Machine learning and small robot navigation

Developing successful navigation and mapping strategies is an essential part of autonomous robot research. However, hardware limitations often make for inaccurate systems. This project serves to investigate efficient alternatives to mapping an environment, by first creating a mobile robot, and then applying machine learning to the robot and controlling systems to increase the robustness of the robot system. My mapping system consists of a semi-autonomous robot drone in communication with a stationary Linux computer system. There are learning systems running on both the robot and the more powerful Linux system. The first stage of this project was devoted to designing and building an inexpensive robot. Utilizing my prior experience from independent studies in robotics, I designed a small mobile robot that was well suited for simple navigation and mapping research. When the major components of the robot base were designed, I began to implement my design. This involved physically constructing the base of the robot, as well as researching and acquiring components such as sensors. Implementing the more complex sensors became a time-consuming task, involving much research and assistance from a variety of sources. A concurrent stage of the project involved researching and experimenting with different types of machine learning systems. I finally settled on using neural networks as the machine learning system to incorporate into my project. Neural nets can be thought of as a structure of interconnected nodes, through which information filters. The type of neural net that I chose to use is a type that requires a known set of data that serves to train the net to produce the desired output. Neural nets are particularly well suited for use with robotic systems as they can handle cases that lie at the extreme edges of the training set, such as may be produced by "noisy" sensor data. Through experimenting with available neural net code, I became familiar with the code and its function, and modified it to be more generic and reusable for multiple applications of neural nets.

Os robots nas aulas de informática: plataformas e problemas

Desde há alguns anos que vêm sendo desenvolvidas, em vários sítios do mundo, experiências com a utilização de Robots como uma ferramenta educativa, com especial incidência ao nível do Ensino Superior e em alguns casos no Ensino Básico ou Secundário. Neste trabalho de investigação pretende-se fazer uma análise crítica sobre o uso dos robots no ensino da programação nas disciplinas de Informática do Ensino Secundário e disciplina de Inteligência Artificial da Licenciatura do Curso de Engenharia Informática. Com o objectivo de usar o robot como mediador entre o aluno e o ensino da programação, identificamos os conteúdos programáticos das diversas disciplinas do Ensino Secundário e fizemos o levantamento de ferramentas e soluções tecnológicas existentes que pudessem ser aplicadas nas aulas. Como contributo desta investigação pretende-se: (i)disponibilizar uma série de problemas adequados aos vários conteúdos programáticos, para serem utilizados nas salas de aulas; (ii) criar e optimizar ferramentas, mais concretamente plataformas de programação, para os alunos resolverem os problemas através dos robots.

Transparent access to relational, autonomous and distributed databases using semantic web and service oriented technologies

With the constant grow of enterprises and the need to share information across departments and business areas becomes more critical, companies are turning to integration to provide a method for interconnecting heterogeneous, distributed and autonomous systems. Whether the sales application needs to interface with the inventory application, the procurement application connect to an auction site, it seems that any application can be made better by integrating it with other applications. Integration between applications can face several troublesome due the fact that applications may not have been designed and implemented having integration in mind. Regarding to integration issues, two tier software systems, composed by the database tier and by the “front-end” tier (interface), have shown some limitations. As a solution to overcome the two tier limitations, three tier systems were proposed in the literature. Thus, by adding a middle-tier (referred as middleware) between the database tier and the “front-end” tier (or simply referred application), three main benefits emerge. The first benefit is related with the fact that the division of software systems in three tiers enables increased integration capabilities with other systems. The second benefit is related with the fact that any modifications to the individual tiers may be carried out without necessarily affecting the other tiers and integrated systems and the third benefit, consequence of the others, is related with less maintenance tasks in software system and in all integrated systems. Concerning software development in three tiers, this dissertation focus on two emerging technologies, Semantic Web and Service Oriented Architecture, combined with middleware. These two technologies blended with middleware, which resulted in the development of Swoat framework (Service and Semantic Web Oriented ArchiTecture), lead to the following four synergic advantages: (1) allow the creation of loosely-coupled systems, decoupling the database from “front-end” tiers, therefore reducing maintenance; (2) the database schema is transparent to “front-end” tiers which are aware of the information model (or domain model) that describes what data is accessible; (3) integration with other heterogeneous systems is allowed by providing services provided by the middleware; (4) the service request by the “frontend” tier focus on ‘what’ data and not on ‘where’ and ‘how’ related issues, reducing this way the application development time by developers.

