Differential epipolar constraint in mobile robot egomotion estimation

The estimation of camera egomotion is a well established problem in computer vision. Many approaches have been proposed based on both the discrete and the differential epipolar constraint. The discrete case is mainly used in self-calibrated stereoscopic systems, whereas the differential case deals with a unique moving camera. The article surveys several methods for mobile robot egomotion estimation covering more than 0.5 million samples using synthetic data. Results from real data are also given

Constraint satisfaction techniques under uncertain conditions for fault diagnosis in nonlinear dynamic systems

The speed of fault isolation is crucial for the design and reconfiguration of fault tolerant control (FTC). In this paper the fault isolation problem is stated as a constraint satisfaction problem (CSP) and solved using constraint propagation techniques. The proposed method is based on constraint satisfaction techniques and uncertainty space refining of interval parameters. In comparison with other approaches based on adaptive observers, the major advantage of the presented method is that the isolation speed is fast even taking into account uncertainty in parameters, measurements and model errors and without the monotonicity assumption. In order to illustrate the proposed approach, a case study of a nonlinear dynamic system is presented

Quantified real constraint solving using modal intervals with applications to control

Les restriccions reals quantificades (QRC) formen un formalisme matemàtic utilitzat per modelar un gran nombre de problemes físics dins els quals intervenen sistemes d'equacions no-lineals sobre variables reals, algunes de les quals podent ésser quantificades. Els QRCs apareixen en nombrosos contextos, com l'Enginyeria de Control o la Biologia. La resolució de QRCs és un domini de recerca molt actiu dins el qual es proposen dos enfocaments diferents: l'eliminació simbòlica de quantificadors i els mètodes aproximatius. Tot i això, la resolució de problemes de grans dimensions i del cas general, resten encara problemes oberts. Aquesta tesi proposa una nova metodologia aproximativa basada en l'Anàlisi Intervalar Modal, una teoria matemàtica que permet resoldre problemes en els quals intervenen quantificadors lògics sobre variables reals. Finalment, dues aplicacions a l'Enginyeria de Control són presentades. La primera fa referència al problema de detecció de fallades i la segona consisteix en un controlador per a un vaixell a vela.

Hardy-Weinberg Equilibrium and the Ternary Plot

The Hardy-Weinberg law, formulated about 100 years ago, states that under certain assumptions, the three genotypes AA, AB and BB at a bi-allelic locus are expected to occur in the proportions p2, 2pq, and q2 respectively, where p is the allele frequency of A, and q = 1-p. There are many statistical tests being used to check whether empirical marker data obeys the Hardy-Weinberg principle. Among these are the classical xi-square test (with or without continuity correction), the likelihood ratio test, Fisher's Exact test, and exact tests in combination with Monte Carlo and Markov Chain algorithms. Tests for Hardy-Weinberg equilibrium (HWE) are numerical in nature, requiring the computation of a test statistic and a p-value. There is however, ample space for the use of graphics in HWE tests, in particular for the ternary plot. Nowadays, many genetical studies are using genetical markers known as Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs). SNP data comes in the form of counts, but from the counts one typically computes genotype frequencies and allele frequencies. These frequencies satisfy the unit-sum constraint, and their analysis therefore falls within the realm of compositional data analysis (Aitchison, 1986). SNPs are usually bi-allelic, which implies that the genotype frequencies can be adequately represented in a ternary plot. Compositions that are in exact HWE describe a parabola in the ternary plot. Compositions for which HWE cannot be rejected in a statistical test are typically “close" to the parabola, whereas compositions that differ significantly from HWE are “far". By rewriting the statistics used to test for HWE in terms of heterozygote frequencies, acceptance regions for HWE can be obtained that can be depicted in the ternary plot. This way, compositions can be tested for HWE purely on the basis of their position in the ternary plot (Graffelman & Morales, 2008). This leads to nice graphical representations where large numbers of SNPs can be tested for HWE in a single graph. Several examples of graphical tests for HWE (implemented in R software), will be shown, using SNP data from different human populations

Coherent forecasting of multiple-decrement life tables: a test using Japanese cause of death data

