Combining sparse and dense methods in 6D Visual Odometry

13th International Conference on Autonomous Robot Systems (Robotica), 2013, Lisboa

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.

Agrupamento de dados visual interactivo

Com a crescente geração, armazenamento e disseminação da informação nos últimos anos, o anterior problema de falta de informação transformou-se num problema de extracção do conhecimento útil a partir da informação disponível. As representações visuais da informação abstracta têm sido utilizadas para auxiliar a interpretação os dados e para revelar padrões de outra forma escondidos. A visualização de informação procura aumentar a cognição humana aproveitando as capacidades visuais humanas, de forma a tornar perceptível a informação abstracta, fornecendo os meios necessários para que um humano possa absorver quantidades crescentes de informação, com as suas capacidades de percepção. O objectivo das técnicas de agrupamento de dados consiste na divisão de um conjunto de dados em vários grupos, em que dados semelhantes são colocados no mesmo grupo e dados dissemelhantes em grupos diferentes. Mais especificamente, o agrupamento de dados com restrições tem o intuito de incorporar conhecimento a priori no processo de agrupamento de dados, com o objectivo de aumentar a qualidade do agrupamento de dados e, simultaneamente, encontrar soluções apropriadas a tarefas e interesses específicos. Nesta dissertação é estudado a abordagem de Agrupamento de Dados Visual Interactivo que permite ao utilizador, através da interacção com uma representação visual da informação, incorporar o seu conhecimento prévio acerca do domínio de dados, de forma a influenciar o agrupamento resultante para satisfazer os seus objectivos. Esta abordagem combina e estende técnicas de visualização interactiva de informação, desenho de grafos de forças direccionadas e agrupamento de dados com restrições. Com o propósito de avaliar o desempenho de diferentes estratégias de interacção com o utilizador, são efectuados estudos comparativos utilizando conjuntos de dados sintéticos e reais.

Effects of emotional valence and three-dimensionality of visual stimuli on brain activation: an fMRI study

BACKGROUND: Examining changes in brain activation linked with emotion-inducing stimuli is essential to the study of emotions. Due to the ecological potential of techniques such as virtual reality (VR), inspection of whether brain activation in response to emotional stimuli can be modulated by the three-dimensional (3D) properties of the images is important. OBJECTIVE: The current study sought to test whether the activation of brain areas involved in the emotional processing of scenarios of different valences can be modulated by 3D. Therefore, the focus was made on the interaction effect between emotion-inducing stimuli of different emotional valences (pleasant, unpleasant and neutral valences) and visualization types (2D, 3D). However, main effects were also analyzed.METHODS: The effect of emotional valence and visualization types and their interaction were analyzed through a 3x2 repeated measures ANOVA. Post-hoc t-tests were performed under a ROI-analysis approach. RESULTS: The results show increased brain activation for the 3D affective-inducing stimuli in comparison with the same stimuli in 2D scenarios, mostly in cortical and subcortical regions that are related to emotional processing, in addition to visual processing regions. CONCLUSIONS: This study has the potential of clarify brain mechanisms involved in the processing of emotional stimuli (scenarios’ valence) and their interaction with three-dimensionality.

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.

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.

Probabilistic Egomotion for Stereo Visual Odometry

We present a novel approach of Stereo Visual Odometry for vehicles equipped with calibrated stereo cameras. We combine a dense probabilistic 5D egomotion estimation method with a sparse keypoint based stereo approach to provide high quality estimates of vehicle’s angular and linear velocities. To validate our approach, we perform two sets of experiments with a well known benchmarking dataset. First, we assess the quality of the raw velocity estimates in comparison to classical pose estimation algorithms. Second, we added to our method’s instantaneous velocity estimates a Kalman Filter and compare its performance with a well known open source stereo Visual Odometry library. The presented results compare favorably with state-of-the-art approaches, mainly in the estimation of the angular velocities, where significant improvements are achieved.

Participação ocupacional do idoso com deficiência visual: sua percepção

O estudo apresentado visava responder às necessidades emergentes de justificação da intervenção da Terapia Ocupacional na população idosa com deficiência visual. Teve como objectivo explorar as perspectivas dos idosos com deficiência visual na experiência que têm da sua participação ocupacional. Paralelamente a este objectivo procurou-se, também, conhecer as atitudes e comportamentos em relação ao apoio da Terapia Ocupacional. Para estudar estas questões utilizou-se uma metodologia qualitativa, a fenomenologia, que permitiu descrever fielmente a experiência que se pretendia conhecer. A recolha de dados foi feita através de duas sessões de focus groups distintas, onde num dos grupos participaram idosos com deficiência visual que tiveram apoio de Terapia Ocupacional e no outro idosos com deficiência visual que não usufruíram deste apoio. Após a análise do conteúdo resultante dos focus groups emergiram os seguintes temas: impacto da deficiência visual, onde foram englobadas as categorias de implicações psicossociais da deficiência visual e restrições nas actividades e ocupações do idoso com deficiência visual; o segundo tema onde se incluíram as categorias de apoio e atitudes sociais, instituições e recursos acessíveis e estratégias utilizadas; por fim o tema dos benefícios percebidos, do qual fazem parte as categorias, benefícios psicológicos e participação. Estes temas permitiram perceber as perspectivas de participação ocupacional do idoso, após o aparecimento da deficiência visual, bem como conhecer as melhorias ao nível dessa participação após intervenção especializada, destacando-se a relevância da intervenção do terapeuta ocupacional na população idosa com deficiência visual.

