Some applications of fractional calculus in engineering

Fractional Calculus FC goes back to the beginning of the theory of differential calculus. Nevertheless, the application of FC just emerged in the last two decades, due to the progress in the area of chaos that revealed subtle relationships with the FC concepts. In the field of dynamical systems theory some work has been carried out but the proposed models and algorithms are still in a preliminary stage of establishment. Having these ideas in mind, the paper discusses FC in the study of system dynamics and control. In this perspective, this paper investigates the use of FC in the fields of controller tuning, legged robots, redundant robots, heat diffusion, and digital circuit synthesis.

Global localization with non-quantized local image features

In the field of appearance-based robot localization, the mainstream approach uses a quantized representation of local image features. An alternative strategy is the exploitation of raw feature descriptors, thus avoiding approximations due to quantization. In this work, the quantized and non-quantized representations are compared with respect to their discriminativity, in the context of the robot global localization problem. Having demonstrated the advantages of the non-quantized representation, the paper proposes mechanisms to reduce the computational burden this approach would carry, when applied in its simplest form. This reduction is achieved through a hierarchical strategy which gradually discards candidate locations and by exploring two simplifying assumptions about the training data. The potential of the non-quantized representation is exploited by resorting to the entropy-discriminativity relation. The idea behind this approach is that the non-quantized representation facilitates the assessment of the distinctiveness of features, through the entropy measure. Building on this finding, the robustness of the localization system is enhanced by modulating the importance of features according to the entropy measure. Experimental results support the effectiveness of this approach, as well as the validity of the proposed computation reduction methods.

Hand gesture recognition system based in computer vision and machine learning : applications on human-machine interaction

Sendo uma forma natural de interação homem-máquina, o reconhecimento de gestos implica uma forte componente de investigação em áreas como a visão por computador e a aprendizagem computacional. O reconhecimento gestual é uma área com aplicações muito diversas, fornecendo aos utilizadores uma forma mais natural e mais simples de comunicar com sistemas baseados em computador, sem a necessidade de utilização de dispositivos extras. Assim, o objectivo principal da investigação na área de reconhecimento de gestos aplicada à interacção homemmáquina é o da criação de sistemas, que possam identificar gestos específicos e usálos para transmitir informações ou para controlar dispositivos. Para isso as interfaces baseados em visão para o reconhecimento de gestos, necessitam de detectar a mão de forma rápida e robusta e de serem capazes de efetuar o reconhecimento de gestos em tempo real. Hoje em dia, os sistemas de reconhecimento de gestos baseados em visão são capazes de trabalhar com soluções específicas, construídos para resolver um determinado problema e configurados para trabalhar de uma forma particular. Este projeto de investigação estudou e implementou soluções, suficientemente genéricas, com o recurso a algoritmos de aprendizagem computacional, permitindo a sua aplicação num conjunto alargado de sistemas de interface homem-máquina, para reconhecimento de gestos em tempo real. A solução proposta, Gesture Learning Module Architecture (GeLMA), permite de forma simples definir um conjunto de comandos que pode ser baseado em gestos estáticos e dinâmicos e que pode ser facilmente integrado e configurado para ser utilizado numa série de aplicações. É um sistema de baixo custo e fácil de treinar e usar, e uma vez que é construído unicamente com bibliotecas de código. As experiências realizadas permitiram mostrar que o sistema atingiu uma precisão de 99,2% em termos de reconhecimento de gestos estáticos e uma precisão média de 93,7% em termos de reconhecimento de gestos dinâmicos. Para validar a solução proposta, foram implementados dois sistemas completos. O primeiro é um sistema em tempo real capaz de ajudar um árbitro a arbitrar um jogo de futebol robótico. A solução proposta combina um sistema de reconhecimento de gestos baseada em visão com a definição de uma linguagem formal, o CommLang Referee, à qual demos a designação de Referee Command Language Interface System (ReCLIS). O sistema identifica os comandos baseados num conjunto de gestos estáticos e dinâmicos executados pelo árbitro, sendo este posteriormente enviado para um interface de computador que transmite a respectiva informação para os robôs. O segundo é um sistema em tempo real capaz de interpretar um subconjunto da Linguagem Gestual Portuguesa. As experiências demonstraram que o sistema foi capaz de reconhecer as vogais em tempo real de forma fiável. Embora a solução implementada apenas tenha sido treinada para reconhecer as cinco vogais, o sistema é facilmente extensível para reconhecer o resto do alfabeto. As experiências também permitiram mostrar que a base dos sistemas de interação baseados em visão pode ser a mesma para todas as aplicações e, deste modo facilitar a sua implementação. A solução proposta tem ainda a vantagem de ser suficientemente genérica e uma base sólida para o desenvolvimento de sistemas baseados em reconhecimento gestual que podem ser facilmente integrados com qualquer aplicação de interface homem-máquina. A linguagem formal de definição da interface pode ser redefinida e o sistema pode ser facilmente configurado e treinado com um conjunto de gestos diferentes de forma a serem integrados na solução final.