Construindo conhecimento: utilização de robots na aprendizagem de funções

A Escola e o Ensino, através da evolução dos diferentes sistemas que os caracterizaram ao longo dos tempos, tiveram e têm por objectivo não só a transmissão de conhecimentos mas também a preparação dos cidadãos mais jovens para a sua integração na vida social da sua comunidade. A escola atravessa momentos difíceis e os papéis dos intervenientes são questionados diariamente. Tal tem dado origem a alterações e a mudanças na concepção organizacional, de estratégia e de objectivos da escola e do próprio ensino. A profissão docente deixou de ser uma mera transmissão de saber, exigindo-se muito mais ao professor. O seu papel inclui já novas questões, tais como, como ensinar?, como fazer aprender? e como motivar os outros para que queiram aprender? A evolução tecnológica e a sua integração no ensino têm sido das principais fontes para a alteração operada sobre a escola e o seu objectivo. O desenvolvimento das tecnologias de informação e de comunicação (TIC) têm vindo a proporcionar novas formas de comunicar e de transmitir informação. A habilitação profissional para a docência no ensino básico e secundário implica a Prática de Ensino Supervisionado. Para além das planificações e da implementação das metodologias adoptadas visando o processo de ensino-aprendizagem da Matemática ao nível do 10º ano de escolaridade, desenvolvemos um projecto de cariz qualitativo cujo objectivo seria a análise da aplicabilidade da robótica, na sala de aula, enquanto elemento mediador e potenciador do processo de aprendizagem no tema das funções. A revisão bibliográfica demonstra que a robótica tem merecido elogios enquanto factor motivador e elemento que faculta uma conexão entre diversas representações, nomeadamente, os conceitos teóricos e a praticabilidade. O desenvolvimento de diversas actividades com duas turmas do 10º ano de escolaridade, utilizando robots LEGO Minstorms, revelou que a robótica não só é um elemento mediador do processo ensino-aprendizagem mas também, e sobretudo, é um catalisador da motivação, cooperação e envolvência dos alunos, levando-os, numa perspectiva construcionista, a construir conhecimento e a concretizar o simbolismo abstracto presente na Matemática.

Argumentative systems in robots

Nowadays, the development of intelligent agents intends to be more refined, using improved architectures and reasoning mechanisms. Revise the beliefs of an agent is also an important subject, due to the consistency that agents should have about their knowledge. In this work we propose deliberative and argumentative agents using Lego Mindstorms robots, Argumentative NXT BDI-like Agents. These agents are built using the notions of the BDI model and they are capable to reason using the DeLP formalism. They update their knowledge base with their perceptions and revise it when necessary. Two variations are presented: the Single Argumentative NXT BDI-like Agent and the MAS Argumentative NXT BDI-like Agent.

Os robots e a geometria dinâmica no ensino das funções no 7º Ano de Escolaridade: um estudo de caso

Nesta dissertação começo por fazer uma pequena reflexão sobre a minha experiência profissional. Seguindo-se a abordagem teórica que esteve como suporte para o desenvolvimento do meu estudo de caso, implementado nas minhas quatro turmas de 7º ano, num total de 109 alunos. Este estudo, baseou-se na aplicação de duas tarefas na unidade temática das Funções utilizando as tecnologias, nomeadamente, do robot MINDSTORMS® NXT da LEGO® e do software de geometria dinâmica GeoGebra como ferramentas de introdução e consolidação de conteúdos. O propósito desta tese de mestrado centra-se na importância e na relevância da utilização destas tecnologias no ensino da Matemática, no caso específico das Funções no 7º ano. A recolha e análise dos dados para a elaboração desta tese foram baseadas exclusivamente na vivência dos alunos aquando da realização das tarefas propostas, através da grelha de observação diária, da gravação em áudio e vídeo, de fotografias, das fichas de trabalho e dos questionários, visto ter optado por uma investigação qualitativa em que a participação dos intervenientes é fundamental. Foi evidente uma aceitação positiva por parte dos alunos a estas tecnologias. Assim sendo, permitiu-me concluir que realmente a aprendizagem dos mesmos foi significativa visto que a utilização destas ferramentas facilitou a aprendizagem de alguns conceitos abordados na unidade temática das Funções.

