Piloto automático: Sistema de navegação autónoma

Desde o início do crescente interesse na área de robótica que a navegação autónoma se apresenta como um problema de complexa resolução que, por isso, desperta vasto interesse no meio científico. Além disso, as capacidades da navegação autónoma aliadas à robótica permitem o desenvolvimento de variadas aplicações. O objectivo da navegação autónoma é conferir, a um dispositivo motor, capacidade de decisão relativa à locomoção. Para o efeito, utilizam-se sensores, como os sensores IMU, o receptor GPS e os encoders, para fornecer os dados essenciais à navegação. A dificuldade encontra-se no correcto processamento destes sinais uma vez que são susceptíveis a fontes de ruído. Este trabalho apresenta um sistema de navegação autónomo aplicado ao controlo de um robot. Para tal, desenvolveu-se uma aplicação que alberga todo o sistema de localização, navegação e controlo, acrescido de uma interface gráfica, que permite a visualização em mapa da movimentação autónoma do robot. Recorre-se ao Filtro de Kalman como método probabilístico de estimação de posição, em que os sinais dos vários sensores são conjugados e filtrados. Foram realizados vários testes de modo a avaliar a capacidade do robot atingir os pontos traçados e a sua autonomia no seguimento da trajectória pretendida.

Utilizzo di sensori a basso costo per la localizzazione indoor

I sistemi di localizzazione, negli ultimi anni, sono stati oggetto di numerose ricerche a livello internazionale.Gli sviluppi più importanti hanno avuto inizio nell’ambito stradale con sistemi di navigazione e localizzazione, possibili grazie alle forti capacità del GPS.Infatti il GPS indica l’intero apparato che permette il funzionamento della maggior parte dei navigatori disponibili in commercio, che, però, non sono utilizzabili in ambito indoor, in quanto la ricezione del segnale proveniente dai satelliti GPS diventa scarsa o pressoché nulla. In questo senso, la localizzazione risulta rilevante nel caso di indoor positioning, ossia quando utenti hanno bisogno di conoscere la propria posizione e quella degli altri membri della squadra di soccorso all’interno di un edificio come, ad esempio, i vigili del fuoco durante un’operazione di salvataggio. Sono questi fattori che portano all’idea della creazione di un sistema di localizzazione indoor basato su smartphone o una qualsiasi altra piattaforma disponibile. Tra le diverse tecnologie e architetture legate al posizionamento indoor/outdoor e inerziale, con questa tesi, si vuole esporre la foot-mounted inertial navigation, un sistema che permette di conoscere la propria posizione, sia all’interno di edifici,sia in campi aperti, tramite l’utilizzo di una rete wireless o GPS e l’aiuto di sensori a basso costo.Tuttavia per conoscere la stima ottimale della posizione, della velocità e dell’orientamento corrente di un utente dotato di sensori sarà necessaria l’integrazione di diversi algoritmi, che permettono di modellare e stimare errori o di conoscere e predire la posizione futura dello stesso. Gli scopi principali di questo lavoro sono: 1)Tracciare i movimenti di un utente usando diversi sensori per ottenere una stima ottimale della posizione dello stesso; 2)Localizzare l’utente in 3 dimensioni con precisione; 3)Ottenere una transizione senza interruzioni per un posizionamento continuo tra aree indoor e outdoor;

Omega table.

Mode of access: Internet.

Multi-robot control in highly dynamic, competitive environments

The control and coordination of multiple mobile robots is a challenging task; particularly in environments with multiple, rapidly moving obstacles and agents. This paper describes a robust approach to multi-robot control, where robustness is gained from competency at every layer of robot control. The layers are: (i) a central coordination system (MAPS), (ii) an action system (AES), (iii) a navigation module, and (iv) a low level dynamic motion control system. The multi-robot coordination system assigns each robot a role and a sub-goal. Each robot’s action execution system then assumes the assigned role and attempts to achieve the specified sub-goal. The robot’s navigation system directs the robot to specific goal locations while ensuring that the robot avoids any obstacles. The motion system maps the heading and speed information from the navigation system to force-constrained motion. This multi-robot system has been extensively tested and applied in the robot soccer domain using both centralized and distributed coordination.