Energy efficiency of quadruped gaits

This paper studies periodic gaits of quadruped locomotion systems. The purpose is to determine the best set of gait and locomotion variables during walking, for different robot velocities, based on two formulated performance measures. A set of experiments reveals the influence of the gait and locomotion variables upon the proposed indices, namely that the gait and the locomotion parameters should be adapted to the robot forward velocity.

Integer vs. fractional order control of a hexapod robot

This paper studies the performance of integer and fractional order controllers in a hexapod robot with joints at the legs having viscous friction and flexibility. For that objective the robot prescribed motion is characterized in terms of several locomotion variables. The controller performance is analised through the Nyquist stability criterion. A set of model-based experiments reveals the influence of the different controller implementations upon the proposed metrics.

Trajectory planning of redundant manipulators using genetic algorithms

The trajectory planning of redundant robots is an important area of research and efficient optimization algorithms are needed. This paper presents a new technique that combines the closed-loop pseudoinverse method with genetic algorithms. The results are compared with a genetic algorithm that adopts the direct kinematics. In both cases the trajectory planning is formulated as an optimization problem with constraints.

Fractional dynamics in the trajectory control of redundant manipulators

Under the pseudoinverse control, robots with kinematical redundancy exhibit an undesirable chaotic joint motion which leads to an erratic behavior. This paper studies the complexity of fractional dynamics of the chaotic response. Fourier and wavelet analysis provides a deeper insight, helpful to know better the lack of repeatability problem of redundant manipulators. This perspective for the study of the chaotic phenomena will permit the development of superior trajectory control algorithms.

Manipulator trajectory planning using a MOEA

Generating manipulator trajectories considering multiple objectives and obstacle avoidance is a non-trivial optimization problem. In this paper a multi-objective genetic algorithm based technique is proposed to address this problem. Multiple criteria are optimized considering up to five simultaneous objectives. Simulation results are presented for robots with two and three degrees of freedom, considering two and five objectives optimization. A subsequent analysis of the spread and solutions distribution along the converged non-dominated Pareto front is carried out, in terms of the achieved diversity.

Projeto, desenvolvimento e implementação de um robô nadador de inspiração biológica

A elaboração deste trabalho surge no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação, pertencente ao Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e Computadores, ramo de Automação e Sistemas, do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). Este trabalho enquadra-se no âmbito da robótica de inspiração biológica no meio aquático. Pretendeu-se com este trabalho desenvolver e implementar um robô nadador de inspiração biológica. Inicialmente foi realizado um estudo acerca da locomoção dos peixes, para perceber a sua forma de se movimentar. Foi ainda efetuado um estudo acerca dos robôs nadadores existentes, de forma a verificar a sua constituição e formas de locomoção. Numa fase inicial foi desenvolvido um protótipo e, de seguida, procedeu-se à implementação do robô de uma forma sequencial. Implementou-se a estrutura do robô, com o objetivo de se assemelhar o mais possível com um peixe biológico. Foram utilizados servomotores para a locomoção do robô. Para que o robô possua a capacidade de se movimentar numa determinada direção recorreu-se à utilização de uma bússola digital. Posteriormente introduziu-se um emissor/recetor de radiofrequência (RF) para ligar/desligar o robô. Numa fase final procederam-se aos testes da locomoção do robô. Nos ensaios realizados verificou-se que o robô conseguiu nadar com estabilidade e com sentido de direção.

Enhanced PCA-based localization using depth maps with missing data

In this paper a new method for self-localization of mobile robots, based on a PCA positioning sensor to operate in unstructured environments, is proposed and experimentally validated. The proposed PCA extension is able to perform the eigenvectors computation from a set of signals corrupted by missing data. The sensor package considered in this work contains a 2D depth sensor pointed upwards to the ceiling, providing depth images with missing data. The positioning sensor obtained is then integrated in a Linear Parameter Varying mobile robot model to obtain a self-localization system, based on linear Kalman filters, with globally stable position error estimates. A study consisting in adding synthetic random corrupted data to the captured depth images revealed that this extended PCA technique is able to reconstruct the signals, with improved accuracy. The self-localization system obtained is assessed in unstructured environments and the methodologies are validated even in the case of varying illumination conditions.