Ensino da matemática para a vida: criação de cenários de aprendizagem com recurso a robots

A Matemática para a Vida é uma disciplina dos Currículos Específicos Individuais que pretende ajudar os alunos com Necessidades Educativas Especiais a desenvolver aptidões que aumentem as suas competências pessoais e sociais e que facilitem a sua integração na sociedade. A matriz curricular visa a promoção da autonomia de modo a termos alunos capazes de enfrentar o dia a dia sozinhos. A presente investigação procurou conhecer mais sobre a forma como alunos com Necessidades Educativas Especiais (NEE) aprendem a Matemática para a Vida, de que forma atribuem significados, o que abrangem esses significados e qual o papel dos robots na construção dessa aprendizagem. Utilizou-se uma abordagem qualitativa com recurso à observação participante. O estudo envolveu a criação de um cenário de aprendizagem composto por um robot e elementos com formas geométricas distintas, tendo como participantes duas alunas com NEE. A recolha de dados foi feita por observação direta, registos áudio e vídeo e análise dos trabalhos desenvolvidos pelas alunas. Da análise dos dados concluiu-se que o uso dos robots permitiu uma aproximação da escola às reais necessidades dos alunos com NEE, proporcionando-lhes novas oportunidades de aprendizagem e momentos de descoberta e partilha. Ao trabalharem com o robot, as alunas adquiriram novas competências e, como consequência das suas pequenas conquistas, ganharam mais autonomia, tornando-se capazes de tomar decisões face aos desafios enfrentados. A utilização do robot contribuiu ainda para o estímulo da criatividade, além de ter permitido a construção do conhecimento de acordo com o ritmo individual das alunas, ao possibilitar novas formas de pensar e de aprender.

Contribuição para o estudo da aprendizagem da matemática e da programação em comunidades virtuais de prática com foco no uso de robots como mediadores da aprendizagem

Contribuição para o Estudo da Aprendizagem da Matemática e da Programação em Comunidades Virtuais de Prática com Foco no Uso de Robots como Mediadores da Aprendizagem O propósito deste estudo, desenvolvido no âmbito de um projeto de investigação que envolveu a utilização de robots na aprendizagem colaborativa da Matemática e da Informática através da Web, é analisar e discutir a noção de participação e o processo de construção do conhecimento em comunidades virtuais de prática. O referido projeto foi desenvolvido em três etapas principais. Na primeira, foram selecionadas as ferramentas de comunicação a serem utilizadas. A segunda etapa envolveu a elaboração e contextualização dos problemas-desafio a serem resolvidos pelos grupos virtuais. A terceira e última etapa do projeto compreendeu o registo e a recolha dos dados e informações obtidos nas reuniões virtuais com grupos de alunos do Ensino Secundário e sua posterior análise, utilizando uma abordagem qualitativa de natureza interpretativa, tendo como referencial teórico a teoria da aprendizagem situada de Lave e Wenger e os conceitos subjacentes às comunidades de prática, objetivando com isto melhor compreender os efeitos das tecnologias sobre tais comunidades, bem como as características da aprendizagem realizada em espaços virtuais. A utilização de robots como mediadores da aprendizagem facilitou a exploração de conceitos abstratos fundamentais relativos às áreas da Matemática e da Informática, permitindo com isto que as tarefas de programação necessárias à resolução dos problemas propostos fizessem mais sentido, pelo facto dos resultados obtidos poderem ser concretizados no mundo real.

