Probability and Common-Sense: Tandem Towards Robust Robotic Object Recognition in Ambient Assisted Living

The suitable operation of mobile robots when providing Ambient Assisted Living (AAL) services calls for robust object recognition capabilities. Probabilistic Graphical Models (PGMs) have become the de-facto choice in recognition systems aiming to e ciently exploit contextual relations among objects, also dealing with the uncertainty inherent to the robot workspace. However, these models can perform in an inco herent way when operating in a long-term fashion out of the laboratory, e.g. while recognizing objects in peculiar con gurations or belonging to new types. In this work we propose a recognition system that resorts to PGMs and common-sense knowledge, represented in the form of an ontology, to detect those inconsistencies and learn from them. The utilization of the ontology carries additional advantages, e.g. the possibility to verbalize the robot's knowledge. A primary demonstration of the system capabilities has been carried out with very promising results.

Algoritmo neurogenético com vistas para o planejamento de rotas de robôs móveis autônomos

Pós-graduação em Ciência da Computação - IBILCE

Sistema de controlo de um veículo autónomo terrestre

A crescente necessidade imposta pela gama de aplicações existentes, torna o estudo dos veículos autónomos terrestres um objecto de grande interesse na investigação. A utilização de robots móveis autónomos originou quer um incremento de eficiência e eficácia em inúmeras aplicações como permite a intervenção humana em contextos de elevado risco ou inacessibilidade. Aplicações de monitorização e segurança constituem um foco de utilização deste tipo de sistemas quer pela automatização de procedimentos quer pelos ganhos de eficiência (desde a eficiência de soluções multi-veículo à recolha e detecção de informação). Neste contexto, esta dissertação endereça o problema de concepção, o desenvolvimento e a implementação de um veículo autónomo terrestre, com ênfase na perspectiva de controlo. Este projecto surge pois no âmbito do desenvolvimento de um novo veículo terrestre no Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). É efectuado um levantamento de requisitos do sistema tendo por base a caracterização de aplicações de monitorização, transporte e vigilância em cenários exteriores pouco estruturados. Um estado da arte em veículos autónomos terrestres é apresentado bem como conceitos e tecnologias relevantes para o controlo deste tipo de sistemas. O problema de controlo de locomoção é abordado tendo em particular atenção o controlo de motores DC brushless. Apresenta-se o projecto do sistema de controlo do veículo, desde o controlo de tracção e direcção, ao sistema computacional de bordo responsável pelo controlo e supervisão da missão. A solução adoptada para a implementação mecânica da estrutura do veículo consiste numa plataforma de veículo todo terreno (motociclo 4X4) disponível comercialmente. O projecto e implementação do sistema de controlo de direcção para o mesmo é apresentado quer sob o ponto de vista da solução electromecânica, quer pelo subsistema de hardware de controlo embebido e respectivo software. Tendo em vista o controlo de tracção são apresentadas duas soluções. Uma passando pelo estudo e desenvolvimento de um sistema de raiz capaz de controlar motores BLDC de elevada potência, a segunda passando pela utilização de uma solução através de um controlador externo. A gestão energética do sistema é abordada através do projecto e implementação de um sistema de controlo e distribuição de energia específico. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software, envolvendo a integração dos subsistemas projectados especialmente bem como a implementação do sistema computacional de bordo. São apresentados resultados de validação do controlo de locomoção básico quer em simulação quer descritos os testes e validações efectuados no veículo real. 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.

Simulação e controlo de veículos autónomos terrestres

A implementação e venda de robôs autónomos tem sido um sector que nos últimos anos tem adquirido cada vez mais quota no mercado, nomeadamente no sector militar, agrícola e da vigilância. Como tal, tem sido também de grande importância a capacidade de implementar e testar robôs por parte das entidades que os fabricam. Uma das formas que tem garantido o sucesso do desenvolvimento de robôs é a simulação prévia dos mesmos antes que estes passem a fase de produção. Sendo assim, o LSA como entidade de desenvolvimento de robôs autónomos, tem necessidade de adquirir um sistema que simule os robôs em desenvolvimento. O trabalho desta tese consiste na realização de um sistema que simule robôs autónomos terrestres de forma que se possa observar o comportamento da cinemática, dinânica e hardware dos robôs em ambiente 3D. Esta aplicação de simulação pode mais tarde ser utilizada pelo laboratório para testar missões, validar alterações de estrutura, sensores, etc. Para além disso, com recurso ao simulador Player/Stage/Gazebo testar o robô LINCE e implementar algoritmos de controlo para o mesmo. Os algoritmos de controlo implementados baseiam-se em primitivas de controlo básico para serem utilizadas pelo sistema de navegação e gerar trajectórias complexas. Os algoritmos desenvolvidos nesta tese baseiam-se nas equações cinemáticas do veículo estudado. Estes algoritmos depois de testados no simulador, poderão ser colocados no Hardware do robô. Desta forma consegue-se desenvolver algoritmos para determinado robô sem que este esteja operacional.