Planners in public and private institutions would like coherent forecasts of the components of age-specic mortality, such as causes of death. This has been di cult to achieve because the relative values of the forecast components often fail to behave in a way that is coherent with historical experience. In addition, when the group forecasts are combined the result is often incompatible with an all-groups forecast. It has been shown that cause-specic mortality forecasts are pessimistic when compared with all-cause forecasts (Wilmoth, 1995). This paper abandons the conventional approach of using log mortality rates and forecasts the density of deaths in the life table. Since these values obey a unit sum constraint for both conventional single-decrement life tables (only one absorbing state) and multiple-decrement tables (more than one absorbing state), they are intrinsically relative rather than absolute values across decrements as well as ages. Using the methods of Compositional Data Analysis pioneered by Aitchison (1986), death densities are transformed into the real space so that the full range of multivariate statistics can be applied, then back-transformed to positive values so that the unit sum constraint is honoured. The structure of the best-known, single-decrement mortality-rate forecasting model, devised by Lee and Carter (1992), is expressed in compositional form and the results from the two models are compared. The compositional model is extended to a multiple-decrement form and used to forecast mortality by cause of death for Japan

Robust fault detection using consistency techniques for uncertainty handling

Often practical performance of analytical redundancy for fault detection and diagnosis is decreased by uncertainties prevailing not only in the system model, but also in the measurements. In this paper, the problem of fault detection is stated as a constraint satisfaction problem over continuous domains with a big number of variables and constraints. This problem can be solved using modal interval analysis and consistency techniques. Consistency techniques are then shown to be particularly efficient to check the consistency of the analytical redundancy relations (ARRs), dealing with uncertain measurements and parameters. Through the work presented in this paper, it can be observed that consistency techniques can be used to increase the performance of a robust fault detection tool, which is based on interval arithmetic. The proposed method is illustrated using a nonlinear dynamic model of a hydraulic system

Implementation of a robust coded structured light technique for dynamic 3D measurements

This paper presents the implementation details of a coded structured light system for rapid shape acquisition of unknown surfaces. Such techniques are based on the projection of patterns onto a measuring surface and grabbing images of every projection with a camera. Analyzing the pattern deformations that appear in the images, 3D information of the surface can be calculated. The implemented technique projects a unique pattern so that it can be used to measure moving surfaces. The structure of the pattern is a grid where the color of the slits are selected using a De Bruijn sequence. Moreover, since both axis of the pattern are coded, the cross points of the grid have two codewords (which permits to reconstruct them very precisely), while pixels belonging to horizontal and vertical slits have also a codeword. Different sets of colors are used for horizontal and vertical slits, so the resulting pattern is invariant to rotation. Therefore, the alignment constraint between camera and projector considered by a lot of authors is not necessary

SQualTrack: A Tool for Robust Fault Detection

One of the techniques used to detect faults in dynamic systems is analytical redundancy. An important difficulty in applying this technique to real systems is dealing with the uncertainties associated with the system itself and with the measurements. In this paper, this uncertainty is taken into account by the use of intervals for the parameters of the model and for the measurements. The method that is proposed in this paper checks the consistency between the system's behavior, obtained from the measurements, and the model's behavior; if they are inconsistent, then there is a fault. The problem of detecting faults is stated as a quantified real constraint satisfaction problem, which can be solved using the modal interval analysis (MIA). MIA is used because it provides powerful tools to extend the calculations over real functions to intervals. To improve the results of the detection of the faults, the simultaneous use of several sliding time windows is proposed. The result of implementing this method is semiqualitative tracking (SQualTrack), a fault-detection tool that is robust in the sense that it does not generate false alarms, i.e., if there are false alarms, they indicate either that the interval model does not represent the system adequately or that the interval measurements do not represent the true values of the variables adequately. SQualTrack is currently being used to detect faults in real processes. Some of these applications using real data have been developed within the European project advanced decision support system for chemical/petrochemical manufacturing processes and are also described in this paper

Fault diagnosis by refining the parameter uncertainty space of nonlinear dynamic systems

This paper deals with fault detection and isolation problems for nonlinear dynamic systems. Both problems are stated as constraint satisfaction problems (CSP) and solved using consistency techniques. The main contribution is the isolation method based on consistency techniques and uncertainty space refining of interval parameters. The major advantage of this method is that the isolation speed is fast even taking into account uncertainty in parameters, measurements, and model errors. Interval calculations bring independence from the assumption of monotony considered by several approaches for fault isolation which are based on observers. An application to a well known alcoholic fermentation process model is presented

