Sistema de localização de um veículo autónomo terrestre

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores.

Energy resource management in smart grids considering an Intensive use of electric vehicles

The introduction of electricity markets and integration of Distributed Generation (DG) have been influencing the power system’s structure change. Recently, the smart grid concept has been introduced, to guarantee a more efficient operation of the power system using the advantages of this new paradigm. Basically, a smart grid is a structure that integrates different players, considering constant communication between them to improve power system operation and management. One of the players revealing a big importance in this context is the Virtual Power Player (VPP). In the transportation sector the Electric Vehicle (EV) is arising as an alternative to conventional vehicles propel by fossil fuels. The power system can benefit from this massive introduction of EVs, taking advantage on EVs’ ability to connect to the electric network to charge, and on the future expectation of EVs ability to discharge to the network using the Vehicle-to-Grid (V2G) capacity. This thesis proposes alternative strategies to control these two EV modes with the objective of enhancing the management of the power system. Moreover, power system must ensure the trips of EVs that will be connected to the electric network. The EV user specifies a certain amount of energy that will be necessary to charge, in order to ensure the distance to travel. The introduction of EVs in the power system turns the Energy Resource Management (ERM) under a smart grid environment, into a complex problem that can take several minutes or hours to reach the optimal solution. Adequate optimization techniques are required to accommodate this kind of complexity while solving the ERM problem in a reasonable execution time. This thesis presents a tool that solves the ERM considering the intensive use of EVs in the smart grid context. The objective is to obtain the minimum cost of ERM considering: the operation cost of DG, the cost of the energy acquired to external suppliers, the EV users payments and remuneration and penalty costs. This tool is directed to VPPs that manage specific network areas, where a high penetration level of EVs is expected to be connected in these areas. The ERM is solved using two methodologies: the adaptation of a deterministic technique proposed in a previous work, and the adaptation of the Simulated Annealing (SA) technique. With the purpose of improving the SA performance for this case, three heuristics are additionally proposed, taking advantage on the particularities and specificities of an ERM with these characteristics. A set of case studies are presented in this thesis, considering a 32 bus distribution network and up to 3000 EVs. The first case study solves the scheduling without considering EVs, to be used as a reference case for comparisons with the proposed approaches. The second case study evaluates the complexity of the ERM with the integration of EVs. The third case study evaluates the performance of scheduling with different control modes for EVs. These control modes, combined with the proposed SA approach and with the developed heuristics, aim at improving the quality of the ERM, while reducing drastically its execution time. The proposed control modes are: uncoordinated charging, smart charging and V2G capability. The fourth and final case study presents the ERM approach applied to consecutive days.

Sistema de percepção visual para veículos autónomos aéreos

Esta dissertação aborda o problema de detecção e desvio de obstáculos "SAA- Sense And Avoid" em movimento para veículos aéreos. Em particular apresenta contribuições tendo em vista a obtenção de soluções para permitir a utilização de aeronaves não tripuladas em espaço aéreo não segregado e para aplicações civis. Estas contribuições caracterizam-se por: uma análise do problema de SAA em \UAV's - Unmmaned Aerial Vehicles\ civis; a definição do conceito e metodologia para o projecto deste tipo de sistemas; uma proposta de \ben- chmarking\ para o sistema SAA caracterizando um conjunto de "datasets\ adequados para a validação de métodos de detecção; respectiva validação experimental do processo e obtenção de "datasets"; a análise do estado da arte para a detecção de \Dim point features\ ; o projecto de uma arquitectura para uma solução de SAA incorporando a integração de compensação de \ego motion" e respectiva validação para um "dataset" recolhido. Tendo em vista a análise comparativa de diferentes métodos bem como a validação de soluções foi proposta a recolha de um conjunto de \datasets" de informação sensorial e de navegação. Para os mesmos foram definidos um conjunto de experiências e cenários experimentais. Foi projectado e implementado um setup experimental para a recolha dos \datasets" e realizadas experiências de recolha recorrendo a aeronaves tripuladas. O setup desenvolvido incorpora um sistema inercial de alta precisão, duas câmaras digitais sincronizadas (possibilitando análise de informa formação stereo) e um receptor GPS. As aeronaves alvo transportam um receptor GPS com logger incorporado permitindo a correlação espacial dos resultados de detecção. Com este sistema foram recolhidos dados referentes a cenários de aproximação com diferentes trajectórias e condições ambientais bem como incorporando movimento do dispositivo detector. O método proposto foi validado para os datasets recolhidos tendo-se verificado, numa análise preliminar, a detecção do obstáculo (avião ultraleve) em todas as frames para uma distância inferior a 3 km com taxas de sucesso na ordem dos 95% para distâncias entre os 3 e os 4 km. Os resultados apresentados permitem validar a arquitectura proposta para a solução do problema de SAA em veículos aéreos autónomos e abrem perspectivas muito promissoras para desenvolvimento futuro com forte impacto técnico-científico bem como sócio-economico. A incorporação de informa formação de \ego motion" permite fornecer um forte incremento em termos de desempenho.