Exploração da Point Cloud Library aplicada à percepção em sistemas autónomos

A navegação e a interpretação do meio envolvente por veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um grande desafio na actualidade. Sebastian Thrun, descreve em [Thr02], que o problema do mapeamento em sistemas robóticos é o da aquisição de um modelo espacial do meio envolvente do robô. Neste contexto, a integração de sistemas sensoriais em plataformas robóticas, que permitam a construção de mapas do mundo que as rodeia é de extrema importância. A informação recolhida desses dados pode ser interpretada, tendo aplicabilidade em tarefas de localização, navegação e manipulação de objectos. Até à bem pouco tempo, a generalidade dos sistemas robóticos que realizavam tarefas de mapeamento ou Simultaneous Localization And Mapping (SLAM), utilizavam dispositivos do tipo laser rangefinders e câmaras stereo. Estes equipamentos, para além de serem dispendiosos, fornecem apenas informação bidimensional, recolhidas através de cortes transversais 2D, no caso dos rangefinders. O paradigma deste tipo de tecnologia mudou consideravelmente, com o lançamento no mercado de câmaras RGB-D, como a desenvolvida pela PrimeSense TM e o subsequente lançamento da Kinect, pela Microsoft R para a Xbox 360 no final de 2010. A qualidade do sensor de profundidade, dada a natureza de baixo custo e a sua capacidade de aquisição de dados em tempo real, é incontornável, fazendo com que o sensor se tornasse instantaneamente popular entre pesquisadores e entusiastas. Este avanço tecnológico deu origem a várias ferramentas de desenvolvimento e interacção humana com este tipo de sensor, como por exemplo a Point Cloud Library [RC11] (PCL). Esta ferramenta tem como objectivo fornecer suporte para todos os blocos de construção comuns que uma aplicação 3D necessita, dando especial ênfase ao processamento de nuvens de pontos de n dimensões adquiridas a partir de câmaras RGB-D, bem como scanners laser, câmaras Time-of-Flight ou câmaras stereo. Neste contexto, é realizada nesta dissertação, a avaliação e comparação de alguns dos módulos e métodos constituintes da biblioteca PCL, para a resolução de problemas inerentes à construção e interpretação de mapas, em ambientes indoor não estruturados, utilizando os dados provenientes da Kinect. A partir desta avaliação, é proposta uma arquitectura de sistema que sistematiza o registo de nuvens de pontos, correspondentes a vistas parciais do mundo, num modelo global consistente. Os resultados da avaliação realizada à biblioteca PCL atestam a sua viabilidade, para a resolução dos problemas propostos. Prova da sua viabilidade, são os resultados práticos obtidos, da implementação da arquitectura de sistema proposta, que apresenta resultados de desempenho interessantes, como também boas perspectivas de integração deste tipo de conceitos e tecnologia em plataformas robóticas desenvolvidas no âmbito de projectos do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA).

Sistema de auto calibração visual para robots do ISePorto, baseado em EKF

Os sistemas de perceção existentes nos robôs autónomos, hoje em dia, são bastante complexos. A informação dos vários sensores, existentes em diferentes partes do robôs, necessitam de estar relacionados entre si face ao referencial do robô ou do mundo. Para isso, o conhecimento da atitude (posição e rotação) entre os referenciais dos sensores e o referencial do robô é um fator critico para o desempenho do mesmo. O processo de calibração dessas posições e translações é chamado calibração dos parâmetros extrínsecos. Esta dissertação propõe o desenvolvimento de um método de calibração autónomo para robôs como câmaras direcionais, como é o caso dos robôs da equipa ISePorto. A solução proposta consiste na aquisição de dados da visão, giroscópio e odometria durante uma manobra efetuada pelo robô em torno de um alvo com um padrão conhecido. Esta informação é então processada em conjunto através de um Extended Kalman Filter (EKF) onde são estimados necessários para relacionar os sensores existentes no robô em relação ao referencial do mesmo. Esta solução foi avaliada com recurso a vários testes e os resultados obtidos foram bastante similares aos obtidos pelo método manual, anteriormente utilizado, com um aumento significativo em rapidez e consistência.