Visualisation and browsing of image databases

In this chapter we provide a comprehensive overview of the emerging field of visualising and browsing image databases. We start with a brief introduction to content-based image retrieval and the traditional query-by-example search paradigm that many retrieval systems employ. We specify the problems associated with this type of interface, such as users not being able to formulate a query due to not having a target image or concept in mind. The idea of browsing systems is then introduced as a means to combat these issues, harnessing the cognitive power of the human mind in order to speed up image retrieval.We detail common methods in which the often high-dimensional feature data extracted from images can be used to visualise image databases in an intuitive way. Systems using dimensionality reduction techniques, such as multi-dimensional scaling, are reviewed along with those that cluster images using either divisive or agglomerative techniques as well as graph-based visualisations. While visualisation of an image collection is useful for providing an overview of the contained images, it forms only part of an image database navigation system. We therefore also present various methods provided by these systems to allow for interactive browsing of these datasets. A further area we explore are user studies of systems and visualisations where we look at the different evaluations undertaken in order to test usability and compare systems, and highlight the key findings from these studies. We conclude the chapter with several recommendations for future work in this area. © 2011 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

Algoritmo eficiente para aquisição de sinais de GPS por software

O NAVSTAR/GPS (NAVigation System with Timing And Ranging/Global Po- sitioning System), mais conhecido por GPS, _e um sistema de navegacão baseado em sat_elites desenvolvido pelo departamento de defesa norte-americano em meados de 1970. Criado inicialmente para fins militares, o GPS foi adaptado para o uso civil. Para fazer a localização, o receptor precisa fazer a aquisição de sinais dos satélites visíveis. Essa etapa é de extrema importância, pois é responsável pela detecção dos satélites visíveis, calculando suas respectivas frequências e fases iniciais. Esse processo pode demandar bastante tempo de processamento e precisa ser implementado de forma eficiente. Várias técnicas são utilizadas atualmente, mas a maioria delas colocam em conflito questões de projeto tais como, complexidade computacional, tempo de aquisição e recursos computacionais. Objetivando equilibrar essas questões, foi desenvolvido um método que reduz a complexidade do processo de aquisição utilizando algumas estratégias, a saber, redução do efeito doppler, amostras e tamanho do sinal utilizados, além do paralelismo. Essa estratégia é dividida em dois passos, um grosseiro em todo o espaço de busca e um fino apenas na região identificada previamente pela primeira etapa. Devido a busca grosseira, o limiar do algoritmo convencional não era mais aceitável. Nesse sentido, um novo limiar foi estabelecido baseado na variância dos picos de correlação. Inicialmente, é feita uma busca com pouca precisão comparando a variância dos cinco maiores picos de correlação encontrados. Caso a variância ultrapasse um certo limiar, a região de maior pico torna-se candidata à detecção. Por fim, essa região passa por um refinamento para se ter a certeza de detecção. Os resultados mostram que houve uma redução significativa na complexidade e no tempo de execução, sem que tenha sido necessário utilizar algoritmos muito complexos.