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.

Sistema de busca e salvamento baseado em múltiplos veículos terrestres

Esta dissertação visa o desenvolvimento de um sistema de busca e salvamento baseado em múltiplos veículos terrestres, utilizando para tal os veículos LINCE do Laboratório de Sistemas Autónomos. Tendo como principal propósito conferir autonomia aos veículos, foram estudados possíveis cenários de actuação, para determinar as principais funcionalidades requeridas do sistema. Foram também estudadas metodologias de análise e caracterização de sistemas multirobóticos, baseadas no estado da arte existente, e foi elaborada a arquitectura conceptual do sistema e dos veículos a desenvolver. A preparação dos veículos abordou o estudo das possíveis soluções sensoriais e de actuação, e o desenvolvimento de uma arquitectura de hardware capaz de interligar todos os periféricos dos mesmos. Foram adaptados novos sensores e actuadores, e desenvolvidos alguns desses sensores. Para a interligação e manutenção dos mesmos foram ainda desenvolvidos novos periféricos de interface e controlo, e periféricos de gestão de energia. Por fim, foi ainda adaptado um gestor de missões nos veículos, capaz de receber a especificação das mesmas.

Sistema de modelização tridimensional para ambientes não estruturados

A navegação de veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um problema em aberto. A complexidade do mundo real ainda é um desafio. A difícil caracterização do relevo irregular, dos objectos dinâmicos e pouco distintos(e a inexistência de referências de localização) tem sido alvo de estudo e do desenvolvimento de vários métodos que permitam de uma forma eficiente, e em tempo real, modelizar o espaço tridimensional. O trabalho realizado ao longo desta dissertação insere-se na estratégia do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) na pesquisa e desenvolvimento de sistemas sensoriais que possibilitem o aumento da capacidade de percepção das plataformas robóticas. O desenvolvimento de um sistema de modelização tridimensional visa acrescentar aos projectos LINCE (Land INtelligent Cooperative Explorer) e TIGRE (Terrestrial Intelligent General proposed Robot Explorer) maior autonomia e capacidade de exploração e mapeamento. Apresentamos alguns sensores utilizados para a aquisição de modelos tridimensionais, bem como alguns dos métodos mais utilizados para o processo de mapeamento, e a sua aplicação em plataformas robóticas. Ao longo desta dissertação são apresentadas e validadas técnicas que permitem a obtenção de modelos tridimensionais. É abordado o problema de analisar a cor e geometria dos objectos, e da criação de modelos realistas que os representam. Desenvolvemos um sistema que nos permite a obtenção de dados volumétricos tridimensionais, a partir de múltiplas leituras de um Laser Range Finder bidimensional de médio alcance. Aos conjuntos de dados resultantes associamos numa nuvem de pontos coerente e referenciada. Foram desenvolvidas e implementadas técnicas de segmentação que permitem inspeccionar uma nuvem de pontos e classifica-la quanto às suas características geométricas, bem como ao tipo de estruturas que representem. São apresentadas algumas técnicas para a criação de Mapas de Elevação Digital, tendo sido desenvolvida um novo método que tira partido da segmentação efectuada

