Environmental modeling with precision navigation using ROAZ autonomous surface vehicle

The use of robotic vehicles for environmental modeling is discussed. This paper presents diverse results in autonomous marine missions with the ROAZ autonomous surface vehicle. The vehicle can perform autonomous missions while gathering marine data with high inertial and positioning precision. The underwater world is an, economical and environmental, asset that need new tools to study and preserve it. ROAZ is used in marine environment missions since it can sense and monitor the surface and underwater scenarios. Is equipped with a diverse set of sensors, cameras and underwater sonars that generate 3D environmental models. It is used for study the marine life and possible underwater wrecks that can pollute or be a danger to marine navigation. The 3D model and integration of multibeam and sidescan sonars represent a challenge in nowadays. Adding that it is important that robots can explore an area and make decisions based on their surroundings and goals. Regard that, autonomous robotic systems can relieve human beings of repetitive and dangerous tasks.

Towards a Mobile Three-dimensional Modelling System for Underground Structures

Robotica 2012: 12th International Conference on Autonomous Robot Systems and Competitions April 11, 2012, Guimarães, Portugal

Application of Visual-Inertial SLAM for 3D Mapping of Underground Environments

The underground scenarios are one of the most challenging environments for accurate and precise 3d mapping where hostile conditions like absence of Global Positioning Systems, extreme lighting variations and geometrically smooth surfaces may be expected. So far, the state-of-the-art methods in underground modelling remain restricted to environments in which pronounced geometric features are abundant. This limitation is a consequence of the scan matching algorithms used to solve the localization and registration problems. This paper contributes to the expansion of the modelling capabilities to structures characterized by uniform geometry and smooth surfaces, as is the case of road and train tunnels. To achieve that, we combine some state of the art techniques from mobile robotics, and propose a method for 6DOF platform positioning in such scenarios, that is latter used for the environment modelling. A visual monocular Simultaneous Localization and Mapping (MonoSLAM) approach based on the Extended Kalman Filter (EKF), complemented by the introduction of inertial measurements in the prediction step, allows our system to localize himself over long distances, using exclusively sensors carried on board a mobile platform. By feeding the Extended Kalman Filter with inertial data we were able to overcome the major problem related with MonoSLAM implementations, known as scale factor ambiguity. Despite extreme lighting variations, reliable visual features were extracted through the SIFT algorithm, and inserted directly in the EKF mechanism according to the Inverse Depth Parametrization. Through the 1-Point RANSAC (Random Sample Consensus) wrong frame-to-frame feature matches were rejected. The developed method was tested based on a dataset acquired inside a road tunnel and the navigation results compared with a ground truth obtained by post-processing a high grade Inertial Navigation System and L1/L2 RTK-GPS measurements acquired outside the tunnel. Results from the localization strategy are presented and analyzed.

Field experiments for marine casualty detection with autonomous surface vehicles

In this paper we present a set of field tests for detection of human in the water with an unmanned surface vehicle using infrared and color cameras. These experiments aimed to contribute in the development of victim target tracking and obstacle avoidance for unmanned surface vehicles operating in marine search and rescue missions. This research is integrated in the work conducted in the European FP7 research project Icarus aiming to develop robotic tools for large scale rescue operations. The tests consisted in the use of the ROAZ unmanned surface vehicle equipped with a precision GPS system for localization and both visible spectrum and IR cameras to detect the target. In the experimental setup, the test human target was deployed in the water wearing a life vest and a diver suit (thus having lower temperature signature in the body except hands and head) and was equipped with a GPS logger. Multiple target approaches were performed in order to test the system with different sun incidence relative angles. The experimental setup, detection method and preliminary results from the field trials performed in the summer of 2013 in Sesimbra, Portugal and in La Spezia, Italy are also presented in this work.

TIGRE - An autonomous ground robot for outdoor exploration

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

Real-Time Visual Ground-Truth System for Indoor Robotic Applications

The robotics community is concerned with the ability to infer and compare the results from researchers in areas such as vision perception and multi-robot cooperative behavior. To accomplish that task, this paper proposes a real-time indoor visual ground truth system capable of providing accuracy with at least more magnitude than the precision of the algorithm to be evaluated. A multi-camera architecture is proposed under the ROS (Robot Operating System) framework to estimate the 3D position of objects and the implementation and results were contextualized to the Robocup Middle Size League scenario.