Hisendes locals i turisme: tres assaigs

Aquesta tesi utilitza l'anàlisi econòmica per a estudiar les hisendes locals, especialment els aspectes relacionats amb la provisió i finançament dels béns i serveis públics locals. Les hisendes locals, tant a Catalunya com a la resta d'Espanya, pateixen diversos problemes. Dos són especialment rellevants per a aquesta tesi. El primer és la reduïda dimensió dels municipis, l'altre la seva insuficient dotació financera. A la tesi es tracten aquestes dues qüestions en cinc capítols. Primer s'introdueix la problemàtica, exposant-ne els antecedents, la situació actual i la metodologia per al seu anàlisi. A continuació s'aborda la relació entre la grandària dels municipis i la seva capacitat per a proveir béns i serveis públics. De manera recurrent es produeixen debats sobre els problemes que pateixen els municipis petits. El problema més evident d'aquests municipis és el dèficit de serveis públics. Es sol argumentar que els municipis petits pateixen aquests dèficits en la provisió de serveis públics a causa de la manca d'un nombre crític d'habitants. Normalment es presenta la consolidació municipal com a solució a aquest problema. En aquest treball analitzem les diferents vessants de la qüestió dels dèficits de serveis municipals. Es continua analitzant com influeix sobre el sector privat la incapacitat per part dels municipis de prestar la quantitat i/o qualitat correcta de béns i serveis públics. Sembla clar que l'atractiu d'un hotel per als seus clients depèn tant dels serveis que ofereix com de l'entorn en què es troba. Com s'ha dit sovint "un hotel de quatre estrelles necessita un entorn de quatre estrelles". Aquests atributs que configuren l'entorn són complementaris a l'oferta privada dels serveis hotelers i són essencials a l'hora de definir les opcions de comercialització, ja que sembla raonable que diferències en les dotacions de serveis públics, capital natural i imatge de la localitat generaran diferències en els preus d'hotels que altrament són idèntics. A la següent etapa s'estudia la situació financera a la qual s'enfronten els municipis a l'hora de proveir els béns i serveis públics, especialment en el cas de les localitats amb forta implantació de l'activitat turística. L'objectiu d'aquest estudi és doble. Primer, realitzar una anàlisi i un diagnòstic del finançament als municipis turístics i, segon, discutir diferents vies de millora. En una primera part s'exposa el marc que cal tenir en compte a l'hora de considerar les qüestions de provisió de serveis públics i els consegüents aspectes pressupostaris. Després es presenta un model estilitzat de provisió de béns públics i d'estructura pressupostària que explicita, amb la intenció de portar a terme l'anàlisi economètrica, les interrelacions rellevants entre provisió de serveis públics, ingressos fiscals i despeses. Tot seguit es presenten les dades que han de servir per a una anàlisi empírica que té dues vessants. Primer, estudiar si realment els municipis amb un fort pes de l'activitat turística presenten diferències en l'àmbit pressupostari i, segon, concretar quantificar en què consisteixen i de què depenen les diferències. El sisè apartat tracta la complementarietat entre béns i serveis públics des d'un marc normatiu, posant de manifest els aspectes que ha de tenir en compte un municipi turístic en les qüestions de provisió i finançament dels béns públics i que fan que tingui un comportament diferent d'un municipi no turístic. El penúltim apartat del treball inclou la discussió i l'avaluació d'algunes propostes correctores dels problemes detectats a l'anàlisi estadística i economètrica. El treball conclou amb un resum de les principals conclusions. La tesi conclou amb una discussió dels resultats obtinguts.

A proposal for the diagnosis of uncertain dynamic systems based on interval models

The performance of a model-based diagnosis system could be affected by several uncertainty sources, such as,model errors,uncertainty in measurements, and disturbances. This uncertainty can be handled by mean of interval models.The aim of this thesis is to propose a methodology for fault detection, isolation and identification based on interval models. The methodology includes some algorithms to obtain in an automatic way the symbolic expression of the residual generators enhancing the structural isolability of the faults, in order to design the fault detection tests. These algorithms are based on the structural model of the system. The stages of fault detection, isolation, and identification are stated as constraint satisfaction problems in continuous domains and solved by means of interval based consistency techniques. The qualitative fault isolation is enhanced by a reasoning in which the signs of the symptoms are derived from analytical redundancy relations or bond graph models of the system. An initial and empirical analysis regarding the differences between interval-based and statistical-based techniques is presented in this thesis. The performance and efficiency of the contributions are illustrated through several application examples, covering different levels of complexity.

