot’s drive has to exert appropriate driving forces that can keep its arm and end effector at the proper position, velocity and acceleration, and simultaneously has to compensate for the effects of the contact forces arising between the tool and the workpiece depending on the needs of the actual technological operation. Balancing the effects of a priori unknown external disturbance forces and the inaccuracies of the available dynamic model of the robot is also important. Technological tasks requiring well prescribed end effector trajectories and contact forces simultaneously are challenging control problems that can be tackled in various manners.

Pose Estimation using a C-Arm Fluoroscope

Os métodos clínicos que são realizados com recurso a tecnologias de imagiologia têm registado um aumento de popularidade nas últimas duas décadas. Os procedimentos tradicionais usados em cirurgia têm sido substituídos por métodos minimamente invasivos de forma a conseguir diminuir os custos associados e aperfeiçoar factores relacionados com a produtividade. Procedimentos clínicos modernos como a broncoscopia e a cardiologia são caracterizados por se focarem na minimização de acções invasivas, com os arcos em ‘C’ a adoptarem um papel relevante nesta área. Apesar de o arco em ‘C’ ser uma tecnologia amplamente utilizada no auxílio da navegação em intervenções minimamente invasivas, este falha na qualidade da informação fornecida ao cirurgião. A informação obtida em duas dimensões não é suficiente para proporcionar uma compreensão total da localização tridimensional da região de interesse, revelando-se como uma tarefa essencial o estabelecimento de um método que permita a aquisição de informação tridimensional. O primeiro passo para alcançar este objectivo foi dado ao definir um método que permite a estimativa da posição e orientação de um objecto em relação ao arco em ‘C’. De forma a realizar os testes com o arco em ‘C’, a geometria deste teve que ser inicialmente definida e a calibração do sistema feita. O trabalho desenvolvido e apresentado nesta tese foca-se num método que provou ser suficientemente sustentável e eficiente para se estabelecer como um ponto de partida no caminho para alcançar o objectivo principal: o desenvolvimento de uma técnica que permita o aperfeiçoamento da qualidade da informação adquirida com o arco em ‘C’ durante uma intervenção clínica.

Aplicação de métodos estocásticos na gestão de custos de construção de condutas de saneamento

O trabalho apresentado centra-se na determinação dos custos de construção de condutas de pequenos e médios diâmetros em Polietileno de Alta Densidade (PEAD) para saneamento básico, tendo como base a metodologia descrita no livro Custos de Construção e Exploração – Volume 9 da série Gestão de Sistemas de Saneamento Básico, de Lencastre et al. (1994). Esta metodologia descrita no livro já referenciado, nos procedimentos de gestão de obra, e para tal foram estimados custos unitários de diversos conjuntos de trabalhos. Conforme Lencastre et al (1994), “esses conjuntos são referentes a movimentos de terras, tubagens, acessórios e respetivos órgãos de manobra, pavimentações e estaleiro, estando englobado na parte do estaleiro trabalhos acessórios correspondentes à obra.” Os custos foram obtidos analisando vários orçamentos de obras de saneamento, resultantes de concursos públicos de empreitadas recentemente realizados. Com vista a tornar a utilização desta metodologia numa ferramenta eficaz, foram organizadas folhas de cálculo que possibilitam obter estimativas realistas dos custos de execução de determinada obra em fases anteriores ao desenvolvimento do projeto, designadamente numa fase de preparação do plano diretor de um sistema ou numa fase de elaboração de estudos de viabilidade económico-financeiros, isto é, mesmo antes de existir qualquer pré-dimensionamento dos elementos do sistema. Outra técnica implementada para avaliar os dados de entrada foi a “Análise Robusta de Dados”, Pestana (1992). Esta metodologia permitiu analisar os dados mais detalhadamente antes de se formularem hipóteses para desenvolverem a análise de risco. A ideia principal é o exame bastante flexível dos dados, frequentemente antes mesmo de os comparar a um modelo probabilístico. Assim, e para um largo conjunto de dados, esta técnica possibilitou analisar a disparidade dos valores encontrados para os diversos trabalhos referenciados anteriormente. Com os dados recolhidos, e após o seu tratamento, passou-se à aplicação de uma metodologia de Análise de Risco, através da Simulação de Monte Carlo. Esta análise de risco é feita com recurso a uma ferramenta informática da Palisade, o @Risk, disponível no Departamento de Engenharia Civil. Esta técnica de análise quantitativa de risco permite traduzir a incerteza dos dados de entrada, representada através de distribuições probabilísticas que o software disponibiliza. Assim, para por em prática esta metodologia, recorreu-se às folhas de cálculo que foram realizadas seguindo a abordagem proposta em Lencastre et al (1994). A elaboração e a análise dessas estimativas poderão conduzir à tomada de decisões sobre a viabilidade da ou das obras a realizar, nomeadamente no que diz respeito aos aspetos económicos, permitindo uma análise de decisão fundamentada quanto à realização dos investimentos.