Sistema de visão e laser para percepção em ambientes subaquáticos

A exploração do meio subaquático utilizando visão computacional é ainda um processo complexo. Geralmente são utilizados sistemas de visão baseados em visão stereo, no entanto, esta abordagem apresenta limitações, é pouco precisa e é exigente em termos computacionais quando o meio de operação é o subaquático. Estas limitações surgem principalmente em dois cenários de aplicação: quando existe escassez de iluminação e em operações junto a infraestruturas subaquáticas. Consequentemente, a solução reside na utilização de fontes de informação sensorial alternativas ou complementares ao sistema de visão computacional. Neste trabalho propõe-se o desenvolvimento de um sistema de percepção subaquático que combina uma câmara e um projetor laser de um feixe em linha, onde o projetor de luz estruturada _e utilizado como fonte de informação. Em qualquer sistema de visão computacional, e ainda mais relevante em sistemas baseados em triangulação, a sua correta calibração toma um papel fulcral para a qualidade das medidas obtidas com o sistema. A calibração do sistema de visão laser foi dividida em duas etapas. A primeira etapa diz respeito à calibração da câmara, onde são definidos os parâmetros intrínsecos e os parâmetros extrínsecos relativos a este sensor. A segunda etapa define a relação entre a câmara e o laser, sendo esta etapa necessária para a obtenção de imagens tridimensionais. Assim, um dos principais desafios desta dissertação passou por resolver o problema da calibração inerente a este sistema. Desse modo, foi desenvolvida uma ferramenta que requer, pelo menos duas fotos do padrão de xadrez, com perspectivas diferentes. O método proposto foi caracterizado e validado em ambientes secos e subaquáticos. Os resultados obtidos mostram que o sistema _e preciso e os valores de profundidade obtidos apresentam um erro significativamente baixo (inferiores a 1 mm), mesmo com uma base-line (distância entre a centro óptico da câmara e o plano de incidência do laser) reduzida.

Desenvolvimento de um robô com pernas inspirado no Alfaiate

A elaboração deste trabalho surge no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação, integrada no Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores do Instituto Superior de Engenharia do Porto. O trabalho enquadra-se no âmbito da robótica de inspiração biológica, mais concretamente no desenvolvimento de um robô que apresente caraterísticas de locomoção similares ao inseto Alfaiate, modificando para este efeito um robô hexápode já existente. Inicialmente efetuou-se um estudo sobre a biologia do Alfaiate e dos vários tipos de padrões de locomoção adotados pelos animais. De seguida foi realizado um estudo sobre alguns robôs já existentes inspirados neste inseto. Após a realização desta fase de estudo, foram implementadas modificações ao robô hexápode, de forma a este conseguir apoiar-se e movimentar-se sobre a superfície da água. Para tal foram utilizados apoios em esferovite para as pernas, servomotores para a atuação e um sensor de IRPD para orientar o robô na sua trajetória. Em termos de controlo da estabilidade do corpo utilizou-se um giroscópio para permitir ao robô manter o seu corpo horizontal durante a locomoção em águas agitadas. Este trabalho termina com a realização de testes a diferentes padrões de locomoção, de forma a validar o que apresenta a melhor resposta em termos de velocidade.

Low cost inertial-based localization system for a service robot

Dissertation presented at Faculty of Sciences and Technology of the New University of Lisbon to attain the Master degree in Electrical and Computer Science Engineering

