Navegação de robôs móveis por marcas artificiais em ambientes semi-estruturados

Mestrado em engenharia electrotécnica e de computadores - Área de Especialização de Sistemas Autónomos

Solução de navegação inercial para o sistema plasys

Neste trabalho faz-se uma pesquisa e análise dos conceitos associados à navegação inercial para estimar a distância percorrida por uma pessoa. Foi desenvolvida uma plataforma de hardware para implementar os algoritmos de navegação inercial e estudar a marcha humana. Os testes efetuados permitiram adaptar os algoritmos de navegação inercial para humanos e testar várias técnicas para reduzir o erro na estimativa da distância percorrida. O sistema desenvolvido é um sistema modular que permite estudar o efeito da inserção de novos sensores. Desta forma foram adaptados os algoritmos de navegação para permitir a utilização da informação dos sensores de força colocados na planta do pé do utilizador. A partir desta arquitetura foram efetuadas duas abordagens para o cálculo da distância percorrida por uma pessoa. A primeira abordagem estima a distância percorrida considerando o número de passos. A segunda abordagem faz uma estimação da distância percorrida com base nos algoritmos de navegação inercial. Foram realizados um conjunto de testes para comparar os erros na estimativa da distância percorrida pelas abordagens efetuadas. A primeira abordagem obteve um erro médio de 4,103% em várias cadências de passo. Este erro foi obtido após sintonia para o utilizador em questão. A segunda abordagem obteve um erro de 9,423%. De forma a reduzir o erro recorreu-se ao filtro de Kalman o que levou a uma redução do erro para 9,192%. Por fim, recorreu-se aos sensores de força que permitiram uma redução para 8,172%. A segunda abordagem apesar de ter um erro maior não depende do utilizador pois não necessita de sintonia dos parâmetros para estimar a distância para cada pessoa. Os testes efetuados permitiram, através dos sensores de força, testar a importância da força sentida pela planta do pé para aferir a fase do ciclo de marcha. Esta capacidade permite reduzir os erros na estimativa da distância percorrida e obter uma maior robustez neste tipo de sistemas.

Método de correspondência para sistemas de visão multi-câmara

Os sistemas de perceção visual são das principais fontes de informação sensorial utilizadas pelos robôs autónomos, para localização e navegação em diferentes meios de operação. O objetivo passa por obter uma grande quantidade de informação sobre o ambiente que a câmara está a visualizar, processar e extrair informação que permita realizar as tarefas de uma forma e ciente. Uma informação em particular que os sistemas de visão podem fornecer, e a informação tridimensional acerca do meio envolvente. Esta informação pode ser adquirida recorrendo a sistemas de visão monoculares ou com múltiplas câmaras. Nestes sistemas a informação tridimensional pode ser obtida recorrendo a técnica de triangulação, tirando partido do conhecimento da posição relativa entre as câmaras. No entanto, para calcular as coordenadas de um ponto tridimensional no referencial da câmara e necessário existir correspondência entre pontos comuns às imagens adquiridas pelo sistema. No caso de más correspondências a informação 3D e obtida de forma incorreta. O problema associado à correspondência de pontos pode ser agravado no caso das câmaras do sistema terem características intrínsecas diferentes nomeadamente: resolução, abertura da lente, distorção. Outros fatores como as orientações e posições das câmaras também podem condicionar a correspondência de pontos. Este trabalho incide sobre problemática de correspondência de pontos existente no processo de cálculo da informação tridimensional. A presente dissertação visa o desenvolvimento de uma abordagem de correspondência de pontos para sistemas de visão no qual é conhecida a posição relativa entre câmaras.

