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.

Coordenação de veículo de inspecção subaquática com veículo de superfície autónomo

O LSA/ISEP(Laboratório de sistemas Autónomos do Instituto Superior de Engenharia do Porto) tem vindo nos últimos anos a desenvolver sistemas robóticos inovadores para operação em ambiente marinho sendo o veículo de superfície autónomo ROAZ II um exemplo de renome internacional. Neste contexto, e tendo em vista a satisfação dos requisitos parciais conducentes à obtenção do grau de Mestre em Eng. Electrotécnica e de Computadores - Ramo de Sistemas Autónomos do ISEP, o presente trabalho visou a integração de um robô submarino operado remotamente (ROV) com o robô de superfície ROAZ II. Esta solução inovadora de operação coordenada e integrada de um ASV/ROV permite dotar o ASV de mobilidade e visão subaquática. Após a caracterização e análise de requisitos de diversos cenários operacionais foi apresentada uma arquitectura de controlo coordenado dos dois veículos baseada em manobras de controlo descritas por autómatos híbridos. Os dois veículos foram modelados e as manobras coordenadas projectadas foram validadas com um simulador em ambiente Matlab/Simulink. Foi desenvolvido um sistema de localização relativa do ROV através da fusão sensorial de um sistema INS com um sistema acústico USBL utilizando um filtro EKF. O veículo ROV (VideoRay) do LSA foi instrumentado com os sensores necessários e efectuada a integração de hardware e software com o ASV ROAZ II permitindo a operação remota. Foi realizada uma missão demonstrativa de inspecção de pilares subaquáticos em cenário real com a operação conjunta dos dois robôs.

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

Desenvolvimento do sistema de controlo de um braço robotizado e respetiva interface com o utilizador

A robótica tem evoluído de forma significativa nos últimos anos e passa a ser indispensável em várias aplicações nas áreas da engenharia, aeronáutica, medicina, entre outras. O estado da arte do presente trabalho está dividido em duas partes, uma que aborda vários aspetos relacionados com a robótica e outra com os aspetos da fundamentação matemática por de trás da robótica, porque para controlar o robô é necessário implementar expressões matemáticas para o poder controlar. Neste trabalho é apresentado um sistema de controlo do braço robótico MENTOR e o desenvolvimento de uma interface para o utilizador. Para o controlo do braço robótico foi necessário calcular a cinemática direta e inversa, para que se possa obter os ângulos das juntas para uma dada posição ou qual é a posição final do braço robótico para um valor das juntas. O sistema é bastante flexível e foi desenvolvido para ser utilizado essencialmente para aprendizagem de robótica, podendo no entanto ser utilizado em outras aplicações.

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).

On the hardware and software architecture of the robuter mobile platform: a hands-on approach

The Robuter is a robotic mobile platform that is located in the “Hands-On” Laboratory of the IPP-Hurray! Research Group, at the School of Engineering of the Polytechnic Institute of Porto. Recently, the Robuter was subject of an upgrading process addressing two essential areas: the Hardware Architecture and the Software Architecture. This upgrade in process was triggered due to technical problems on-board of the robot and also to the fact that the hardware/software architecture has become obsolete. This Technical Report overviews the most important aspects of the new Hardware and Software Architectures of the Robuter. This document also presents a first approach on the first steps towards the use of the Robuter platform, and provides some hints on future work that may be carried out using this mobile platform.

Estudo de três sistemas de imobilização utilizados em radioterapia: perspetiva atual e futura

Mestrado em Radioterapia

Tensile behaviour of a structural adhesive at high temperatures by the extended finite element method

Component joining is typically performed by welding, fastening, or adhesive-bonding. For bonded aerospace applications, adhesives must withstand high-temperatures (200°C or above, depending on the application), which implies their mechanical characterization under identical conditions. The extended finite element method (XFEM) is an enhancement of the finite element method (FEM) that can be used for the strength prediction of bonded structures. This work proposes and validates damage laws for a thin layer of an epoxy adhesive at room temperature (RT), 100, 150, and 200°C using the XFEM. The fracture toughness (G Ic ) and maximum load ( ); in pure tensile loading were defined by testing double-cantilever beam (DCB) and bulk tensile specimens, respectively, which permitted building the damage laws for each temperature. The bulk test results revealed that decreased gradually with the temperature. On the other hand, the value of G Ic of the adhesive, extracted from the DCB data, was shown to be relatively insensitive to temperature up to the glass transition temperature (T g ), while above T g (at 200°C) a great reduction took place. The output of the DCB numerical simulations for the various temperatures showed a good agreement with the experimental results, which validated the obtained data for strength prediction of bonded joints in tension. By the obtained results, the XFEM proved to be an alternative for the accurate strength prediction of bonded structures.