Towards Proactive Context-aware Computing and Systems

A primary goal of context-aware systems is delivering the right information at the right place and right time to users in order to enable them to make effective decisions and improve their quality of life. There are three key requirements for achieving this goal: determining what information is relevant, personalizing it based on the users’ context (location, preferences, behavioral history etc.), and delivering it to them in a timely manner without an explicit request from them. These requirements create a paradigm that we term as “Proactive Context-aware Computing”. Most of the existing context-aware systems fulfill only a subset of these requirements. Many of these systems focus only on personalization of the requested information based on users’ current context. Moreover, they are often designed for specific domains. In addition, most of the existing systems are reactive - the users request for some information and the system delivers it to them. These systems are not proactive i.e. they cannot anticipate users’ intent and behavior and act proactively without an explicit request from them. In order to overcome these limitations, we need to conduct a deeper analysis and enhance our understanding of context-aware systems that are generic, universal, proactive and applicable to a wide variety of domains. To support this dissertation, we explore several directions. Clearly the most significant sources of information about users today are smartphones. A large amount of users’ context can be acquired through them and they can be used as an effective means to deliver information to users. In addition, social media such as Facebook, Flickr and Foursquare provide a rich and powerful platform to mine users’ interests, preferences and behavioral history. We employ the ubiquity of smartphones and the wealth of information available from social media to address the challenge of building proactive context-aware systems. We have implemented and evaluated a few approaches, including some as part of the Rover framework, to achieve the paradigm of Proactive Context-aware Computing. Rover is a context-aware research platform which has been evolving for the last 6 years. Since location is one of the most important context for users, we have developed ‘Locus’, an indoor localization, tracking and navigation system for multi-story buildings. Other important dimensions of users’ context include the activities that they are engaged in. To this end, we have developed ‘SenseMe’, a system that leverages the smartphone and its multiple sensors in order to perform multidimensional context and activity recognition for users. As part of the ‘SenseMe’ project, we also conducted an exploratory study of privacy, trust, risks and other concerns of users with smart phone based personal sensing systems and applications. To determine what information would be relevant to users’ situations, we have developed ‘TellMe’ - a system that employs a new, flexible and scalable approach based on Natural Language Processing techniques to perform bootstrapped discovery and ranking of relevant information in context-aware systems. In order to personalize the relevant information, we have also developed an algorithm and system for mining a broad range of users’ preferences from their social network profiles and activities. For recommending new information to the users based on their past behavior and context history (such as visited locations, activities and time), we have developed a recommender system and approach for performing multi-dimensional collaborative recommendations using tensor factorization. For timely delivery of personalized and relevant information, it is essential to anticipate and predict users’ behavior. To this end, we have developed a unified infrastructure, within the Rover framework, and implemented several novel approaches and algorithms that employ various contextual features and state of the art machine learning techniques for building diverse behavioral models of users. Examples of generated models include classifying users’ semantic places and mobility states, predicting their availability for accepting calls on smartphones and inferring their device charging behavior. Finally, to enable proactivity in context-aware systems, we have also developed a planning framework based on HTN planning. Together, these works provide a major push in the direction of proactive context-aware computing.

Sistema de realidade aumentada no procedimento cirúrgico de remoção de pedras nos rins

A inovação tecnológica e as facilidades que gera tem tido um impacto crescente em diversas área, inclusivamente na medicina. A rápida evolução por parte de algumas tecnologias, como é o caso da Realidade Aumentada (RA), criam excelentes oportunidades, nomeadamente para intervenções cirúrgicas laparoscópicas, que apresentam especialmente problemas ao nível da exposição do doente a radiação. O presente documento detalha todo o processo de investigação e desenvolvimento realizado com a pretensão de criar um sistema de navegação por RA que auxilie o procedimento cirúrgico laparoscópico de remoção de pedras nos rins. Com este objetivo em perspetiva, e numa parceria com a empresa ECmedica LTD, foram desenvolvidos quatro protótipo funcionais. Com o intuito de compreender as melhores práticas de sistemas de input, interface e sistema de registo a aplicar, estes integraram aspetos inovadores tais como a utilização de uma sonda ultra-som, como substituta do raioX, e um registo feito através de sensores magnéticos. Apoiados numa metodologia de design centrado no utilizador e em instrumentos de análise como entrevistas e observação natural, os protótipos foram testados, obtendo respostas esclarecedoras relativamente ao objetivos dos protótipos. Foi observado que a RA é vista pelos médicos como uma solução com potencial, com as soluções apresentadas ao nível de inputs, interface e registo a serem bem recebidas. A projeção bidimensional oferecida pela imagem ultra-som foi encarada como insuficientes, sendo sugerida a sua substituição por um aumento tridimensional capaz de facilitar a correta inserção da agulha.