High-Accuracy Low-Cost RTK-GPS for an Unmanned Surface Vehicle

This work presents a low cost RTK-GPS system for localization of unmanned surface vehicles. The system is based on the use of standard low cost L1 band receivers and in the RTKlib open source software library. Mission scenarios with multiple robotic vehicles are addressed as the ones envisioned in the ICARUS search and rescue case where the possibility of having a moving RTK base on a large USV and multiple smaller vehicles acting as rovers in a local communication network allows for local relative localization with high quality. The approach is validated in operational conditions with results presented for moving base scenario. The system was implemented in the SWIFT USV with the ROAZ autonomous surface vehicle acting as a moving base. This setup allows for the performing of a missions in a wider range of environments and applications such as precise 3D environment modeling in contained areas and multiple robot operations.

Formation Control Driven by Cooperative Object Tracking

In this paper we introduce a formation control loop that maximizes the performance of the cooperative perception of a tracked target by a team of mobile robots, while maintaining the team in formation, with a dynamically adjustable geometry which is a function of the quality of the target perception by the team. In the formation control loop, the controller module is a distributed non-linear model predictive controller and the estimator module fuses local estimates of the target state, obtained by a particle filter at each robot. The two modules and their integration are described in detail, including a real-time database associated to a wireless communication protocol that facilitates the exchange of state data while reducing collisions among team members. Simulation and real robot results for indoor and outdoor teams of different robots are presented. The results highlight how our method successfully enables a team of homogeneous robots to minimize the total uncertainty of the tracked target cooperative estimate while complying with performance criteria such as keeping a pre-set distance between the teammates and the target, avoiding collisions with teammates and/or surrounding obstacles.

Uncertainty based Multi-Robot Cooperative Triangulation

The paper presents a multi-robot cooperative framework to estimate the 3D position of dynamic targets, based on bearing-only vision measurements. The uncertainty of the observation provided by each robot equipped with a bearing-only vision system is effectively addressed for cooperative triangulation purposes by weighing the contribution of each monocular bearing ray in a probabilistic manner. The envisioned framework is evaluated in an outdoor scenario with a team of heterogeneous robots composed of an Unmanned Ground and Aerial Vehicle.

Estado da Arte da Computação Evolutiva Aplicada à Eletrónica

A Computação Evolutiva enquadra-se na área da Inteligência Artificial e é um ramo das ciências da computação que tem vindo a ser aplicado na resolução de problemas em diversas áreas da Engenharia. Este trabalho apresenta o estado da arte da Computação Evolutiva, assim como algumas das suas aplicações no ramo da eletrónica, denominada Eletrónica Evolutiva (ou Hardware Evolutivo), enfatizando a síntese de circuitos digitais combinatórios. Em primeiro lugar apresenta-se a Inteligência Artificial, passando à Computação Evolutiva, nas suas principais vertentes: os Algoritmos Evolutivos baseados no processo da evolução das espécies de Charles Darwin e a Inteligência dos Enxames baseada no comportamento coletivo de alguns animais. No que diz respeito aos Algoritmos Evolutivos, descrevem-se as estratégias evolutivas, a programação genética, a programação evolutiva e com maior ênfase, os Algoritmos Genéticos. Em relação à Inteligência dos Enxames, descreve-se a otimização por colônia de formigas e a otimização por enxame de partículas. Em simultâneo realizou-se também um estudo da Eletrónica Evolutiva, explicando sucintamente algumas das áreas de aplicação, entre elas: a robótica, as FPGA, o roteamento de placas de circuito impresso, a síntese de circuitos digitais e analógicos, as telecomunicações e os controladores. A título de concretizar o estudo efetuado, apresenta-se um caso de estudo da aplicação dos algoritmos genéticos na síntese de circuitos digitais combinatórios, com base na análise e comparação de três referências de autores distintos. Com este estudo foi possível comparar, não só os resultados obtidos por cada um dos autores, mas também a forma como os algoritmos genéticos foram implementados, nomeadamente no que diz respeito aos parâmetros, operadores genéticos utilizados, função de avaliação, implementação em hardware e tipo de codificação do circuito.