Monitorization of alveolar deposited surface area of nanoparticles and ultrafine particles in different environments

Nanotechnology is an important emerging industry with a projected annual market of around one trillion dollars by 2015. It involves the control of atoms and molecules to create new materials with a variety of useful functions. Although there are advantages on the utilization of these nano-scale materials, questions related with its impact over the environment and human health must be addressed too, so that potential risks can be limited at early stages of development. At this time, occupational health risks associated with manufacturing and use of nanoparticles are not yet clearly understood. However, workers may be exposed to nanoparticles through inhalation at levels that can greatly exceed ambient concentrations. Current workplace exposure limits are based on particle mass, but this criteria could not be adequate in this case as nanoparticles are characterized by very large surface area, which has been pointed out as the distinctive characteristic that could even turn out an inert substance into another substance exhibiting very different interactions with biological fluids and cells. Therefore, it seems that, when assessing human exposure based on the mass concentration of particles, which is widely adopted for particles over 1 μm, would not work in this particular case. In fact, nanoparticles have far more surface area for the equivalent mass of larger particles, which increases the chance they may react with body tissues. Thus, it has been claimed that surface area should be used for nanoparticle exposure and dosing. As a result, assessing exposure based on the measurement of particle surface area is of increasing interest. It is well known that lung deposition is the most efficient way for airborne particles to enter the body and cause adverse health effects. If nanoparticles can deposit in the lung and remain there, have an active surface chemistry and interact with the body, then, there is potential for exposure. It was showed that surface area plays an important role in the toxicity of nanoparticles and this is the metric that best correlates with particle-induced adverse health effects. The potential for adverse health effects seems to be directly proportional to particle surface area. The objective of the study is to identify and validate methods and tools for measuring nanoparticles during production, manipulation and use of nanomaterials.

Static and hydrodynamic monitoring of citalopram based on its electro-oxidation behavior at a glassy-carbon surface

The electrooxidative behavior of citalopram (CTL) in aqueous media was studied by cyclic voltammetry (CV) and square-wave voltammetry (SWV) at a glassy-carbon electrode. The electrochemical behaviour of CTL involves two electrons and two protons in the irreversible and diffusion controlled oxidation of the tertiary amine group. The maximum analytical signal was obtained in a phosphate buffer (pH ¼ 8.2). For analytical purposes, an SWV method and a flow-injection analysis (FIA) system with amperometric detection were developed. The optimised SWV method showed a linear range between 1.10 10 5–1.20 10 4 molL 1, with a limit of detection (LOD) of 9.5 10 6 molL 1. Using the FIA method, a linear range between 2.00 10 6–9.00 10 5 molL 1 and an LODof 1.9 10 6 molL 1 were obtained. The validation of both methods revealed good performance characteristics confirming applicability for the quantification of CTL in several pharmaceutical products.

Agar extraction from integrated multitrophic aquacultured Gracilaria vermiculophylla: Evaluation of a microwave-assisted process using response surface methodology

Microwave-assisted extraction (MAE) of agar from Gracilaria vermiculophylla, produced in an integrated multitrophic aquaculture (IMTA) system, from Ria de Aveiro (northwestern Portugal), was tested and optimized using response surface methodology. The influence of the MAE operational parameters (extraction time, temperature, solvent volume and stirring speed) on the physical and chemical properties of agar (yield, gel strength, gelling and melting temperatures, as well as, sulphate and 3,6-anhydro-Lgalactose contents) was evaluated in a 2^4 orthogonal composite design. The quality of the extracted agar compared favorably with the attained using traditional extraction (2 h at 85ºC) while reducing drastically extraction time, solvent consumption and waste disposal requirements. Agar MAE optimum results were: an yield of 14.4 ± 0.4%, a gel strength of 1331 ± 51 g/cm2, 40.7 ± 0.2 _C gelling temperature, 93.1 ± 0.5ºC melting temperature, 1.73 ± 0.13% sulfate content and 39.4 ± 0.3% 3,6-anhydro-L-galactose content. Furthermore, this study suggests the feasibility of the exploitation of G. vermiculophylla grew in IMTA systems for agar production.