Sistema autónomo de alimentação para monitorização ambiental

Este projecto tem como principal objectivo a criação de sistemas autónomos de^alimentação para redes de sensores sem fios (RSSF) que prolonguem a autonomia das mesmas. Considerando que, geralmente, a alimentação das RSSF é fornecida por baterias e devido à limitação que estas impõem a nível de durabilidade e autonomia é crucial desenvolver sistemas capazes de captar e armazenar energia ambiental de modo a disponibilizá-la aos nós sensores quando estes necessitarem. Assim sendo, este projecto apresenta três protótipos cujo intuito visa prolongar a longevidade dos nós sensores. Nesta conformidade recorreu-se ao aproveitamento da energia produzida pelo sol, vento e cursos de água. Foram estudados dois protótipos solares, um com ligação directa ao elemento de armazenamento e o outro com um circuito que deve transferir o máximo de potência fornecida pela fonte. Para o aproveitamento do fluxo de ar foi desenvolvido um pequeno gerador trifásico com uma estrutura de captação de energia segundo o modelo de pás do aerogerador Savonius. As características (tensão e corrente) foram analisadas com o objectivo de poder desenvolver um circuito de controlo de carga para as baterias. O último sistema de controlo foi dirigido ao aproveitamento da água proveniente das levadas ou ribeiras. Este sistema também é composto por um pequeno gerador trifásico ao qual foi associado um sistema de pás do tipo Pelton. Este protótipo foi proposto para situações em o caudal à saída de um reservatório se mantém constante evitando desta forma, a necessidade de utilização de elementos de armazenamento de energia Todos os sistemas possuem circuitos que permitem a monitorização de variáveis fundamentais para a avaliação dos mesmos. Para a transferência de dados foi utilizada uma rede de sensores sem fios, com recurso a um rádio XBee. Estes dados são encaminhados para uma base de dados presente na estação central. Após todo o tratamento de dados, a informação é disponibilizada através de uma página da Internet.

Sistema de navegação para robôs móveis autônomos

The main task and one of the major mobile robotics problems is its navigation process. Conceptualy, this process means drive the robot from an initial position and orientation to a goal position and orientation, along an admissible path respecting the temporal and velocity constraints. This task must be accomplished by some subtasks like robot localization in the workspace, admissible path planning, trajectory generation and motion control. Moreover, autonomous wheeled mobile robots have kinematics constraints, also called nonholonomic constraints, that impose the robot can not move everywhere freely in its workspace, reducing the number of feasible paths between two distinct positions. This work mainly approaches the path planning and trajectory generation problems applied to wheeled mobile robots acting on a robot soccer environment. The major dificulty in this process is to find a smooth function that respects the imposed robot kinematic constraints. This work proposes a path generation strategy based on parametric polynomials of third degree for the 'x' and 'y' axis. The 'theta' orientation is derived from the 'y' and 'x' relations in such a way that the generated path respects the kinematic constraint. To execute the trajectory, this work also shows a simple control strategy acting on the robot linear and angular velocities

Algoritmo neurogenético com vistas para o planejamento de rotas de robôs móveis autônomos

Pós-graduação em Ciência da Computação - IBILCE

Aspectos técnicos da monitorização da pressão intracraniana pelo método subaracnóideo no traumatismo craniencefálico grave

Two hundred and six patients with severe head injury (Glasgow Coma Scale of 8 points or less after nonsurgical resuscitation on admission), managed at Intensive Care Unit-Hospital das Clínicas - Universidade Estadual de Campinas were prospectively analysed. All patients were assessed by CT scan and 72 required neurosurgical intervention. All patients were continuously monitored to evaluate intracranial pressure (ICP) levels by a subarachnoid device (11 with subarachnoid metallic bolts and 195 with subarachnoid polyvinyl catheters). The ICP levels were continuously observed in the bedside pressure monitor display and their end-hour values were recorded in a standard chart. The patients were managed according to a standard protocol guided by the ICP levels. There were no intracranial haemorrhagic complications or hematomas due the monitoring method. Sixty six patients were punctured by lateral C1-C2 technique to assess infectious complications and 2 had positive cerebrospinal fluid samples for Acinetobacter sp. The final results measured at hospital discharge showed 75 deaths (36,40%) and 131 (63,60%) survivors. ICP levels had significantly influenced the final results (p<0,001). The subarachnoid method to continuously assess the ICP levels was considered aplicable, safe, simple, low cost and useful to advise the management of the patients. The ICP record methodology was practical and useful. Despite the current technical advances the subarachnoid method was considered viable to assess the ICP levels in severe head injury.