Simulação de Robôs Quadrúpedes Utilizando o SimMechanics

Desde sempre o Homem procurou automatizar tarefas repetitivas. Tanto na indústria como no sector doméstico ou de comércio estão constantemente a surgir novos equipamentos procurando aumentar o nível de automação de diversas tarefas. A necessidade de empresas criadoras de produtos inovadores se manterem concorrenciais obrigou à adopção de métodos de projecto e planeamento mais estruturados e eficientes que eliminem os desperdícios tanto de material como de tempo. Diversas construções em termos orçamentais e o aumento da procura de produtos de alta qualidade a baixo custo deu origem a um novo tipo de programas, os programas de simulação virtual. Tal como na indústria, também na investigação nas Instituições de Ensino Superior se procuram adoptar os métodos de trabalho mais eficientes possíveis. Uma parte dos programas de simulação robótica utilizados hoje em dia na investigação no Instituto Superior de Engenharia do Porto estão concebidos em linguagem C. Embora esta linguagem seja extremamente capaz, existem métodos mais adequados de simulação que aceleram o processo de modelação permitindo a visualização do movimento e simulação de diversas situações potencialmente criticas sem existir a necessidade de construção de um protótipo funcional do robô. Durante o último ano, este projecto permitiu construir um modelo de um robô quadrúpede num programa de simulação virtual chamado Simmechanics™. Embora haja já algum trabalho desenvolvido nesta área, constatou-se que a informação existente possuía algumas lacunas. Com o trabalho desenvolvido preparou-se esta dissertação que pretende clarificar algumas questões que surgem na modelação de um robô. Neste documento explica-se como modelar um robô de corpo flexível, modelar as pernas e as respectivas juntas da anca e do joelho assim como também se apresenta a modelação de um contacto com o solo recorrendo a um modelo descrito na literatura. Este documento foi escrito a pensar no leitor, procurando-se explicar de forma simples mas concisa os diversos passos necessários para construir um modelo virtual de um robô. O autor espera, desta forma, ajudar futuros colegas que pretendam trabalhar com o Simmechanics™ a mais facilmente se integrarem com o programa aumentando desta forma o declive da curva de aprendizagem e permitindo um maior aproveitamento desta ferramenta.

TURTLE: Systems and technologies for deep ocean long term presence

This paper describes the TURTLE project that aim to develop sub-systems with the capability of deep-sea long-term presence. Our motivation is to produce new robotic ascend and descend energy efficient technologies to be incorporated in robotic vehicles used by civil and military stakeholders for underwater operations. TURTLE contribute to the sustainable presence and operations in the sea bottom. Long term presence on sea bottom, increased awareness and operation capabilities in underwater sea and in particular on benthic deeps can only be achieved through the use of advanced technologies, leading to automation of operation, reducing operational costs and increasing efficiency of human activity.

Comparing the performance of geostatistical models with additional information from covariates for sewage plume characterization

In this work, kriging with covariates is used to model and map the spatial distribution of salinity measurements gathered by an autonomous underwater vehicle in a sea outfall monitoring campaign aiming to distinguish the effluent plume from the receiving waters and characterize its spatial variability in the vicinity of the discharge. Four different geostatistical linear models for salinity were assumed, where the distance to diffuser, the west-east positioning, and the south-north positioning were used as covariates. Sample variograms were fitted by the Mat`ern models using weighted least squares and maximum likelihood estimation methods as a way to detect eventual discrepancies. Typically, the maximum likelihood method estimated very low ranges which have limited the kriging process. So, at least for these data sets, weighted least squares showed to be the most appropriate estimation method for variogram fitting. The kriged maps show clearly the spatial variation of salinity, and it is possible to identify the effluent plume in the area studied. The results obtained show some guidelines for sewage monitoring if a geostatistical analysis of the data is in mind. It is important to treat properly the existence of anomalous values and to adopt a sampling strategy that includes transects parallel and perpendicular to the effluent dispersion.