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).

Pilot monitoring study of ibuprofen in surface waters of north of Portugal

Ibuprofen is amongst the most worldwide consumed pharmaceuticals. The present work presents the first data in the occurrence of ibuprofen in Portuguese surface waters, focusing in the north area of the country, which is one of the most densely populated areas of Portugal. Analysis of ibuprofen is based on pre-concentration of the analyte with solid phase extraction and subsequent determination with liquid chromatography coupled to fluorescence detection. A total of 42 water samples, including surface waters, landfill leachates,Wastewater Treatment Plant (WWTP), and hospital effluents, were analyzed in order to evaluate the occurrence of ibuprofen in the north of Portugal. In general, the highest concentrations were found in the river mouths and in the estuarine zone. The maximum concentrations found were 48,720 ngL−1 in the landfill leachate, 3,868 ngL−1 in hospital effluent, 616 ngL−1 in WWTP effluent, and 723 ngL−1 in surface waters (Lima river). Environmental risk assessment was evaluated and at the measured concentrations only landfill leachates reveal potential ecotoxicological risk for aquatic organisms. Owing to a high consumption rate of ibuprofen among Portuguese population, as prescribed and nonprescribed medicine, the importance of hospitals, WWTPs, and landfills as sources of entrance of pharmaceuticals in the environment was pointed out. Landfill leachates showed the highest contribution for ibuprofen mass loading into surface waters. On the basis of our findings, more studies are needed as an attempt to assess more vulnerable areas.

Determination of ochratoxin A in bread: evaluation of microwave-assisted extraction using an orthogonal composite design coupled with response surface methodology

An analytical method using microwave-assisted extraction (MAE) and liquid chromatography (LC) with fluorescence detection (FD) for the determination of ochratoxin A (OTA) in bread samples is described. A 24 orthogonal composite design coupled with response surface methodology was used to study the influence of MAE parameters (extraction time, temperature, solvent volume, and stirring speed) in order to maximize OTA recovery. The optimized MAE conditions were the following: 25 mL of acetonitrile, 10 min of extraction, at 80 °C, and maximum stirring speed. Validation of the overall methodology was performed by spiking assays at five levels (0.1–3.00 ng/g). The quantification limit was 0.005 ng/g. The established method was then applied to 64 bread samples (wheat, maize, and wheat/maize bread) collected in Oporto region (Northern Portugal). OTAwas detected in 84 % of the samples with a maximum value of 2.87 ng/g below the European maximum limit established for OTA in cereal products of 3 ng/g.

Response surface methodology applied to SPE for the determination of ibuprofen in various types of water samples

Over the last few years, there has been a growing concern about the presence of pharmaceuticals in the environment. The main objective of this study was to develop and validate an SPE method using surface response methodology for the determination of ibuprofen in different types of water samples. The influence of sample pH and sample volume on the ibuprofen recovery was studied. The effect of each studied independent variable is pronounced on the dependent variable (ibuprofen recovery). Good selectivity, extraction efficiency, and precision were achieved using 600 mL of sample volume with the pH adjusted to 2.2. LC with fluorescence detection was employed. The optimized method was applied to 20 water samples from the North and South of Portugal.

Master's in autonomous systems: an overview of the robotics curriculum and outcomes at ISEP, Portugal

Robotics research in Portugal is increasing every year, but few students embrace it as one of their first choices for study. Until recently, job offers for engineers were plentiful, and those looking for a degree in science and technology would avoid areas considered to be demanding, like robotics. At the undergraduate level, robotics programs are still competing for a place in the classical engineering graduate curricula. Innovative and dynamic Master’s programs may offer the solution to this gap. The Master’s degree in autonomous systems at the Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP), Porto, Portugal, was designed to provide a solid training in robotics and has been showing interesting results, mainly due to differences in course structure and the context in which students are welcomed to study and work

Sistema de visão para aterragem automática de UAV

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica Industrial