TV Recommendation and Personalization Systems: Integrating Broadcast and Video On-demand Services

he expansion of Digital Television and the convergence between conventional broadcasting and television over IP contributed to the gradual increase of the number of available channels and on demand video content. Moreover, the dissemination of the use of mobile devices like laptops, smartphones and tablets on everyday activities resulted in a shift of the traditional television viewing paradigm from the couch to everywhere, anytime from any device. Although this new scenario enables a great improvement in viewing experiences, it also brings new challenges given the overload of information that the viewer faces. Recommendation systems stand out as a possible solution to help a watcher on the selection of the content that best fits his/her preferences. This paper describes a web based system that helps the user navigating on broadcasted and online television content by implementing recommendations based on collaborative and content based filtering. The algorithms developed estimate the similarity between items and users and predict the rating that a user would assign to a particular item (television program, movie, etc.). To enable interoperability between different systems, programs characteristics (title, genre, actors, etc.) are stored according to the TV-Anytime standard. The set of recommendations produced are presented through a Web Application that allows the user to interact with the system based on the obtained recommendations.

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.

Desenvolvimento de um robô com pernas inspirado no Alfaiate

A elaboração deste trabalho surge no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação, integrada no Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores do Instituto Superior de Engenharia do Porto. O trabalho enquadra-se no âmbito da robótica de inspiração biológica, mais concretamente no desenvolvimento de um robô que apresente caraterísticas de locomoção similares ao inseto Alfaiate, modificando para este efeito um robô hexápode já existente. Inicialmente efetuou-se um estudo sobre a biologia do Alfaiate e dos vários tipos de padrões de locomoção adotados pelos animais. De seguida foi realizado um estudo sobre alguns robôs já existentes inspirados neste inseto. Após a realização desta fase de estudo, foram implementadas modificações ao robô hexápode, de forma a este conseguir apoiar-se e movimentar-se sobre a superfície da água. Para tal foram utilizados apoios em esferovite para as pernas, servomotores para a atuação e um sensor de IRPD para orientar o robô na sua trajetória. Em termos de controlo da estabilidade do corpo utilizou-se um giroscópio para permitir ao robô manter o seu corpo horizontal durante a locomoção em águas agitadas. Este trabalho termina com a realização de testes a diferentes padrões de locomoção, de forma a validar o que apresenta a melhor resposta em termos de velocidade.

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

Desenvolvimento de programação offline e de novos processos robotizados de lixamento

Atualmente a vantagem competitiva de uma empresa passa pela sua rápida adaptação às variações de procura do mercado, sendo necessário garantir elevados níveis de produtividade e, simultaneamente, grande flexibilidade, indispensável ao fabrico de pequenos lotes. A necessidade de ajuste do processo e a diminuição da média de vida do produto levam a paragens cada vez mais frequentes da célula de fabrico para programação e afinação, com consequentes perdas de produtividade. De forma a dar resposta a estes problemas, neste trabalho é testada a viabilidade da utilização da programação e simulação offline de tarefas de lixamento na Grohe Portugal, complementando a solução com o desenvolvimento de um novo método de afinação do programa, permitindo uma adaptação às flutuações do processo produtivo. Para isso foi necessário analisar o estado da arte dos robôs industriais na área de acabamento superficial e respetivos métodos de programação. Em seguida, após um trabalho prévio rigoroso de preparação e modelação da célula de trabalho, é possível fazer a programação offline das várias rotinas e trajetórias complexas que compõem um ciclo de lixamento de um produto, contribuindo para o aumento da qualidade do produto final sem comprometer os níveis de produtividade. Nesta dissertação são descritos e detalhados alguns dos procedimentos fulcrais no sucesso da aplicação deste método de programação. Por último é feita uma nova abordagem ao método de ajuste ponto-a-ponto convencional, desenvolvendo-se para isso um sistema de ajuste automático do programa, dotando o robô da capacidade de se adaptar às variações do processo, assegurando a consistência do mesmo. Foram realizados testes em pequena escala, extrapolando-se os resultados para a aplicação deste novo método no processo produtivo da Grohe Portugal, como forma de complemento ao método convencional de ajuste ponto-a-ponto do programa, reduzindo o tempo de paragem da célula de trabalho.