Distributed active traction control system applied to the RoboCup middle size league

This work addresses the problem of traction control in mobile wheeled robots in the particular case of the RoboCup Middle Size League (MSL). The slip control problem is formulated using simple friction models for ISePorto Team robots with a differential wheel configuration. Traction was also characterized experimentally in the MSL scenario for relevant game events. This work proposes a hierarchical traction control architecture which relies in local slip detection and control at each wheel, with relevant information being relayed to a higher level responsible for global robot motion control. A dedicated one axis control embedded hardware subsystem allowing complex local control, high frequency current sensing and odometric information procession was developed. This local axis control board is integrated in a distributed system using CAN bus communications. The slipping observer was implemented in the axis control hardware nodes integrated in the ISePorto robots and was used to control and detect loss of for traction. %and to detect the ball in the kicking device. An external vision system was used to perform a qualitative analysis of the slip detection and observer performance results are presented.

Competitive dynamics for behavior coordination in a joint transportation task

We address the problem of coordinating two non-holonomic mobile robots that move in formation while transporting a long payload. A competitive dynamics is introduced that gradually controls the activation and deactivation of individual behaviors. This process introduces (asymmetrical) hysteresis during behavioral switching. As a result behavioral oscillations, due to noisy information, are eliminated. Results in indoor environments show that if parameter values are chosen within reasonable ranges then, in spite of noise in the robots communi- cation and sensors, the overall robotic system works quite well even in cluttered environments. The robots overt behavior is stable and smooth.

Optimization study of hybrid spot-welded/bonded single-lap joints

Joining of components with structural adhesives is currently one of the most widespread techniques for advanced structures (e.g., aerospace or aeronautical). Adhesive bonding does not involve drilling operations and it distributes the load over a larger area than mechanical joints. However, peak stresses tend to develop near the overlap edges because of differential straining of the adherends and load asymmetry. As a result, premature failures can be expected, especially for brittle adhesives. Moreover, bonded joints are very sensitive to the surface treatment of the material, service temperature, humidity and ageing. To surpass these limitations, the combination of adhesive bonding with spot-welding is a choice to be considered, adding a few advantages like superior static strength and stiffness, higher peeling and fatigue strength and easier fabrication, as fixtures during the adhesive curing are not needed. The experimental and numerical study presented here evaluates hybrid spot-welded/bonded single-lap joints in comparison with the purely spot-welded and bonded equivalents. A parametric study on the overlap length (LO) allowed achieving different strength advantages, up to 58% compared to spot-welded joints and 24% over bonded joints. The Finite Element Method (FEM) and Cohesive Zone Models (CZM) for damage growth were also tested in Abaqus® to evaluate this technique for strength prediction, showing accurate estimations for all kinds of joints.

Modeling and control of a dragonfly-like robot

Dragonflies demonstrate unique and superior flight performances than most of the other insect species and birds. They are equipped with two pairs of independently controlled wings granting an unmatchable flying performance and robustness. In this paper, the dynamics of a dragonfly-inspired robot is studied. The system performance is analyzed in terms of time response and robustness. The development of computational simulation based on the dynamics of the robotic dragonfly allows the test of different control algorithms. We study different movements, the dynamics, and the level of dexterity in wing motion of the dragonfly. The results are positive for the construction of flying platforms that effectively mimic the kinematics and dynamics of dragonflies and potentially exhibit superior flight performance than existing flying platforms.

Feasibility of the extended finite element method for the simulation of composite bonded joints

Adhesive-bonding for the unions in multi-component structures is gaining momentum over welding, riveting and fastening. It is vital for the design of bonded structures the availability of accurate damage models, to minimize design costs and time to market. Cohesive Zone Models (CZM’s) have been used for fracture prediction in structures. The eXtended Finite Element Method (XFEM) is a recent improvement of the Finite Element Method (FEM) that relies on traction-separation laws similar to those of CZM’s but it allows the growth of discontinuities within bulk solids along an arbitrary path, by enriching degrees of freedom. This work proposes and validates a damage law to model crack propagation in a thin layer of a structural epoxy adhesive using the XFEM. The fracture toughness in pure mode I (GIc) and tensile cohesive strength (sn0) were defined by Double-Cantilever Beam (DCB) and bulk tensile tests, respectively, which permitted to build the damage law. The XFEM simulations of the DCB tests accurately matched the experimental load-displacement (P-d) curves, which validated the analysis procedure.

Experimental backlash study in mechanical manipulators

The behavior of mechanical manipulators with backlash is analyzed. In order to acquire and study the signals an experimental setup is implemented. The signal processing capabilities of the wavelets are used for de-noising the experimental signals and the energy of the obtained components is analyzed. To evaluate the backlash effect upon the robotic system, it is proposed an index based on the pseudo phase plane representation. Several tests are developed that demonstrate the coherence of the results.

Two cooperating manipulators with fractional controllers

This paper analyzes the dynamic performance of two cooperative robot manipulators. It is studied the implementation of fractional-order algorithms in the position/force control of two cooperating robotic manipulators holding an object. The simulations reveal that fractional algorithms lead to performances superior to classical integer-order controllers.