Sistema para navegação web usando imagem e vídeo

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Informática

Navegação web anónima e segura

A Web aproximou a humanidade dos seus pares a um nível nunca antes visto. Com esta facilidade veio também o cibercrime, o terrorismo e outros fenómenos característicos de uma sociedade tecnológica, plenamente informatizada e onde as fronteiras terrestres pouco importam na limitação dos agentes ativos, nocivos ou não, deste sistema. Recentemente descobriu-se que as grandes nações “vigiam” atentamente os seus cidadãos, desrespeitando qualquer limite moral e tecnológico, podendo escutar conversas telefónicas, monitorizar o envio e receção de e-mails, monitorizar o tráfego Web do cidadão através de poderosíssimos programas de monitorização e vigilância. Noutros cantos do globo, nações em tumulto ou envoltas num manto da censura perseguem os cidadãos negando-lhes o acesso à Web. Mais mundanamente, há pessoas que coagem e invadem a privacidade de conhecidos e familiares, vasculhando todos os cantos dos seus computadores e hábitos de navegação. Neste sentido, após o estudo das tecnologias que permitem a vigilância constante dos utilizadores da Web, foram analisadas soluções que permitem conceder algum anónimato e segurança no tráfego Web. Para suportar o presente estudo, foi efetuada uma análise das plataformas que permitem uma navegação anónima e segura e um estudo das tecnologias e programas com potencial de violação de privacidade e intrusão informática usados por nações de grande notoriedade. Este trabalho teve como objetivo principal analisar as tecnologias de monitorização e de vigilância informática identificando as tecnologias disponíveis, procurando encontrar potenciais soluções no sentido de investigar a possibilidade de desenvolver e disponibilizar uma ferramenta multimédia alicerçada em Linux e em LiveDVD (Sistema Operativo Linux que corre a partir do DVD sem necessidade de instalação). Foram integrados recursos no protótipo com o intuito de proporcionar ao utilizador uma forma ágil e leiga para navegar na Web de forma segura e anónima, a partir de um sistema operativo (SO) virtualizado e previamente ajustado para o âmbito anteriormente descrito. O protótipo foi testado e avaliado por um conjunto de cidadãos no sentido de aferir o seu potencial. Termina-se o documento com as conclusões e o trabalho a desenvolver futuramente.

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)

Navegação cooperativa de um robô humanóide e um robô com rodas usando informação visual

This work presents a cooperative navigation systemof a humanoid robot and a wheeled robot using visual information, aiming to navigate the non-instrumented humanoid robot using information obtained from the instrumented wheeled robot. Despite the humanoid not having sensors to its navigation, it can be remotely controlled by infra-red signals. Thus, the wheeled robot can control the humanoid positioning itself behind him and, through visual information, find it and navigate it. The location of the wheeled robot is obtained merging information from odometers and from landmarks detection, using the Extended Kalman Filter. The marks are visually detected, and their features are extracted by image processing. Parameters obtained by image processing are directly used in the Extended Kalman Filter. Thus, while the wheeled robot locates and navigates the humanoid, it also simultaneously calculates its own location and maps the environment (SLAM). The navigation is done through heuristic algorithms based on errors between the actual and desired pose for each robot. The main contribution of this work was the implementation of a cooperative navigation system for two robots based on visual information, which can be extended to other robotic applications, as the ability to control robots without interfering on its hardware, or attaching communication devices

Sistema de supervisão aérea baseado em navegação visual para detecção de anomalias em instalações de petróleo e gás

This work deals with the development of a prototype of a helicopter quadrotor for monitoring applications in oil facilities. Anomaly detection problems can be resolved through monitoringmissions performed by a suitably instrumented quadrotor, i.e. infrared thermosensors should be embedded. The proposed monitoring system aims to reduce accidents as well as to make possible the use of non-destructive techniques for detection and location of leaks caused by corrosion. To this end, the implementation of a prototype, its stabilization and a navigation strategy have been proposed. The control strategy is based on dividing the problem into two control hierarchical levels: the lower level stabilizes the angles and the altitude of the vehicle at the desired values, while the higher one provide appropriate references signals to the lower level in order the quadrotor performs the desired movements. The navigation strategy for helicopter quadrotor is made using information provided by a acquisition image system (monocular camera) embedded onto the helicopter. Considering that the low-level control has been solved, the proposed vision-based navigation technique treats the problem as high level control strategies, such as, relative position control, trajectory generation and trajectory tracking. For the position control we use a control technique for visual servoing based on image features. The trajectory generation is done in a offline step, which is a visual trajectory composed of a sequence of images. For the trajectory tracking problem is proposed a control strategy by continuous servovision, thus enabling a navigation strategy without metric maps. Simulation and experimental results are presented to validate the proposal

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

Um framework de agentes de recomendação para sistemas Web

The World Wide Web has been consolidated over the last years as a standard platform to provide software systems in the Internet. Nowadays, a great variety of user applications are available on the Web, varying from corporate applications to the banking domain, or from electronic commerce to the governmental domain. Given the quantity of information available and the quantity of users dealing with their services, many Web systems have sought to present recommendations of use as part of their functionalities, in order to let the users to have a better usage of the services available, based on their profile, history navigation and system use. In this context, this dissertation proposes the development of an agent-based framework that offers recommendations for users of Web systems. It involves the conception, design and implementation of an object-oriented framework. The framework agents can be plugged or unplugged in a non-invasive way in existing Web applications using aspect-oriented techniques. The framework is evaluated through its instantiation to three different Web systems

Avaliando o impacto da utilização de renderizações panorâmicas para a navegação em ambientes virtuais

