Complementary filter design with three frequency bands: robot attitude estimation

This paper extents the by now classic sensor fusion complementary filter (CF) design, involving two sensors, to the case where three sensors that provide measurements in different bands are available. This paper shows that the use of classical CF techniques to tackle a generic three sensors fusion problem, based solely on their frequency domain characteristics, leads to a minimal realization, stable, sub-optimal solution, denoted as Complementary Filters3 (CF3). Then, a new approach for the estimation problem at hand is used, based on optimal linear Kalman filtering techniques. Moreover, the solution is shown to preserve the complementary property, i.e. the sum of the three transfer functions of the respective sensors add up to one, both in continuous and discrete time domains. This new class of filters are denoted as Complementary Kalman Filters3 (CKF3). The attitude estimation of a mobile robot is addressed, based on data from a rate gyroscope, a digital compass, and odometry. The experimental results obtained are reported.

Análise do sinal cardíaco ECG através da técnica SVD

Este trabalho surge no âmbito da área Electromedicina, uma componente da Engenharia Electrotécnica cada vez mais influente e em permanente desenvolvimento, existindo nela uma constante inovação e tentativa de desenvolvimento e aplicação de novas tecnologias. Este projecto possui como principal objectivo o estudo aprofundado das aplicações da técnica SVD (Singular Value Decomposition), uma poderosa ferramenta matemática que permite a manipulação de sinais através da decomposição de matrizes, ao caso específico do sinal eléctrico obtido através de um electrocardiograma (ECG). Serão discriminados os princípios da operação do sistema eléctrico cardíaco, as principais componentes do sinal ECG (a onda P, o complexo QRS e a onda T) e os fundamentos da técnica SVD. A última fase deste trabalho consistirá na aplicação, em ambiente Matlab, da técnica SVD a sinais ECG concretos, com enfase na sua filtragem, para efeitos de remoção de ruído. De modo verificar as suas vantagens e desvantagens face a outras técnicas, os resultados da filtragem por SVD serão comparados com aqueles obtidos, em condições similares, através da aplicação de um filtro FIR de coeficientes estáticos e de um filtro adaptativo iterativo.

Estudo do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos alimentares usados