Monitorização materno-fetal durante procedimento odontológico em portadora de cardiopatia valvar

FUNDAMENTO: Os efeitos da anestesia local em odontologia com lidocaína e epinefrina, sobre parâmetros cardiovasculares de gestantes portadoras de valvopatias e seus conceptos, não estão esclarecidos. OBJETIVO: Avaliar e analisar parâmetros da cardiotocografia, de pressão arterial e eletrocardiográficos da gestante portadora de doença valvar reumática, quando submetida à anestesia local com 1,8 ml de lidocaína 2% sem vasoconstritor e com epinefrina 1:100.000, durante procedimento odontológico restaurador. MÉTODOS: Realizamos monitorização ambulatorial da pressão arterial, eletrocardiografia ambulatorial materna e cardiotocografia de 31 portadoras de cardiopatia reumática, entre a 28ª e 37ª semana de gestação, divididas em dois grupos conforme presença ou não do vasoconstritor RESULTADOS: Demonstrou-se redução significativa dos valores de frequência cardíaca materna nos dois grupos, durante o procedimento, quando comparado aos demais períodos (p < 0,001). Houve ocorrência de arritmia cardíaca em 9 (29,0%) pacientes, das quais 7 (41,8%) pertencentes ao grupo de 17 gestantes que recebeu anestesia com adrenalina. A pressão arterial materna não apresentou diferença quando comparamos períodos ou grupos (p > 0,05). O mesmo ocorreu (p > 0,05) com número de contrações uterinas, nível e variabilidade da linha de base e número de acelerações da frequência cardíaca fetal. CONCLUSÃO: O uso de 1,8 ml de lidocaína 2% associado à adrenalina mostrou-se seguro e eficaz em procedimento odontológico restaurador durante a gestação de mulheres com cardiopatia valvar reumática.

Grupos de catadores autônomos na coleta seletiva do município de São Paulo

Pesquisa na cidade de Sâo Paulo identificou dificuldades que grupos de catadores autônomos de recicláveis enfrentam para se inserirrem no Programa de Coleta Seletiva oficial. A cidade gera diariamente 16 mil toneladas de resíduos, apenas 1% destinados à coleta seletiva. Entretanto, grupos de catadores coletam informalmente sem ser incluídos nas estatístias. Foram levantados bibliografia, legislação sobre resíduos, grupos atuantes na coleta seletiva; e aplicados formulários em 13 grupos. Dados indicaram organizaçãoDados indicaram organização e gestão dos grupos, dificuldades, gerenciamento e divisão dos recursos, participantes e interesse de participarem da coleta seletiva oficial. Das dificuldades que os grupos apontaram estão: falta de espaço adequado para guardar, separar e enfardar material coletado; falta de recursos para seu desenvolvimento; e falta de apoio do governo

Experimental results on the nonlinear H(infinity) control via quasi-LPV representation and game theory for wheeled mobile robots

In this paper, nonlinear dynamic equations of a wheeled mobile robot are described in the state-space form where the parameters are part of the state (angular velocities of the wheels). This representation, known as quasi-linear parameter varying, is useful for control designs based on nonlinear H(infinity) approaches. Two nonlinear H(infinity) controllers that guarantee induced L(2)-norm, between input (disturbances) and output signals, bounded by an attenuation level gamma, are used to control a wheeled mobile robot. These controllers are solved via linear matrix inequalities and algebraic Riccati equation. Experimental results are presented, with a comparative study among these robust control strategies and the standard computed torque, plus proportional-derivative, controller.

Monitorização ambulatorial da pressão arterial em indivíduos normotensos submetidos a duas sessões únicas de exercícios : resistido e aeróbio

Objetivo: investigar a influência de duas sessões únicas de exercício resistido (circuito com pesos) e aeróbio sobre as alterações pressóricas, em indivíduos sedentários e normotensos. Métodos: foram avaliados pela monitorização numa situação controle, sem realização de exercícios (MAPA 1) 25 indivíduos, após exercício resistido (MAPA 2) e após exercício aeróbio (MAPA 3). Os exercícios resistidos foram realizados sob forma de circuito com pesos, com intensidade de 40% da força máxima individual e os exercícios aeróbicos em cicloergômetro, com intensidade entre 60% e 70% da freqüência cardíaca (FC) máxima alcançada no teste ergométrico. Resultados: a pressão arterial sistólica (PAS) de 24h e sub-períodos vigília e sono não apresentaram variações estatisticamente significantes quando comparada à MAPA2 e MAPA3 e MAPA2 e MAPA3 entre si. A pressão arterial diastólica (PAD) de 24h e diurna apresentaram reduções significantes (P<0,05). A média da freqüência cardíaca de 24h e no período vigília apresentou aumentos significativos (P<0,05) quando comparada a MAPA2 à MAPA3. Conclusão: uma sessão única de exercício resistido em indivíduos normotensos foi suficiente para promover reduções significativas dos níveis tensionais, no período de sono após o exercício, e a de exercício aeróbio nesses mesmos indivíduos, foi mais eficaz em promover reduções significativas dos níveis pressóricos.