Sistema de mapeamento e localização simultânea para inspecção subaquática

A sequente dissertação resulta do desenvolvimento de um sistema de navegação subaquático para um Remotely Operated Vehicle (ROV). A abordagem proposta consiste de um algoritmo em tempo real baseado no método de Mapeamento e Localização Simultâneo (SLAM) a partir de marcadores em ambientes marinhos não estruturados. SLAM introduz dois principais desafios: (i) reconhecimento dos marcadores provenientes dos dados raw do sensor, (ii) associação de dados. Na detecção dos marcadores foram aplicadas técnicas de visão artificial baseadas na extracção de pontos e linhas. Para testar o uso de features no visual SLAM em tempo real nas operações de inspecção subaquáticas foi desenvolvida uma plataforma modicada do RT-SLAM que integra a abordagem EKF SLAM. A plataforma é integrada em ROS framework e permite estimar a trajetória 3D em tempo real do ROV VideoRay Pro 3E até 30 fps. O sistema de navegação subaquático foi caracterizado num tanque instalado no Laboratório de Sistemas Autónomos através de um sistema stereo visual de ground truth. Os resultados obtidos permitem validar o sistema de navegação proposto para veículos subaquáticos. A trajetória adquirida pelo VideoRay em ambiente controlado é validada pelo sistema de ground truth. Dados para ambientes não estruturados, como um gasoduto, foram adquiridos e obtida respectiva trajetória realizada pelo robô. Os dados apresentados comprovam uma boa precisão e exatidão para a estimativa da posição.

Manobras de condução assistida para veículos submarinos subactuados

A intervenção humana no manuseamento de veículos submarinos operados remotamente (ROVs) é um requisito necessário para garantir o sucesso da missão e a integridade do equipamento. Contudo, a sua teleoperação não é fácil, pelo que a condução assistida destes veículos torna-se relevante. Esta dissertação propõe uma solução para este problema para ROVs de 3DOF (surge, heave e yaw). São propostas duas abordagens distintas – numa primeira propõe-se um sistema de controlo Image Based Visual Servoing (IBVS) tendo em vista a utilização exclusiva de uma câmara (sensor existente neste tipo de sistemas) por forma a melhorar significativamente a teleoperação de um pequeno ROV; na segunda, propõe-se um sistema de controlo cinemático para o plano horizontal do veículo e um algoritmo de uma manobra capaz de dotar o ROV de movimento lateral através de uma trajectória dente-de-serra. Demonstrou-se em cenários de operação real que o sistema proposto na primeira abordagem permite ao operador de um ROV com 3DOF executar tarefas de alguma complexidade (estabilização) apenas através de comandos de alto nível, melhorando assim drasticamente a teleoperação e qualidade de inspecção do veículo em questão. Foi também desenvolvido um simulador do ROV em MATLAB para validação e avaliação das manobras, onde o sistema proposto na segunda abordagem foi validado com sucesso.

Desenvolvimento de programação offline e de novos processos robotizados de lixamento

Atualmente a vantagem competitiva de uma empresa passa pela sua rápida adaptação às variações de procura do mercado, sendo necessário garantir elevados níveis de produtividade e, simultaneamente, grande flexibilidade, indispensável ao fabrico de pequenos lotes. A necessidade de ajuste do processo e a diminuição da média de vida do produto levam a paragens cada vez mais frequentes da célula de fabrico para programação e afinação, com consequentes perdas de produtividade. De forma a dar resposta a estes problemas, neste trabalho é testada a viabilidade da utilização da programação e simulação offline de tarefas de lixamento na Grohe Portugal, complementando a solução com o desenvolvimento de um novo método de afinação do programa, permitindo uma adaptação às flutuações do processo produtivo. Para isso foi necessário analisar o estado da arte dos robôs industriais na área de acabamento superficial e respetivos métodos de programação. Em seguida, após um trabalho prévio rigoroso de preparação e modelação da célula de trabalho, é possível fazer a programação offline das várias rotinas e trajetórias complexas que compõem um ciclo de lixamento de um produto, contribuindo para o aumento da qualidade do produto final sem comprometer os níveis de produtividade. Nesta dissertação são descritos e detalhados alguns dos procedimentos fulcrais no sucesso da aplicação deste método de programação. Por último é feita uma nova abordagem ao método de ajuste ponto-a-ponto convencional, desenvolvendo-se para isso um sistema de ajuste automático do programa, dotando o robô da capacidade de se adaptar às variações do processo, assegurando a consistência do mesmo. Foram realizados testes em pequena escala, extrapolando-se os resultados para a aplicação deste novo método no processo produtivo da Grohe Portugal, como forma de complemento ao método convencional de ajuste ponto-a-ponto do programa, reduzindo o tempo de paragem da célula de trabalho.