Aportaciones de la cirugía guiada por ordenador y navegación en oncología de cabeza y cuello: una revisión bibliográfica sistemática y actualización

Introducción: El objetivo de este trabajo es hacer una revisión y actualización de la literatura sobre la aportación de la planificación quirúrgica y de la navegación en el manejo de la enfermedad oncológica de cabeza y cuello, para valorar y determinar sus aplicaciones actuales. Material y métodos: Se realiza una búsqueda electrónica empleando los términos craniomaxillofacial tumors, head and neck cancer, navigation system, computer-assisted surgery y oral cancer. Resultados: El número de artículos encontrados en la revisión de la literatura ha sido de 16, publicados entre los años 1991 y 2014. Entre ellos no hay ninguna revisión sistemática, hay 5 artículos de revisión, 6 series de casos y 5 casos clínicos. Solo 10 artículos aportan información completa en relación con la enfermedad oncológica manejada con tecnología de navegación quirúrgica. Actualmente las aplicaciones de la navegación en oncología de cabeza y cuello pueden enumerarse en las siguientes áreas: biopsia guiada, resección y reconstrucción de tumores, monitorización del volumen del tumor, control de márgenes de resección quirúrgica basados en TC, RMN o PET y sistema de comunicación interdisciplinar. Conclusiones: Actualmente hay un número escaso de publicaciones sobre las aplicaciones de la navegación quirúrgica en el novedoso ámbito de la oncología de cabeza y cuello. A pesar de la ausencia de revisiones sistemáticas, parece tener un futuro prometedor por la valiosa aportación que hace para el manejo de tumores de cabeza y cuello, como proporcionar precisión anatómica, precisión diagnóstica y seguridad quirúrgica, siendo de gran utilidad en el tratamiento oncológico multidisciplinar.

Avaliação do equilíbrio em indivíduos com défice visual e normovisuais

Projeto de Graduação apresentado à Universidade Fernando Pessoa como parte dos requisitos para obtenção do grau de Licenciado em Fisioterapia

Valutazione cimenatica di tre tecniche di ricostruzione di legamento crociato anteriore con sistema di navigazione intraoperatorio

In caso di una lesione del legamento crociato anteriore (ACL), l'approccio chirurgico gold standard è la tecnica di ricostruzione ACL Single-Bundle (SB). Recentemente, sono state proposte altre tecniche alternative per ridurre il rischio di lassità residua post-operatoria, come la ricostruzione del Single Bundle con aggiunta di palstica latearle (SBLP) e le procedure a doppio fascio (DB). Quarantadue pazienti sottoposti a ricostruzione ACL sono stati inclusi prospetticamente nello studio. È stata eseguita una randomizzazione per allocare i pazienti nei diversi gruppi di studio: Single-Bundle-Lateral-Plasty, Single-Bundle e Double-Bundle. Un sistema di navigazione intraoperatorio è stato utilizzato per valutare i valori di lassità. I valori di lassità pre e post-chirurgici sono stati valutati tramite i test Lachman test (AP30), Drawer test (AP90), Varus-Valgus stress test a 0° e 30° flessione del ginocchio (VV0, VV30), rotazione esterna interna (IE30, IE90), e il test del pivot shift (PS). . In tutti e tre i gruppi, i valori di lassità post-ricostruzione sono risultati statisticamente ridotti rispetto ai valori pre-ricostruzione (P < 0,05) per tutti i test analizzati. Considerando l'analisi del test del cassetto e della rotazione interna-esterna a 30 e 90 gradi di flessione del ginocchio, è stata identificata una differenza significativa tra le diverse ricostruzioni chirurgiche. La tecnica SBLP ha portato ad avere i valori di migliori rispetto alle tecniche SB (PIE90 - 0,001) e DB (PAP90 - 0.012; PIE30 - 0,021; PIE90 - 0,003). La tecnica SBLP ha ottenuto risultati significativamente migliori rispetto alle altre tecniche studiate in termini di riduzione della lassità antero-posteriore e interna-esterna a tempo zero dopo la ricostruzione del legamento crociato anteriore.