O instável mas tendencialmente crescente preço dos combustíveis associado a preocupações ambientais cada vez mais enraizadas nas sociedades, têm vindo a despoletar uma maior atenção à procura de combustíveis alternativos. Por outro lado, várias projecções indicam um aumento muito acentuado do consumo energético global no curto prazo, fruto do aumento da população e do nível de industrialização das sociedades. Neste contexto, o biodiesel (ésteres de ácidos gordos) obtido através da transesterificação de triglicerídeos de origem vegetal ou animal, surge como a alternativa “verde” mais viável para utilização em equipamentos de combustão. A reacção de transesterificação é catalisada, por norma com recurso a catalisadores homogéneos alcalinos (NaOH ou KOH). Este tipo de processo, o único actualmente com expressão a nível industrial, apresenta algumas desvantagens que, para além de aumentarem o custo do produto final, contribuem para reduzir a benignidade do mesmo: a impossibilidade de reutilização do catalisador, o aumento do número e complexidade das etapas de separação e a produção de efluentes resultantes das referidas etapas. Com o intuito de minimizar ou eliminar estes problemas, vários catalisadores heterogéneos têm vindo a ser estudados para esta reacção. Apesar de muitos apresentarem resultados promissores, a grande maioria não tem viabilidade para aplicação industrial seja devido ao seu próprio custo, seja devido aos pré-tratamentos necessários à sua utilização. Entre estes catalisadores, o óxido de cálcio é talvez o que apresenta resultados mais promissores. O crescente número de estudos envolvendo este catalisador em detrimento de outros, é por si mesmo prova do potencial do CaO. A realização deste trabalho pretendia atingir os seguintes objectivos principais: • Avaliar a elegibilidade do óxido de cálcio enquanto catalisador da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Avaliar qual a sua influência nas características dos produtos finais; • Avaliar as diferenças de performance entre o óxido de cálcio activado em atmosfera inerte (N2) e em ar, enquanto catalisadores da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Optimizar as condições da reacção com recurso às ferramentas matemáticas disponibilizadas pelo planeamento factorial, através da variação de quatro factores chave de influência: temperatura, tempo, relação metanol / óleo e massa de catalisador utilizado. O CaO utlizado foi obtido a partir de carbonato de cálcio calcinado numa mufla a 750 °C durante 3 h. Foi posteriormente activado a 900 °C durante 2h, em atmosferas diferentes: azoto (CaO-N2) e ar (CaO-Ar). Avaliaram-se algumas propriedades dos catalisadores assim preparados, força básica, concentração de centros activos e áreas específicas, tendo-se obtido uma força básica situada entre 12 e 14 para ambos os catalisadores, uma concentração de centros activos de 0,0698 mmol/g e 0,0629 mmol/g e áreas específicas de 10 m2/g e 11 m2/g respectivamente para o CaO-N2 e CaO-Ar. Efectuou-se a transesterificação, com catálise homogénea, da mistura de óleos usados utilizada neste trabalho com o objectivo de determinar os limites para o teor de FAME’s (abreviatura do Inglês de Fatty Acid Methyl Esters’) que se poderiam obter. Foi este o parâmetro avaliado em cada uma das amostras obtidas por catálise heterogénea. Os planos factoriais realizados tiveram como objectivo maximizar a sua quantidade recorrendo à relação ideal entre tempo de reacção, temperatura, massa de catalisador e quantidade de metanol. Verificou-se que o valor máximo de FAME’s obtidos a partir deste óleo estava situado ligeiramente acima dos 95 % (m/m). Realizaram-se três planos factoriais com cada um dos catalisadores de CaO até à obtenção das condições óptimas para a reacção. Não se verificou influência significativa da relação entre a quantidade de metanol e a massa de óleo na gama de valores estudada, pelo que se fixou o valor deste factor em 35 ml de metanol / 85g de óleo (relação molar aproximada de 8:1). Verificou-se a elegibilidade do CaO enquanto catalisador para a reacção estudada, não se tendo observado diferenças significativas entre a performance do CaO-N2 e do CaO-Ar. Identificaram-se as condições óptimas para a reacção como sendo os valores de 59 °C para a temperatura, 3h para o tempo e 1,4 % de massa de catalisador relativamente à massa de óleo. Nas referidas condições, obtiveram-se produtos com um teor de FAME’s de 95,7 % na catálise com CaO-N2 e 95,3 % na catálise com CaO-Ar. Alguns autores de estudos consultados no desenvolvimento do presente trabalho, referiam como principal problema da utilização do CaO, a lixiviação de cálcio para os produtos obtidos. Este facto foi confirmado no presente trabalho e na tentativa de o contornar, tentou-se promover a carbonatação do cálcio com a passagem de ar comprimido através dos produtos e subsequente filtração. Após a realização deste tratamento, não mais se observaram alterações nas suas propriedades (aparecimento de turvação ou precipitados), no entanto, nos produtos obtidos nas condições óptimas, a concentração de cálcio determinada foi de 527 mg/kg no produto da reacção catalisada com CaO-N2 e 475 mg/kg com CaO-A. O óxido de cálcio apresentou-se como um excelente catalisador na transesterificação da mistura de óleos alimentares usados utilizada no presente trabalho, apresentando uma performance ao nível da obtida por catálise homogénea básica. Não se observaram diferenças significativas de performance entre o CaO-N2 e o CaO-Ar, sendo possível obter nas mesmas condições reaccionais produtos com teores de FAME’s superiores a 95 % utilizando qualquer um deles como catalisador. O elevado teor de cálcio lixiviado observado nos produtos, apresenta-se como o principal obstáculo à aplicação a nível industrial do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos.

Implementação de uma Interface Homem-máquina baseada em Eletroculografia

A constante evolução da tecnologia permitiu ao ser humano a utilização de dispositivos electrónicos nas suas rotinas diárias. Estas podem ser afetadas quando os utilizadores sofrem de deficiências ou doenças que afetam as suas capacidades motoras. Com o intuito de minimizar este obstáculo surgiram as Interfaces Homem-Computador (HCI). É neste panorama que os sistemas HCI baseados em Eletroculografia (EOG) assumem um papel preponderante na melhoria da qualidade de vida destes indivíduos. A Eletroculografia é o resultado da aquisição do movimento ocular, que pode ser adquirido através de diversos métodos. Os métodos mais convencionais utilizam elétrodos de superfície para aquisição dos sinais elétricos, ou então, utilizam sistemas de gravação de vídeo, que gravam o movimento ocular. O objetivo desta tese é desenvolver um sistema HCI baseado em Eletroculografia, que adquire o sinal elétrico do movimento ocular através de elétrodos de superfície. Para tal desenvolveu-se um circuito eletrónico para a aquisição do sinal de EOG, bem como um algoritmo em Python para análise do mesmo. O circuito foi desenvolvido recorrendo a seis módulos diferentes, cada um deles com uma função específica. Para cada módulo foi necessário desenhar e implementar placas de circuito impresso, que quando conectadas entre si permitem filtrar, amplificar e digitalizar os sinais elétricos, adquiridos através de elétrodos de superfície, originados pelo movimento ocular. O algoritmo criado em Python permite analisar os dados provenientes do circuito e converte-os para coordenadas. Através destas foi possível determinar o sentido e a amplitude do movimento ocular.