Typical load profiles in the smart grid context – a clustering methods comparison

The present research paper presents five different clustering methods to identify typical load profiles of medium voltage (MV) electricity consumers. These methods are intended to be used in a smart grid environment to extract useful knowledge about customer’s behaviour. The obtained knowledge can be used to support a decision tool, not only for utilities but also for consumers. Load profiles can be used by the utilities to identify the aspects that cause system load peaks and enable the development of specific contracts with their customers. The framework presented throughout the paper consists in several steps, namely the pre-processing data phase, clustering algorithms application and the evaluation of the quality of the partition, which is supported by cluster validity indices. The process ends with the analysis of the discovered knowledge. To validate the proposed framework, a case study with a real database of 208 MV consumers is used.

Technical and economic resources management in smart grids using heuristic optimization methods

Intensive use of Distributed Generation (DG) represents a change in the paradigm of power systems operation making small-scale energy generation and storage decision making relevant for the whole system. This paradigm led to the concept of smart grid for which an efficient management, both in technical and economic terms, should be assured. This paper presents a new approach to solve the economic dispatch in smart grids. The proposed methodology for resource management involves two stages. The first one considers fuzzy set theory to define the natural resources range forecast as well as the load forecast. The second stage uses heuristic optimization to determine the economic dispatch considering the generation forecast, storage management and demand response

Electricity markets: transmission prices methods

In the context of electricity markets, transmission pricing is an important tool to achieve an efficient operation of the electricity system. The electricity market is influenced by several factors; however the transmission network management is one of the most important aspects, because the network is a natural monopoly. The transmission tariffs can help to regulate the market, for this reason transmission tariffs must follow strict criteria. This paper presents the following methods to tariff the use of transmission networks by electricity market players: Post-Stamp Method; MW-Mile Method Distribution Factors Methods; Tracing Methodology; Bialek’s Tracing Method and Locational Marginal Price. A nine bus transmission network is used to illustrate the application of the tariff methods.

Comparison between deterministic and meta-heuristic methods applied to ancillary services dispatch

This paper proposes two meta-heuristics (Genetic Algorithm and Evolutionary Particle Swarm Optimization) for solving a 15 bid-based case of Ancillary Services Dispatch in an Electricity Market. A Linear Programming approach is also included for comparison purposes. A test case based on the dispatch of Regulation Down, Regulation Up, Spinning Reserve and Non-Spinning Reserve services is used to demonstrate that the use of meta-heuristics is suitable for solving this kind of optimization problem. Faster execution times and lower computational resources requirements are the most relevant advantages of the used meta-heuristics when compared with the Linear Programming approach.

Ancillary services market clearing simulation: a comparison between deterministic and heuristic methods

Electricity market players operating in a liberalized environment requires access to an adequate decision support tool, allowing them to consider all the business opportunities and take strategic decisions. Ancillary services represent a good negotiation opportunity that must be considered by market players. For this, decision support tool must include ancillary market simulation. This paper proposes two different methods (Linear Programming and Genetic Algorithm approaches) for ancillary services dispatch. The methodologies are implemented in MASCEM, a multi-agent based electricity market simulator. A test case based on California Independent System Operator (CAISO) data concerning the dispatch of Regulation Down, Regulation Up, Spinning Reserve and Non-Spinning Reserve services is included in this paper.

Online versus postal questionnaires: a comparison between two data collection methods

Objectives : The purpose of this article is to find out differences between surveys using paper and online questionnaires. The author has deep knowledge in the case of questions concerning opinions in the development of survey based research, e.g. the limits of postal and online questionnaires. Methods : In the physician studies carried out in 1995 (doctors graduated in 1982-1991), 2000 (doctors graduated in 1982-1996), 2005 (doctors graduated in 1982-2001), 2011 (doctors graduated in 1977-2006) and 457 family doctors in 2000, were used paper and online questionnaires. The response rates were 64%, 68%, 64%, 49% and 73%, respectively. Results : The results of the physician studies showed that there were differences between methods. These differences were connected with using paper-based questionnaire and online questionnaire and response rate. The online-based survey gave a lower response rate than the postal survey. The major advantages of online survey were short response time; very low financial resource needs and data were directly loaded in the data analysis software, thus saved time and resources associated with the data entry process. Conclusions : The current article helps researchers with planning the study design and choosing of the right data collection method.