Learning with tangible interfaces

Trabalho apresentado no âmbito do Mestrado em Engenharia Informática, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática

WeSenseNET - Plataforma de Visualização, Gestão Remota e Agregação Múltipla de Dados

Nos últimos anos, o avanço da tecnologia e a miniaturização de diversos componentes de electrónica associados a novos conceitos têm permitido nascer novas ideias e projectos, que até há alguns anos não passariam de ficção científica. Talvez o exemplo mais acabado seja actualmente o smartphone, um pequeno bloco de hardware e software, com capacidade de processamento que ultrapassa várias vezes o dos computadores com uma dúzia de anos. Estas capacidades têm sido utilizadas em comunicações, blocos de notas, agendas e até entretenimento. No entanto, podem ser reutilizadas para ajudar a resolver algumas limitações/constrangimentos da actualidade. Dentro destes destacam-se a gestão de recursos escassos. Com efeito, o consumo de energia eléctrica tem aumentado como consequência directa do desenvolvimento global e aumento do número de aparelhos eléctricos. Uma percentagem significativa de energia eléctrica tem sido produzida através de recursos não-renováveis de energia. No entanto, a dependência energética, associada à subida de preços e a redução das emissões de gases do efeito estufa, estimula o desenvolvimento de novas soluções que permitam lidar com esta situação. O desempenho energético por sua vez depende não só das características da estrutura, mas também do comportamento do utilizador. O desempenho energético dos edifícios é muito importante, uma vez que os respectivos consumos são responsáveis por mais de metade do total da energia produzida. Desta forma, a fim de alcançar um melhor desempenho é importante não só considerar o desempenho de estrutura, mas também monitorizar o comportamento do utilizador. Esta última questão coloca várias limitações, uma vez que depende muito do tipo de utilizador. Um dos conceitos actuais emergentes são as chamadas redes de sensores sem fio. Com esta tecnologia, pequenos módulos podem ser desenvolvidos com muitas possibilidades de conectividade, com elevado poder de processamento e com grande autonomia, sem serem excessivamente caros. Isto proporciona os meios para implementar vários dispositivos em toda a instalação, para recolher uma variedade de dados, sendo posteriormente armazenados num servidor. Os blocos fundamentais da infra-estrutura de sensores do projecto foram concebidos na Evoleo Technologies em simultâneo com o decorrer do estágio. Estes blocos recolhem dados específicos na instalação, e periodicamente enviam para o servidor central os valores recolhidos, onde são armazenados e colocados à disposição do utilizador. Os dados recolhidos podem então ser apresentados ao utilizador, proporcionando um registo de consumo de energia associado a um dado período de tempo. Uma vez que todos os dados são armazenados no servidor, podem ser efectuados estudos para determinar o uso típico, possíveis problemas em aparelhos, a qualidade da energia eléctrica, etc., permitindo determinar onde a energia está a ser eventualmente desperdiçada e fornecendo dados ao utilizador para que este possa proceder a alterações, tendo por base dados recolhidos num dado período. O objectivo principal deste trabalho passa por estabelecer a ligação entre o nível máquina e o nível de utilizador, isto é, uma plataforma de interacção entre dispositivos e administrador da instalação. Fornecer os dados de uma forma fácil e sem necessidade de instalação de software específico em cada dispositivo que se pretenda utilizar para monitorizar foi uma das principais preocupações das fases de concepção do projecto.