Recommending media content based on machine learning methods

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Informática

Combining sparse and dense methods in 6D Visual Odometry

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

6D Visual Odometry with Dense Probabilistic Egomotion Estimation

Proceedings of the International Conference on Computer Vision Theory and Applications, 361-365, 2013, Barcelona, Spain

Partilha de Pontos de Interesse, Vídeos e Experiências Sensoriais Baseada no Contexto do Utilizador

A evolução tecnológica das últimas décadas na área das Tecnologias da Informação e Comunicação (TIC) contribuiu para a proliferação de fontes de informação e de sistemas de partilha de recursos. As diversas redes sociais são um exemplo paradigmático de sistemas de partilha tanto de informação como de recursos (e.g. audiovisuais). Essa abundância crescente de recursos e fontes aumenta a importância de sistemas capazes de recomendar em tempo útil recursos personalizados, tendo por base o perfil e o contexto do utilizador. O objetivo deste projeto é partilhar e recomendar locais, artigos e vídeos em função do contexto do utilizador assim como proporcionar uma experiência mais rica de reprodução dos vídeos partilhados, simulando as condições de gravação dos vídeos. Este sistema teve como inspiração dois projetos anteriormente desenvolvidos de partilha e recomendação de locais, artigos e vídeos turísticos em função da localização do utilizador. O sistema desenvolvido consiste numa aplicação distribuída composta por um módulo cliente Android, que inclui a interface com o utilizador e o consumo direto de serviços externos de suporte, e um módulo servidor que controla o acesso à base de dados central e inclui o serviço de recomendação baseado no contexto do utilizador. A comunicação entre os módulos cliente e servidor utiliza um protocolo do nível de aplicação dedicado. As recomendações geradas pelo sistema têm por base o perfil de utilizador, informação contextual (posição do utilizador, data e hora atual e velocidade atual do utilizador) e podem ser geradas a pedido do utilizador ou automaticamente, caso sejam encontrados pontos de interesse de grande relevância para o utilizador. Os pontos de interesse recomendados são apresentados com recurso ao Google Maps, incluindo o período de funcionamento, artigos complementares e a reprodução imersiva dos vídeos relacionados. Essa imersão tem em consideração as condições meteorológicas, temporais e espaciais aquando da gravação do vídeo.

Simulation of masonry out-of-plane failure modes by multi-body dynamics

The seismic assessment of the local failure modes in existing masonry buildings is currently based on the identification of the so-called local mechanisms, often associated with the out-of-plane wall behavior, whose stability is evaluated by static force-based approaches and, more recently, by some displacement-based proposals. Local mechanisms consist of kinematic chains of masonry portions, often regarded as rigid bodies, with geometric nonlinearity and concentrated nonlinearity in predefined contact regions (unilateral no-tension behavior, possible sliding with friction). In this work, the dynamic behavior of local mechanisms is simulated through multi-body dynamics, to obtain the nonlinear response with efficient time history analyses that directly take into account the characteristics of the ground motion. The amplification/filtering effects of the structure are considered within the input motion. The proposed approach is validated with experimental results of two full-scale shaking-table tests on stone masonry buildings: a sacco-stone masonry façade tested at Laboratório Nacional de Engenharia Civil and a two-storey double-leaf masonry building tested at European Centre for Training and Research in Earthquake Engineering (EUCENTRE).

Adaptive modeling and high quality spectral estimation for speech enhancement

In this work an adaptive modeling and spectral estimation scheme based on a dual Discrete Kalman Filtering (DKF) is proposed for speech enhancement. Both speech and noise signals are modeled by an autoregressive structure which provides an underlying time frame dependency and improves time-frequency resolution. The model parameters are arranged to obtain a combined state-space model and are also used to calculate instantaneous power spectral density estimates. The speech enhancement is performed by a dual discrete Kalman filter that simultaneously gives estimates for the models and the signals. This approach is particularly useful as a pre-processing module for parametric based speech recognition systems that rely on spectral time dependent models. The system performance has been evaluated by a set of human listeners and by spectral distances. In both cases the use of this pre-processing module has led to improved results.

Kalman tracking linear predictor for vowel intelligibility enhancement on european portuguese HMM based speech synthesis

The recent developments on Hidden Markov Models (HMM) based speech synthesis showed that this is a promising technology fully capable of competing with other established techniques. However some issues still lack a solution. Several authors report an over-smoothing phenomenon on both time and frequencies which decreases naturalness and sometimes intelligibility. In this work we present a new vowel intelligibility enhancement algorithm that uses a discrete Kalman filter (DKF) for tracking frame based parameters. The inter-frame correlations are modelled by an autoregressive structure which provides an underlying time frame dependency and can improve time-frequency resolution. The system’s performance has been evaluated using objective and subjective tests and the proposed methodology has led to improved results.

