Modelling stereoscopic vision systems for robotic applications

Aquesta tesi s'emmarca dins del projecte CICYT TAP 1999-0443-C05-01. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny, implementació i avaluació de robots mòbils, amb un sistema de control distribuït, sistemes de sensorització i xarxa de comunicacions per realitzar tasques de vigilància. Els robots han de poder-se moure per un entorn reconeixent la posició i orientació dels diferents objectes que l'envolten. Aquesta informació ha de permetre al robot localitzar-se dins de l'entorn on es troba per poder-se moure evitant els possibles obstacles i dur a terme la tasca encomanada. El robot ha de generar un mapa dinàmic de l'entorn que serà utilitzat per localitzar la seva posició. L'objectiu principal d'aquest projecte és aconseguir que un robot explori i construeixi un mapa de l'entorn sense la necessitat de modificar el propi entorn. Aquesta tesi està enfocada en l'estudi de la geometria dels sistemes de visió estereoscòpics formats per dues càmeres amb l'objectiu d'obtenir informació geomètrica 3D de l'entorn d'un vehicle. Aquest objectiu tracta de l'estudi del modelatge i la calibració de càmeres i en la comprensió de la geometria epipolar. Aquesta geometria està continguda en el que s'anomena emph{matriu fonamental}. Cal realitzar un estudi del càlcul de la matriu fonamental d'un sistema estereoscòpic amb la finalitat de reduir el problema de la correspondència entre dos plans imatge. Un altre objectiu és estudiar els mètodes d'estimació del moviment basats en la geometria epipolar diferencial per tal de percebre el moviment del robot i obtenir-ne la posició. Els estudis de la geometria que envolta els sistemes de visió estereoscòpics ens permeten presentar un sistema de visió per computador muntat en un robot mòbil que navega en un entorn desconegut. El sistema fa que el robot sigui capaç de generar un mapa dinàmic de l'entorn a mesura que es desplaça i determinar quin ha estat el moviment del robot per tal de emph{localitzar-se} dins del mapa. La tesi presenta un estudi comparatiu dels mètodes de calibració de càmeres més utilitzats en les últimes dècades. Aquestes tècniques cobreixen un gran ventall dels mètodes de calibració clàssics. Aquest mètodes permeten estimar els paràmetres de la càmera a partir d'un conjunt de punts 3D i de les seves corresponents projeccions 2D en una imatge. Per tant, aquest estudi descriu un total de cinc tècniques de calibració diferents que inclouen la calibració implicita respecte l'explicita i calibració lineal respecte no lineal. Cal remarcar que s'ha fet un gran esforç en utilitzar la mateixa nomenclatura i s'ha estandaritzat la notació en totes les tècniques presentades. Aquesta és una de les dificultats principals a l'hora de poder comparar les tècniques de calibració ja què cada autor defineix diferents sistemes de coordenades i diferents conjunts de paràmetres. El lector és introduït a la calibració de càmeres amb la tècnica lineal i implícita proposada per Hall i amb la tècnica lineal i explicita proposada per Faugeras-Toscani. A continuació es passa a descriure el mètode a de Faugeras incloent el modelatge de la distorsió de les lents de forma radial. Seguidament es descriu el conegut mètode proposat per Tsai, i finalment es realitza una descripció detallada del mètode de calibració proposat per Weng. Tots els mètodes són comparats tant des del punt de vista de model de càmera utilitzat com de la precisió de la calibració. S'han implementat tots aquests mètodes i s'ha analitzat la precisió presentant resultats obtinguts tant utilitzant dades sintètiques com càmeres reals. Calibrant cada una de les càmeres del sistema estereoscòpic es poden establir un conjunt de restriccions geomètri ques entre les dues imatges. Aquestes relacions són el que s'anomena geometria epipolar i estan contingudes en la matriu fonamental. Coneixent la geometria epipolar es pot: simplificar el problema de la correspondència reduint l'espai de cerca a llarg d'una línia epipolar; estimar el moviment d'una càmera quan aquesta està muntada sobre un robot mòbil per realitzar tasques de seguiment o de navegació; reconstruir una escena per aplicacions d'inspecció, propotipatge o generació de motlles. La matriu fonamental s'estima a partir d'un conjunt de punts en una imatges i les seves correspondències en una segona imatge. La tesi presenta un estat de l'art de les tècniques d'estimació de la matriu fonamental. Comença