Interface caligráfica de escrita no ar

Na atualidade, está a emergir um novo paradigma de interação, designado por Natural User Interface (NUI) para reconhecimento de gestos produzidos com o corpo do utilizador. O dispositivo de interação Microsoft Kinect foi inicialmente concebido para controlo de videojogos, para a consola Xbox360. Este dispositivo demonstra ser uma aposta viável para explorar outras áreas, como a do apoio ao processo de ensino e de aprendizagem para crianças do ensino básico. O protótipo desenvolvido visa definir um modo de interação baseado no desenho de letras no ar, e realizar a interpretação dos símbolos desenhados, usando os reconhecedores de padrões Kernel Discriminant Analysis (KDA), Support Vector Machines (SVM) e $N. O desenvolvimento deste projeto baseou-se no estudo dos diferentes dispositivos NUI disponíveis no mercado, bibliotecas de desenvolvimento NUI para este tipo de dispositivos e algoritmos de reconhecimento de padrões. Com base nos dois elementos iniciais, foi possível obter uma visão mais concreta de qual o hardware e software disponíveis indicados à persecução do objetivo pretendido. O reconhecimento de padrões constitui um tema bastante extenso e complexo, de modo que foi necessária a seleção de um conjunto limitado deste tipo de algoritmos, realizando os respetivos testes por forma a determinar qual o que melhor se adequava ao objetivo pretendido. Aplicando as mesmas condições aos três algoritmos de reconhecimento de padrões permitiu avaliar as suas capacidades e determinar o $N como o que apresentou maior eficácia no reconhecimento. Por último, tentou-se averiguar a viabilidade do protótipo desenvolvido, tendo sido testado num universo de elementos de duas faixas etárias para determinar a capacidade de adaptação e aprendizagem destes dois grupos. Neste estudo, constatou-se um melhor desempenho inicial ao modo de interação do grupo de idade mais avançada. Contudo, o grupo mais jovem foi revelando uma evolutiva capacidade de adaptação a este modo de interação melhorando progressivamente os resultados.

Pulseira inteligente para aplicações industriais e de lazer

Nos últimos anos, o avanço da tecnologia e a miniaturização de diversos componentes têm permitido o aparecimento de novos conceitos, ideias e projetos, que até aqui não passariam de filmes de ficção científica. Com a tecnologia atual, podem ser desenvolvidos pequenos dispositivos wearable com diversas interfaces, múltiplas conectividades, poder de processamento e autonomia. Permitindo desta forma, dar resposta à crescente necessidade de interação com os mais diversos equipamentos eletrónicos do dia-a-dia, melhorando o acesso e o fornecimento de informação. O principal objetivo deste trabalho passa assim por demonstrar e implementar um conceito que permita estreitar e facilitar a interação entre o utilizador e o mundo que o rodeia, quer em ambientes domésticos quer industriais. Para isso foi projetado e implementado um dispositivo wearable (para utilização no pulso) baseado numa arquitetura de hardware e software capaz de correr diferentes aplicações, tais como extensão de alertas de um smartphone, crowdsourcing de informações meteorológicas, manutenção e inspeção industrial e monitorização remota de forças de segurança. Os resultados obtidos demonstram que este conceito é viável tanto do ponto de vista técnico como funcional, evidenciando boas hipóteses para que estes conceitos, métodos e tecnologias possam ser integradas em plataformas robóticas desenvolvidas no âmbito de projetos do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) bem como nos contextos industrial e de lazer.

Pulseira inteligente para monitorização de funções vitais

A crescente utilização de dispositivos móveis com diferentes finalidades é uma realidade. Com estes dispositivos, o utilizador tem a necessidade de aceder e usar dados em tempo real provenientes de diversas fontes. Uma tendência acentuada passa pela incorporação destes dispositivos móveis no vestuário, designados por dispositivos wearable. Segundo a empresa IMS Research, o mercado deste tipo de dispositivos irá aumentar de 14 milhões de unidades registadas no presente ano (2013), para cerca de 171 milhões em 2016, sendo esta previsão conservadora, segundo o analista da IMS Research, Theo Ahadome [15]. A maioria dos dispositivos portáteis está atualmente projetada para questões de saúde, como a monitorização do nível de glicose e batimento cardíaco. O objetivo deste trabalho passa por definir e implementar um dispositivo wearable para aplicações de saúde com um conjunto de funcionalidades para monitorização dos sinais vitais do utilizador. Posteriormente esta base pode ser aplicada em cenários de aplicação distintos, em que todos os dispositivos comunicam entre si, e fazem o reencaminhamento da informação para onde mais interessar. Foi desenhado e implementado hardware e software, para a construção de aplicações capazes de realizar a monitorização do batimento cardíaco, temperatura e humidade corporal, deteção de quedas, qualidade do sono, e chamadas de emergência. Este trabalho aborda os diferentes cenários e aplicações da utilização deste dispositivo, invocando as necessidades específicas de cada situação, sendo estas necessidades trabalhadas e transformadas em características e especificações do sistema. A plataforma de hardware e software permite criar um ecossistema de aplicações, permitindo usar todas as infraestruturas do sistema desenvolvido em futuros cenários de aplicação.

Partitioning the Network-on-Chip to Enable Virtualization on Many-Core Processors

6th International Real-Time Scheduling Open Problems Seminar (RTSOPS 2015), Lund, Sweden.