Quantitative analysis of accuracy of an inertial/acoustic 6DOF tracking system in motion

An increasing number of neuroscience experiments are using virtual reality to provide a more immersive and less artificial experimental environment. This is particularly useful to navigation and three-dimensional scene perception experiments. Such experiments require accurate real-time tracking of the observer's head in order to render the virtual scene. Here, we present data on the accuracy of a commonly used six degrees of freedom tracker (Intersense IS900) when it is moved in ways typical of virtual reality applications. We compared the reported location of the tracker with its location computed by an optical tracking method. When the tracker was stationary, the root mean square error in spatial accuracy was 0.64 mm. However, we found that errors increased over ten-fold (up to 17 mm) when the tracker moved at speeds common in virtual reality applications. We demonstrate that the errors we report here are predominantly due to inaccuracies of the IS900 system rather than the optical tracking against which it was compared. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

VISUAL-INERTIAL INTEGRATION FOR HUMAN MOTION TRACKING AND NAVIGATION IN FREE-LIVING ENVIRONMENTS

The aging population has become a burning issue for all modern societies around the world recently. There are two important issues existing now to be solved. One is how to continuously monitor the movements of those people having suffered a stroke in natural living environment for providing more valuable feedback to guide clinical interventions. The other one is how to guide those old people effectively when they are at home or inside other buildings and to make their life easier and convenient. Therefore, human motion tracking and navigation have been active research fields with the increasing number of elderly people. However, motion capture has been extremely challenging to go beyond laboratory environments and obtain accurate measurements of human physical activity especially in free-living environments, and navigation in free-living environments also poses some problems such as the denied GPS signal and the moving objects commonly presented in free-living environments. This thesis seeks to develop new technologies to enable accurate motion tracking and positioning in free-living environments. This thesis comprises three specific goals using our developed IMU board and the camera from the imaging source company: (1) to develop a robust and real-time orientation algorithm using only the measurements from IMU; (2) to develop a robust distance estimation in static free-living environments to estimate people’s position and navigate people in static free-living environments and simultaneously the scale ambiguity problem, usually appearing in the monocular camera tracking, is solved by integrating the data from the visual and inertial sensors; (3) in case of moving objects viewed by the camera existing in free-living environments, to firstly design a robust scene segmentation algorithm and then respectively estimate the motion of the vIMU system and moving objects. To achieve real-time orientation tracking, an Adaptive-Gain Orientation Filter (AGOF) is proposed in this thesis based on the basic theory of deterministic approach and frequency-based approach using only measurements from the newly developed MARG (Magnet, Angular Rate, and Gravity) sensors. To further obtain robust positioning, an adaptive frame-rate vision-aided IMU system is proposed to develop and implement fast vIMU ego-motion estimation algorithms, where the orientation is estimated in real time from MARG sensors in the first step and then used to estimate the position based on the data from visual and inertial sensors. In case of the moving objects viewed by the camera existing in free-living environments, a robust scene segmentation algorithm is firstly proposed to obtain position estimation and simultaneously the 3D motion of moving objects. Finally, corresponding simulations and experiments have been carried out.

An optical flow-based sensing system for reactive mobile robot navigation

This work discusses the use of optical flow to generate the sensorial information a mobile robot needs to react to the presence of obstacles when navigating in a non-structured environment. A sensing system based on optical flow and time-to-collision calculation is here proposed and experimented, which accomplishes two important paradigms. The first one is that all computations are performed onboard the robot, in spite of the limited computational capability available. The second one is that the algorithms for optical flow and time-to-collision calculations are fast enough to give the mobile robot the capability of reacting to any environmental change in real-time. Results of real experiments in which the sensing system here proposed is used as the only source of sensorial data to guide a mobile robot to avoid obstacles while wandering around are presented, and the analysis of such results allows validating the proposed sensing system.

Low cost inertial-based localization system for a service robot

Dissertation presented at Faculty of Sciences and Technology of the New University of Lisbon to attain the Master degree in Electrical and Computer Science Engineering