Computationally reliable approaches of contractive MPC for discrete-time systems

La tesis pretende explorar acercamientos computacionalmente confiables y eficientes de contractivo MPC para sistemas de tiempo discreto. Dos tipos de contractivo MPC han sido estudiados: MPC con coacción contractiva obligatoria y MPC con una secuencia contractiva de conjuntos controlables. Las técnicas basadas en optimización convexa y análisis de intervalos son aplicadas para tratar MPC contractivo lineal y no lineal, respectivamente. El análisis de intervalos clásicos es ampliado a zonotopes en la geometría para diseñar un conjunto invariante de control terminal para el modo dual de MPC. También es ampliado a intervalos modales para tener en cuenta la modalidad al calcula de conjuntos controlables robustos con una interpretación semántica clara. Los instrumentos de optimización convexa y análisis de intervalos han sido combinados para mejorar la eficacia de contractive MPC para varias clases de sistemas de tiempo discreto inciertos no lineales limitados. Finalmente, los dos tipos dirigidos de contractivo MPC han sido aplicados para controlar un Torneo de Fútbol de Copa Mundial de Micro Robot (MiroSot) y un Tanque-Reactor de Mezcla Continua (CSTR), respectivamente.

Modelling stereoscopic vision systems for robotic applications

Aquesta tesi s'emmarca dins del projecte CICYT TAP 1999-0443-C05-01. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny, implementació i avaluació de robots mòbils, amb un sistema de control distribuït, sistemes de sensorització i xarxa de comunicacions per realitzar tasques de vigilància. Els robots han de poder-se moure per un entorn reconeixent la posició i orientació dels diferents objectes que l'envolten. Aquesta informació ha de permetre al robot localitzar-se dins de l'entorn on es troba per poder-se moure evitant els possibles obstacles i dur a terme la tasca encomanada. El robot ha de generar un mapa dinàmic de l'entorn que serà utilitzat per localitzar la seva posició. L'objectiu principal d'aquest projecte és aconseguir que un robot explori i construeixi un mapa de l'entorn sense la necessitat de modificar el propi entorn. Aquesta tesi està enfocada en l'estudi de la geometria dels sistemes de visió estereoscòpics formats per dues càmeres amb l'objectiu d'obtenir informació geomètrica 3D de l'entorn d'un vehicle. Aquest objectiu tracta de l'estudi del modelatge i la calibració de càmeres i en la comprensió de la geometria epipolar. Aquesta geometria està continguda en el que s'anomena emph{matriu fonamental}. Cal realitzar un estudi del càlcul de la matriu fonamental d'un sistema estereoscòpic amb la finalitat de reduir el problema de la correspondència entre dos plans imatge. Un altre objectiu és estudiar els mètodes d'estimació del moviment basats en la geometria epipolar diferencial per tal de percebre el moviment del robot i obtenir-ne la posició. Els estudis de la geometria que envolta els sistemes de visió estereoscòpics ens permeten presentar un sistema de visió per computador muntat en un robot mòbil que navega en un entorn desconegut. El sistema fa que el robot sigui capaç de generar un mapa dinàmic de l'entorn a mesura que es desplaça i determinar quin ha estat el moviment del robot per tal de emph{localitzar-se} dins del mapa. La tesi presenta un estudi comparatiu dels mètodes de calibració de càmeres més utilitzats en les últimes dècades. Aquestes tècniques cobreixen un gran ventall dels mètodes de calibració clàssics. Aquest mètodes permeten estimar els paràmetres de la càmera a partir d'un conjunt de punts 3D i de les seves corresponents projeccions 2D en una imatge. Per tant, aquest estudi descriu un total de cinc tècniques de calibració diferents que inclouen la calibració implicita respecte l'explicita i calibració lineal respecte no lineal. Cal remarcar que s'ha fet un gran esforç en utilitzar la mateixa nomenclatura i s'ha estandaritzat la notació en totes les tècniques presentades. Aquesta és una de les dificultats principals a l'hora de poder comparar les tècniques de calibració ja què cada autor defineix diferents sistemes de coordenades i diferents conjunts de paràmetres. El lector és introduït a la calibració de càmeres amb la tècnica lineal i implícita proposada per Hall i amb la tècnica lineal i explicita proposada per Faugeras-Toscani. A continuació es passa a descriure el mètode a de Faugeras incloent el modelatge de la distorsió de les lents de forma radial. Seguidament es descriu el conegut mètode proposat per Tsai, i finalment es realitza una descripció detallada del mètode de calibració proposat per Weng. Tots els mètodes són comparats tant des del punt de vista de model de càmera utilitzat com de la precisió de la calibració. S'han implementat tots aquests mètodes i s'ha analitzat la precisió presentant resultats obtinguts tant utilitzant dades sintètiques com càmeres reals. Calibrant cada una de les càmeres del sistema estereoscòpic es poden