Allocation of Parallel Real-Time Tasks in Distributed Multi-core Architectures supported by an FTT-SE Network

Distributed real-time systems such as automotive applications are becoming larger and more complex, thus, requiring the use of more powerful hardware and software architectures. Furthermore, those distributed applications commonly have stringent real-time constraints. This implies that such applications would gain in flexibility if they were parallelized and distributed over the system. In this paper, we consider the problem of allocating fixed-priority fork-join Parallel/Distributed real-time tasks onto distributed multi-core nodes connected through a Flexible Time Triggered Switched Ethernet network. We analyze the system requirements and present a set of formulations based on a constraint programming approach. Constraint programming allows us to express the relations between variables in the form of constraints. Our approach is guaranteed to find a feasible solution, if one exists, in contrast to other approaches based on heuristics. Furthermore, approaches based on constraint programming have shown to obtain solutions for these type of formulations in reasonable time.

TIGRE - An autonomous ground robot for outdoor exploration

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

Desenvolvimento de Aplicação para a Otimização de Processo Produtivo

Empreendimentos industriais requerem o acompanhamento completo e preciso de dados de máquinas em tempo real, integrando as atividades do chão de fábrica com a engenharia, suporte e negócios. É reconhecido que sistemas de monitorização são fundamentais para melhorar a qualidade do produto, reduzir os tempos e para a adaptação rápida às mudanças de produção. Os sensores de processos possuem custos altos, não são compactos e são de difícil implementação. Portanto, seria estratégico desenvolver sistemas de monitorização que usufruem ao máximo dos recursos já existentes nas máquinas e ferramentas e que não representem custos adicionais elevados e de difícil implementação. O uso de PLC nas indústrias é crescente. Estes mostram-se como ferramentas potenciais para atender a estas exigências. Os PLC possuem os recursos necessários para a aquisição de informações e controlo das máquinas, facilitando a interação com um sistema SCADA. O objetivo do presente trabalho é pesquisar soluções sobre sistemas de monitorização que possam substituir um sistema instalado antiquado e encontrar uma solução para o controlo de um processo de vazamento. Para tal, foram consideradas duas soluções: uma passaria por desenvolver um sistema de monitorização que controlasse o processo de vazamento, e outra que permitisse ser o PLC a fazer o controlo, adquirindo um HMI apenas para monitorização. Esta última solução revelou-se como a melhor, visto que um PLC tem mais durabilidade em relação a um PC, em termos de atualizações de hardware e software. Assim, foram criadas funções no PLC para fazer o controlo de vazamento e foi adquirido uma consola Beijer, e respetivo software de programação SCADA, para a criação do sistema de monitorização. Os resultados mostram que o PLC é capaz de executar o controlo, não sendo necessário investir em PC que são mais caros, bastando para isso adquirir sistemas SCADA simples e capazes.

Water jet based autonomous surface vehicle for coastal waters operations

This paper presents the design of low cost, small autonomous surface vehicle for missions in the coastal waters and specifically for the challenging surf zone. The main objective of the vehicle design described in this paper is to address both the capability of operation at sea in relative challenging conditions and maintain a very low set of operational requirements (ease of deployment). This vehicle provides a first step towards being able to perform general purpose missions (such as data gathering or patrolling) and to at least in a relatively short distances to be able to be used in rescue operations (with very low handling requirements) such as carrying support to humans on the water. The USV is based on a commercially available fiber glass hull, it uses a directional waterjet powered by an electrical brushless motor for propulsion, thus without any protruding propeller reducing danger in rescue operations. Its small dimensions (1.5 m length) and weight allow versatility and ease of deployment. The vehicle design is described in this paper both from a hardware and software point of view. A characterization of the vehicle in terms of energy consumption and performance is provided both from test tank and operational scenario tests. An example application in search and rescue is also presented and discussed with the integration of this vehicle in the European ICARUS (7th framework) research project addressing the development and integration of robotic tools for large scale search and rescue operations.