Projeto e desenvolvimento de células robotizadas para soldadura e cladding

A utilização de equipamentos robóticos para o processo de soldadura por arco elétrico teve um forte crescimento nas décadas de 80 e 90, altura em que o custo e fiabilidade da tecnologia passou a permitir a integração de robôs em linhas de produção ou em células de fabrico. Depressa cresceram as exigências de uma produção com qualidade repetitiva e facilmente ajustável, e as restrições ao uso de processos manuais ou de tecnologias com pouca flexibilidade. Desde o início do século XXI que a renovação de uma estação de fabrico de peças soldadas para produção em série, especialmente no setor automóvel, parece forçada à integração de robôs industriais, que assim se tornaram símbolos de produtividade. A KAMAZ encontra-se atualmente a renovar alguns dos seus processos de fabrico, incluindo as áreas de soldadura por arco ou cladding. Esta Dissertação aborda o trabalho elaborado, depois de contratualizada com a ABB Rússia a instalação de novas células de fabrico robotizado nesta empresa. Este projeto tem início com o levantamento das necessidades, a verificação do processo existente, e a procura da solução tecnológica que se adapte a essas condições e cumpra os requisitos acordados. São realizadas modelações e simulações off-line em 3D, usando o software RobotStudio da ABB, que permitiram testar cada solução e analisar a sua adequação e viabilidade. Para maior garantia de se obter a qualidade esperada na fusão e deposição do material por processo com arco elétrico revestido a gás, foram realizados testes reais utilizando equipamento robótico em condições baseadas nos testes feitos no ambiente virtual. Por último, são ajustadas as localizações dos postos de trabalho ao layout existente e é feito o balanceamento do tempo de operação manual com o tempo do processo robotizado. Este projeto de Tese termina com a aceitação do cliente para a solução encontrada e para os resultados dos testes reais de ambos os processos.

Melhoria e automação de linhas de montagem

Hoje em dia, e com os avanços tecnológicos a surgirem de forma constante, existem novas áreas que têm de ser consideradas com um foco importante por parte de todas as organizações, sendo uma delas a robótica industrial. Motivada em aumentar o seu output, as condições de trabalho para os seus colaboradores, bem como todas as condições de organização da logística interna, a Grohe Portugal, mais especificamente o departamento da montagem, achou relevante fazer um estudo de métodos e tempos, calculando os ganhos potenciais de aumento de output com introdução de robótica nas linhas dos cartuchos. Os objetivos principais seriam então, fazer uma restruturação de todo o layout dessas linhas, tendo como foco automatizar alguma(s) operação(ões), conseguindo assim uma melhoria significativa do output dessas linhas com o menor payback possível. Posto isto, esta dissertação pretende apresentar o trabalho desenvolvido junto da Grohe Portugal, que teve como objetivo fazer os estudos e a automatização de linhas de montagem de cartuchos, bem como melhorar algumas linhas de montagem tendo em conta fatores ergonómicos. Relativamente à automatização da linha dos cartuchos, foi importante estudar todos os seguintes aspetos:  utilização de unidades robóticas;  ergonomia;  ganhos de produtividade;  automatizar ou semi-automatizar operações;  simplificar processos de montagem;  simplificar setups;  solicitar orçamentos;  elaborar caderno de encargos. Para a realização deste projeto, o trabalho desenvolvido foi decomposto em várias etapas, entre as quais se destacam:  análise e estudo dos métodos e sequências de montagem;  levantamento de todos os componentes e operações de montagem até à obtenção do cartucho final;  estudo de tempos de todas essas operações de montagem;  caraterização de um novo layout para as linhas com a introdução de unidades robóticas, tanto quanto possível, mais adequadas;  elaboração de caderno de encargos para ser enviado a empresas, para estas poderem apresentar uma orçamentação, bem como indicar as unidades robóticas mais adequadas para as tarefas pretendidas;  automatização da linha dos cartuchos. Relativamente ao projeto de novas linhas de montagem tendo em conta fatores ergonómicos, de forma a melhorar os sistemas de abastecimento e as condições de trabalho por parte dos operadores, foram postos em prática diferentes passos, nomeadamente:  identificação de todos os processos de montagem realizados pelos operadores na linha a melhorar;  estudo e definição da disposição dos componentes na nova linha, bem como a sua forma de abastecimento;  projeto da nova linha de montagem em 3D com recurso ao software SolidWorks;  realização prática da linha, acompanhando e ajudando a equipa da ferramentaria. O balanço final do trabalho foi bastante positivo, tanto na automatização das linhas de montagem dos cartuchos, em que todo o seu estudo foi alcançado com sucesso, como no melhoramento ergonómico das linhas de montagem, tendo-se alcançado melhorias em alguns índices de qualidade, tempos de abastecimento, organização das linhas, e nas condições de iluminação, resultando essas melhorias numa avaliação positiva por parte dos colaboradores que nelas trabalham todos os dias.