establir un conjunt de restriccions geomètri ques entre les dues imatges. Aquestes relacions són el que s'anomena geometria epipolar i estan contingudes en la matriu fonamental. Coneixent la geometria epipolar es pot: simplificar el problema de la correspondència reduint l'espai de cerca a llarg d'una línia epipolar; estimar el moviment d'una càmera quan aquesta està muntada sobre un robot mòbil per realitzar tasques de seguiment o de navegació; reconstruir una escena per aplicacions d'inspecció, propotipatge o generació de motlles. La matriu fonamental s'estima a partir d'un conjunt de punts en una imatges i les seves correspondències en una segona imatge. La tesi presenta un estat de l'art de les tècniques d'estimació de la matriu fonamental. Comença pels mètode lineals com el dels set punts o el mètode dels vuit punts, passa pels mètodes iteratius com el mètode basat en el gradient o el CFNS, fins arribar las mètodes robustos com el M-Estimators, el LMedS o el RANSAC. En aquest treball es descriuen fins a 15 mètodes amb 19 implementacions diferents. Aquestes tècniques són comparades tant des del punt de vista algorísmic com des del punt de vista de la precisió que obtenen. Es presenten el resultats obtinguts tant amb imatges reals com amb imatges sintètiques amb diferents nivells de soroll i amb diferent quantitat de falses correspondències. Tradicionalment, l'estimació del moviment d'una càmera està basada en l'aplicació de la geometria epipolar entre cada dues imatges consecutives. No obstant el cas tradicional de la geometria epipolar té algunes limitacions en el cas d'una càmera situada en un robot mòbil. Les diferencies entre dues imatges consecutives són molt petites cosa que provoca inexactituds en el càlcul de matriu fonamental. A més cal resoldre el problema de la correspondència, aquest procés és molt costós en quant a temps de computació i no és gaire efectiu per aplicacions de temps real. En aquestes circumstàncies les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera solen basar-se en el flux òptic i en la geometria epipolar diferencial. En la tesi es realitza un recull de totes aquestes tècniques degudament classificades. Aquests mètodes són descrits unificant la notació emprada i es remarquen les semblances i les diferencies entre el cas discret i el cas diferencial de la geometria epipolar. Per tal de poder aplicar aquests mètodes a l'estimació de moviment d'un robot mòbil, aquest mètodes generals que estimen el moviment d'una càmera amb sis graus de llibertat, han estat adaptats al cas d'un robot mòbil que es desplaça en una superfície plana. Es presenten els resultats obtinguts tant amb el mètodes generals de sis graus de llibertat com amb els adaptats a un robot mòbil utilitzant dades sintètiques i seqüències d'imatges reals. Aquest tesi finalitza amb una proposta de sistema de localització i de construcció d'un mapa fent servir un sistema estereoscòpic situat en un robot mòbil. Diverses aplicacions de robòtica mòbil requereixen d'un sistema de localització amb l'objectiu de facilitar la navegació del vehicle i l'execució del les trajectòries planificades. La localització es sempre relativa al mapa de l'entorn on el robot s'està movent. La construcció de mapes en un entorn desconegut és una tasca important a realitzar per les futures generacions de robots mòbils. El sistema que es presenta realitza la localització i construeix el mapa de l'entorn de forma simultània. A la tesi es descriu el robot mòbil GRILL, que ha estat la plataforma de treball emprada per aquesta aplicació, amb el sistema de visió estereoscòpic que s'ha dissenyat i s'ha muntat en el robot. També es descriu tots el processos que intervenen en el sistema de localització i construcció del mapa. La implementació d'aquest processos ha estat possible gràcies als estudis realitzats i presentats prèviament (calibració de càmeres, estimació de la matriu fonamental, i estimació del moviment) sense els quals no s'hauria pogut plantejar aquest sistema. Finalment es presenten els mapes en diverses trajectòries realitzades pel robot GRILL en el laboratori. Les principals contribucions d'aquest treball són: ·Un estat de l'art sobre mètodes de calibració de càmeres. El mètodes són comparats tan des del punt de vista del model de càmera utilitzat com de la precisió dels mètodes. ·Un estudi dels mètodes d'estimació de la matriu fonamental. Totes les tècniques estudiades són classificades i descrites des d'un punt de vista algorísmic. ·Un recull de les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera centrat en el mètodes basat en la geometria epipolar diferencial. Aquestes tècniques han estat adaptades per tal d'estimar el moviment d'un robot mòbil. ·Una aplicació de robòtica mòbil per tal de construir un mapa dinàmic de l'entorn i localitzar-se per mitja d'un sistema estereoscòpic. L'aplicació presentada es descriu tant des del punt de vista del maquinari com del programari que s'ha dissenyat i implementat.