Radar Based Collision detection developments on USV ROAZ II

This work presents the integration of obstacle detection and analysis capabilities in a coherent and advanced C&C framework allowing mixed-mode control in unmanned surface systems. The collision avoidance work has been successfully integrated in an operational autonomous surface vehicle and demonstrated in real operational conditions. We present the collision avoidance system, the ROAZ autonomous surface vehicle and the results obtained at sea tests. Limitations of current COTS radar systems are also discussed and further research directions are proposed towards the development and integration of advanced collision avoidance systems taking in account the different requirements in unmanned surface vehicles.

An automated maneuver control framework for a remotely operated vehicle

OCEANS, 2001. MTS/IEEE Conference and Exhibition (Volume:2 )

A control framework for a remotely operated vehicle

A control framework enabling the automated maneuvering of a Remotely Operate Vehicle (ROV) is presented. The control architecture is structured according to the principle of composition of vehicle motions from a minimal set of elemental maneuvers that are designed and verified independently. The principled approach is based on distributed hybrid systems techniques, and spans integrated design, simulation and implementation as the same model is used throughout. Hybrid systems control techniques are used to synthesize the elemental maneuvers and to design protocols, which coordinate the execution of elemental maneuvers within a complex maneuver. This work is part of the Inspection of Underwater Structures (IES) project whose main objective is the implementation of a ROV-based system for the inspection of underwater structures.

Coordinated Maneuver for Gradient Search Using Multiple AUV's

OCEANS 2003. Proceedings (Volume:1 )

A New ROV Design: Issues on Low Drag and Mechanical Symmetry

This paper reports the design of a new remotely operated underwater vehicle (ROV), which has been developed at the Underwater Systems and Technology Laboratory (USTL) - University of Porto. This design is contextualized on the KOS project (Kits for underwater operations). The main issues addressed here concern directional drag minimization, symmetry, optimized thruster positioning, stability and layout of ROV components. This design is aimed at optimizing ROV performance for a set of different operational scenarios. This is achieved through modular configurations which are optimized for each different scenario.

Standard commercial education robotic platform: intermediate solution to teaching robotics

Teaching robotics to students at the beginning of their studies has become a huge challenge. Simulation environments can be an effective solution to that challenge where students can interact with simulated robots and have the first contact with robotic constraints. From our previous experience with simulation environments it was possible to observe that students with lower background knowledge in robotics where able to deal with a limited number of constraints, implement a simulated robotic platform and study several sensors. The question is: after this first phase what should be the best approach? Should the student start developing their own hardware? Hardware development is a very important part of an engineer's education but it can also be a difficult phase that could lead to discouragement and loss of motivation in some students. Considering the previous constraints and first year engineering students’ high abandonment rate it is important to develop teaching strategies to deal with this problem in a feasible way. The solution that we propose is the integration of a low-cost standard robotic platform WowWee Rovio as an intermediate solution between the simulation phase and the stage where the students can develop their own robots. This approach will allow the students to keep working in robotic areas such as: cooperative behaviour, perception, navigation and data fusion. The propose approach proved to be a motivation step not only for the students but also for the teachers. Students and teachers were able to reach an agreement between the level of demand imposed by the teachers and satisfaction/motivation of the students.

Analysis of Two Arms Working in Cooperation

This paper analyzes the performance of two cooperative robot manipulators. In order to capture the working performancewe formulated several performance indices that measure the manipulability, the effort reduction and the equilibrium between the two robots. In this perspective the proposed indices we determined the optimal values for the system parameters. Furthermore, it is studied the implementation of fractional-order algorithms in the position/force control of two cooperative robotic manipulators holding an object.

Cascade Control of a Hexapod Robot

6th International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines, Catania, Italy, 17-19 September

Kinematic Manipulability of Robotic Systems

Many tasks involving manipulation require cooperation between robots. Meanwhile, it is necessary to determine the adequate values for the robot parameters to obtain a good performence. This paper discusses several aspects related with the manipulability of two co-operative robots when handling objects with different lengths and orientations. In this line of thought, a numerical tool is developed for the calculation and the graphical visualization of the manipulability measure.