Recommendation of Tourism Resources Supported by Crowdsourcing

Context-aware recommendation of personalised tourism resources is possible because of personal mobile devices and powerful data filtering algorithms. The devices contribute with computing capabilities, on board sensors, ubiquitous Internet access and continuous user monitoring, whereas the filtering algorithms provide the ability to match the profile (interests and the context) of the tourist against a large knowledge bases of tourism resources. While, in terms of technology, personal mobile devices can gather user-related information, including the user context and access multiple data sources, the creation and maintenance of an updated knowledge base of tourism-related resources requires a collaborative approach due to the heterogeneity, volume and dynamic nature of the resources. The current PhD thesis aims to contribute to the solution of this problem by adopting a Crowdsourcing approach for the collaborative maintenance of the knowledge base of resources, Trust and Reputation for the validation of uploaded resources as well as publishers, Big Data for user profiling and context-aware filtering algorithms for the personalised recommendation of tourism resources.

Three transducers for one photodetector: essays for optical communications

Dissertation presented to obtain the PhD degree in Electrical and Computer Engineering - Electronics

Aquisição por Visão Artificial e Medição Automática de Micro Dureza Vickers

O ensaio de dureza, e mais concretamente o ensaio de micro dureza Vickers, é no universo dos ensaios mecânicos um dos mais utilizados quer seja na indústria, no ensino ou na investigação e desenvolvimento de produto no âmbito das ciências dos materiais. Na grande maioria dos casos, a utilização deste ensaio tem como principal aplicação a caracterização ou controlo da qualidade de fabrico de materiais metálicos. Sendo um ensaio de relativa simplicidade de execução, rapidez e com resultados comparáveis e relacionáveis a outras grandezas físicas das propriedades dos materiais. Contudo, e tratando-se de um método de ensaio cuja intervenção humana é importante, na medição da indentação gerada por penetração mecânica através de um sistema ótico, não deixa de exibir algumas debilidades que daí advêm, como sendo o treino dos técnicos e respetivas acuidades visuais, fenómenos de fadiga visual que afetam os resultados ao longo de um turno de trabalho; ora estes fenómenos afetam a repetibilidade e reprodutibilidade dos resultados obtidos no ensaio. O CINFU possui um micro durómetro Vickers, cuja realização dos ensaios depende de um técnico treinado para a execução do mesmo, apresentando todas as debilidades já mencionadas e que o tornou elegível para o estudo e aplicação de uma solução alternativa. Assim, esta dissertação apresenta o desenvolvimento de uma solução alternativa ao método ótico convencional na medição de micro dureza Vickers. Utilizando programação em LabVIEW da National Instruments, juntamente com as ferramentas de visão computacional (NI Vision), o programa começa por solicitar ao técnico a seleção da câmara para aquisição da imagem digital acoplada ao micro durómetro, seleção do método de ensaio (Força de ensaio); posteriormente o programa efetua o tratamento da imagem (aplicação de filtros para eliminação do ruído de fundo da imagem original), segue-se, por indicação do operador, a zona de interesse (ROI) e por sua vez são identificadas automaticamente os vértices da calote e respetivas distâncias das diagonais geradas concluindo, após aceitação das mesmas, com o respetivo cálculo de micro dureza resultante. Para validação dos resultados foram utilizados blocos-padrão de dureza certificada (CRM), cujos resultados foram satisfatórios, tendo-se obtido um elevado nível de exatidão nas medições efetuadas. Por fim, desenvolveu-se uma folha de cálculo em Excel com a determinação da incerteza associada às medições de micro dureza Vickers. Foram então comparados os resultados nas duas metodologias possíveis, pelo método ótico convencional e pela utilização das ferramentas de visão computacional, tendo-se obtido bons resultados com a solução proposta.

Classificação de sons urbanos usando motifs e MFCC

A classificação automática de sons urbanos é importante para o monitoramento ambiental. Este trabalho apresenta uma nova metodologia para classificar sons urbanos, que se baseia na descoberta de padrões frequentes (motifs) nos sinais sonoros e utiliza-los como atributos para a classificação. Para extrair os motifs é utilizado um método de descoberta multi-resolução baseada em SAX. Para a classificação são usadas árvores de decisão e SVMs. Esta nova metodologia é comparada com outra bastante utilizada baseada em MFCC. Para a realização de experiências foi utilizado o dataset UrbanSound disponível publicamente. Realizadas as experiências, foi possível concluir que os atributos motif são melhores que os MFCC a discriminar sons com timbres semelhantes e que os melhores resultados são conseguidos com ambos os tipos de atributos combinados. Neste trabalho foi também desenvolvida uma aplicação móvel para Android que permite utilizar os métodos de classificação desenvolvidos num contexto de vida real e expandir o dataset.