Panoramic rendering is the visualization of three-dimensional objects in a virtual environment through a wide viewing angle. This work investigated if the use of panoramas is able to promote faster searches in a virtual environment. Panoramas allow the presentation of space through less need to change the orientation of the camera, especially for the case of projections spanning 360º surrounding the user, which can benefit searching. However, the larger the angle, more distorted is the visualization of the environment, causing confusion in navigation. The distortion is even bigger when the user changes the pitch of the camera, by looking up or down. In this work we developed a technique to eliminate specifically the distortions caused by changes in pitch, which was called hemispheric projection. Experiments were done to evaluate the performance of search navigation through perspective, cylindrical and hemispherical projections. The results indicate that navigating with perspective projection is superior than navigating with panoramic projections, possibly due to factors such as (i) lack of experience of the participants in understanding the scenes displayed as panoramas, (ii) the inherent presence of distortion in panoramic projections and (iii) a lower display resolution because the objects are presented in smaller sizes in panoramic projections, making the perception of details more difficult. However, the hemispherical projection was better than the cylindrical, indicating that the developed technique provides benefits for navigation compared to current techniques of panoramic projection. The hemispheric projection also provided the least amount of changes of camera orientation, which is an indication that the hemispheric projections may be particularly useful in situations where there are restrictions on the ease to change the orientation. Future research will investigate the performance of cameras interactions on slower devices, such as using only keyboard, or brain-machine interfaces

Desenvolvimento de um sistema de navegação baseado em máquina de vetores de suporte para dirigibilidade de um robô móvel por caminhos em plantações

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Projeto e construção de um robô móvel AGV/ROV não-holonômico com habilidade para navegação autônoma do tipo wall-following

Esta dissertação de mestrado apresenta o projeto e a construção de um robô móvel terrestre denominado LOGBOT, com tração de movimento do tipo diferencial – com duas rodas motoras e uma roda livre para manter a estabilidade de sua estrutura em relação à superfície. O controle do robô dispõe dos modos de telemetria e autônomo. No modo de controle por telemetria (ROV), a comunicação do robô com a estação de controle é feita por radiofreqüência a uma distância de até um quilometro em ambientes externos, e até cem metros em ambientes internos. No modo de controle autônomo (AGV), o robô tem habilidade para navegar em ambientes internos e desconhecidos usando sempre a parede à sua esquerda como referência para a trajetória de seu movimento. A seqüência de movimentos para execução da trajetória é enviada para a estação de controle que realiza análises de desempenho do robô. Para executar suas tarefas no modo autônomo, a programação do robô conta com um agente inteligente reativo, que detecta características do ambiente (obstáculos, final de paredes, etc.) e decide sobre qual atitude deve ser executada pelo robô, com objetivo de contornar os obstáculos e controlar a velocidade de suas rodas. Os problemas de erro odométrico e suas correções com base no uso de informações sensoriais externas são devidamente tratados. Técnicas de controle hierárquico do robô como um todo e controle em malha fechada da velocidade das rodas do robô são usadas. Os resultados mostraram que o robô móvel LOGBOT é capaz de navegar, com estabilidade e precisão, em ambientes internos no formato de um corredor (wall following).

A matemática dos sistemas de localização por satélites

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Artroplastia do joelho navegada x mecânica: comparação entre casos iniciais de navegação e convencionais pelo mesmo cirurgião

OBJETIVO: Foram avaliados e comparados os eixos mecânicos pós-operatórios de 36 artroplastias totais de joelho pelos sistemas de alinhamento navegado e mecânico feitos no mesmo período pelo mesmo cirurgião e equipe, iniciantes na técnica navegada e com experiência na técnica mecânica. MÉTODOS: Entre 2008 e 2010, 36 próteses totais de joelho foram executadas e comparadas, 25 navegadas e 11 mecânicas. Qualquer desvio de eixo medido no RX panorâmico pós-operatório foi considerado positivo. RESULTADOS: As próteses navegadas obtiveram média de desvio de eixo de 1,32 graus e desvio padrão de 1,57 graus e as mecânicas, respectivamente, 3,18 e 2,99 graus. Houve um melhor alinhamento com tendência à diferença estatística em favor da técnica navegada. CONCLUSÃO: Os casos com desvio de eixo maior que três graus foram significativamente maiores na técnica mecânica. A técnica por navegação foi incorporada por nossa equipe sem complicações adicionais e, mesmo sem experiência em cirurgia navegada, os primeiros casos obtiveram melhor alinhamento em relação à técnica mecânica e número significativamente menor de casos fora da zona de segurança de três graus em relação ao eixo mecânico.