Sistema para avaliação das vibrações no braço e ombro de um tenista

Este trabalho propõe o desenvolvimento de um módulo capaz de medir a intensidade das vibrações sofridas por um tenista no braço e ombro durante um jogo. Numa primeira fase foi estudada a biomecânica do braço humano e a biomecânica dos movimentos envolvidos no ténis. Foi realizada uma pesquisa sobre os dispositivos MEMs mais adequados bem como o hardware e software a utilizar, tendo sido analisados os requisitos do sistema a implementar. Foi desenvolvido um protótipo electrónico microcontrolado compacto e de baixo custo baseado na utilização de sensores microeletromecânicos (MEMs) de aceleração, permitindo obter informações biomecânicas do desportista e monitoriza-lo durante o treino de maneira não evasiva, possibilitando que ele esteja no seu ambiente natural de treino. O sistema envia as informações dos sensores para um PC através da porta USB sendo estas processados no mesmo. Foi desenvolvida uma interface gráfica intuitiva, para a apresentação dos dados resultantes das medidas, de fácil leitura pelos treinadores. Esta interface grava e apresenta os dados em tempo real. Os testes de campo foram realizados no campo de ténis que existe na Quinta das Freiras em Rio Tinto. O protótipo é de fácil fixação no atleta e permite a monitorização no local de treino sendo pequeno ((20x15mm) e muito leve (2g), tornando-se uma alternativa versátil para o auxilio de atletas e treinadores, aperfeiçoamento da técnica e como ferramenta de pesquisa na área de educação física.

Constraint-based verification of imperative programs

work presented in the context of the European Master’s program in Computational Logic, as the partial requirement for obtaining Master of Science degree in Computational Logic

Desenvolvimento e Controlo de um Veículo Autónomo Aéreo Quadrotor

A crescente necessidade de meios de inspecção e recolha de informação de infraestruturas e do meio ambiente natural, origina o recurso a meios tecnológicos cada vez mais evoluídos. Neste contexto, os robôs móveis autónomos aéreos surgem como uma ferramenta importante. Em particular, os veículos aéreos de asa móvel, pela sua manobrabilidade e controlo podem-se utilizar eficazmente em meios complexos como cenários interiores onde o ambiente é parcialmente controlado. A sua utilização em coordenação com outros veículos robóticos móveis e em particular com a crescente autonomia de decisão, permitem uma eficiência elevada, por exemplo, em tarefas de recolha automática de informação, vigilância, apoio a comunicações, etc. A inexistência de um veículo autónomo de asa móvel no cenário multi-robótico desenvolvido pelo Laboratório de Sistemas Autónomos do Instituto Superior de Engenharia do Porto, aliada às suas aplicações referidas, criou a necessidade do desenvolvimento de um veículo desta gama. Identificou-se, pois, o desenvolvimento de um veículo autónomo aéreo do tipo quadrotor com capacidade de vôo base estabilizado como o problema a resolver. Foi efectuado um levantamento de requisitos do sistema, a caracterização de um veículo autónomo aéreo Vertical Take-off and Landing - VTOL, e efectuado um trabalho de pesquisa a fim de possibilitar o conhecimento das técnicas e tecnologias envolvidas. Tendo em vista o objectivo de controlo e estabilização do veículo, foi efectuada a modelização do sistema que serviu não só para a melhor compreensão da sua dinâmica mas também para o desenvolvimento de um simulador que possibilitou a validação de estratégias de controlo e avaliação de comportamentos do veículo para diferentes cenários. A inexistência de controladores de motores brushless adequada (frequência de controlo), originou o desenvolvimento de um controlador dedicado para motores brushless, motores esses utilizados para a propulsão do veículo. Este controlador permite uma taxa de controlo a uma frequência de 20KHz, possui múltiplas interfaces de comunicação (CAN, RS232, Ethernet, SPI e JTAG), é de reduzido peso e dimensões e modular, visto ter sido implementado em dois módulos, i.e., permite a sua utilização com diferentes interfaces de potência. Projectou-se um veículo autónomo aéreo em termos físicos com a definição da sua arquitectura de hardware e software bem como o sistema de controlo de vôo. O sistema de estabilização de vôo compreende o processamento de informação fornecida por um sistema de navegação inercial, um sonar e o envio de referências de velocidade para cada um dos nós de controlo ligados a um barramento CAN instalado no veículo. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software. O UAV foi equipado com um sistema computacional dotando-o de capacidades para o desempenho de tarefas previamente analisadas. 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.

A distributed platform for the volunteer execution of workflows on a local area network

Thesis submitted in fulfilment of the requirements for the Degree of Master of Science in Computer Science

Monitorização e controlo em ambientes industriais através de rede de sensores sem fios

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Telecomunicações e Informática