Os robots na aprendizagem da trignometria

Este trabalho foi elaborado no âmbito do Mestrado de Ensino de Matemática do 3º Ciclo do Ensino Básico e Secundário da Universidade da Madeira, no ano letivo de 2012/2013. Os grandes objetivos deste estudo são os de analisar qualitativamente uma atividade, para compreender como é que os alunos aprendem trigonometria, utilizando os robots NXT da Lego. De igual modo, se procede também, de forma sucinta, à apresentação do trabalho desenvolvido pelo grupo de estágio, ao longo da Prática de Ensino Supervisionado. Para a realização da investigação, foram recolhidos dados pelo investigador, através de registos audiovisuais do trabalho dos alunos, com câmara e vídeo. Com o fim de melhor estudar o problema aqui apresentado, o mesmo foi dissecado em três questões de investigação: (a) Que aprendizagens os alunos realizam com a montagem, programação e interação com os robots? (b) De que forma é que os alunos aprendem trigonometria, quando utilizam os Robots? (c) Quais as dificuldades manifestadas pelos alunos na resolução de problemas? As questões de investigação iluminaram a análise dos dados. Das conclusões que advêm deste estudo destaca-se o papel essencial da robótica e dos materiais manipuláveis, na construção e concetualização do conhecimento dos alunos.

TORP: The Open Robot Project A Framework for Module-Based Robots

The development of robots has shown itself as a very complex interdisciplinary research field. The predominant procedure for these developments in the last decades is based on the assumption that each robot is a fully personalized project, with the direct embedding of hardware and software technologies in robot parts with no level of abstraction. Although this methodology has brought countless benefits to the robotics research, on the other hand, it has imposed major drawbacks: (i) the difficulty to reuse hardware and software parts in new robots or new versions; (ii) the difficulty to compare performance of different robots parts; and (iii) the difficulty to adapt development needs-in hardware and software levels-to local groups expertise. Large advances might be reached, for example, if physical parts of a robot could be reused in a different robot constructed with other technologies by other researcher or group. This paper proposes a framework for robots, TORP (The Open Robot Project), that aims to put forward a standardization in all dimensions (electrical, mechanical and computational) of a robot shared development model. This architecture is based on the dissociation between the robot and its parts, and between the robot parts and their technologies. In this paper, the first specification for a TORP family and the first humanoid robot constructed following the TORP specification set are presented, as well as the advances proposed for their improvement.

Um sistema de visão para navegação robusta de uma plataforma robótica semi-autônoma

Large efforts have been maden by the scientific community on tasks involving locomotion of mobile robots. To execute this kind of task, we must develop to the robot the ability of navigation through the environment in a safe way, that is, without collisions with the objects. In order to perform this, it is necessary to implement strategies that makes possible to detect obstacles. In this work, we deal with this problem by proposing a system that is able to collect sensory information and to estimate the possibility for obstacles to occur in the mobile robot path. Stereo cameras positioned in parallel to each other in a structure coupled to the robot are employed as the main sensory device, making possible the generation of a disparity map. Code optimizations and a strategy for data reduction and abstraction are applied to the images, resulting in a substantial gain in the execution time. This makes possible to the high level decision processes to execute obstacle deviation in real time. This system can be employed in situations where the robot is remotely operated, as well as in situations where it depends only on itself to generate trajectories (the autonomous case)

Mapeamento robótico 2,5-D com representação em grade de ocupação-elevação

This work introduces a new method for environment mapping with three-dimensional information from visual information for robotic accurate navigation. Many approaches of 3D mapping using occupancy grid typically requires high computacional effort to both build and store the map. We introduce an 2.5-D occupancy-elevation grid mapping, which is a discrete mapping approach, where each cell stores the occupancy probability, the height of the terrain at current place in the environment and the variance of this height. This 2.5-dimensional representation allows that a mobile robot to know whether a place in the environment is occupied by an obstacle and the height of this obstacle, thus, it can decide if is possible to traverse the obstacle. Sensorial informations necessary to construct the map is provided by a stereo vision system, which has been modeled with a robust probabilistic approach, considering the noise present in the stereo processing. The resulting maps favors the execution of tasks like decision making in the autonomous navigation, exploration, localization and path planning. Experiments carried out with a real mobile robots demonstrates that this proposed approach yields useful maps for robot autonomous navigation

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