pels mètode lineals com el dels set punts o el mètode dels vuit punts, passa pels mètodes iteratius com el mètode basat en el gradient o el CFNS, fins arribar las mètodes robustos com el M-Estimators, el LMedS o el RANSAC. En aquest treball es descriuen fins a 15 mètodes amb 19 implementacions diferents. Aquestes tècniques són comparades tant des del punt de vista algorísmic com des del punt de vista de la precisió que obtenen. Es presenten el resultats obtinguts tant amb imatges reals com amb imatges sintètiques amb diferents nivells de soroll i amb diferent quantitat de falses correspondències. Tradicionalment, l'estimació del moviment d'una càmera està basada en l'aplicació de la geometria epipolar entre cada dues imatges consecutives. No obstant el cas tradicional de la geometria epipolar té algunes limitacions en el cas d'una càmera situada en un robot mòbil. Les diferencies entre dues imatges consecutives són molt petites cosa que provoca inexactituds en el càlcul de matriu fonamental. A més cal resoldre el problema de la correspondència, aquest procés és molt costós en quant a temps de computació i no és gaire efectiu per aplicacions de temps real. En aquestes circumstàncies les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera solen basar-se en el flux òptic i en la geometria epipolar diferencial. En la tesi es realitza un recull de totes aquestes tècniques degudament classificades. Aquests mètodes són descrits unificant la notació emprada i es remarquen les semblances i les diferencies entre el cas discret i el cas diferencial de la geometria epipolar. Per tal de poder aplicar aquests mètodes a l'estimació de moviment d'un robot mòbil, aquest mètodes generals que estimen el moviment d'una càmera amb sis graus de llibertat, han estat adaptats al cas d'un robot mòbil que es desplaça en una superfície plana. Es presenten els resultats obtinguts tant amb el mètodes generals de sis graus de llibertat com amb els adaptats a un robot mòbil utilitzant dades sintètiques i seqüències d'imatges reals. Aquest tesi finalitza amb una proposta de sistema de localització i de construcció d'un mapa fent servir un sistema estereoscòpic situat en un robot mòbil. Diverses aplicacions de robòtica mòbil requereixen d'un sistema de localització amb l'objectiu de facilitar la navegació del vehicle i l'execució del les trajectòries planificades. La localització es sempre relativa al mapa de l'entorn on el robot s'està movent. La construcció de mapes en un entorn desconegut és una tasca important a realitzar per les futures generacions de robots mòbils. El sistema que es presenta realitza la localització i construeix el mapa de l'entorn de forma simultània. A la tesi es descriu el robot mòbil GRILL, que ha estat la plataforma de treball emprada per aquesta aplicació, amb el sistema de visió estereoscòpic que s'ha dissenyat i s'ha muntat en el robot. També es descriu tots el processos que intervenen en el sistema de localització i construcció del mapa. La implementació d'aquest processos ha estat possible gràcies als estudis realitzats i presentats prèviament (calibració de càmeres, estimació de la matriu fonamental, i estimació del moviment) sense els quals no s'hauria pogut plantejar aquest sistema. Finalment es presenten els mapes en diverses trajectòries realitzades pel robot GRILL en el laboratori. Les principals contribucions d'aquest treball són: ·Un estat de l'art sobre mètodes de calibració de càmeres. El mètodes són comparats tan des del punt de vista del model de càmera utilitzat com de la precisió dels mètodes. ·Un estudi dels mètodes d'estimació de la matriu fonamental. Totes les tècniques estudiades són classificades i descrites des d'un punt de vista algorísmic. ·Un recull de les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera centrat en el mètodes basat en la geometria epipolar diferencial. Aquestes tècniques han estat adaptades per tal d'estimar el moviment d'un robot mòbil. ·Una aplicació de robòtica mòbil per tal de construir un mapa dinàmic de l'entorn i localitzar-se per mitja d'un sistema estereoscòpic. L'aplicació presentada es descriu tant des del punt de vista del maquinari com del programari que s'ha dissenyat i implementat.

First order mem-circuits: modeling, nonlinear oscillations and bifurcations

This paper presents a theoretical framework intended to accommodate circuit devices described by characteristics involving more than two fundamental variables. This framework is motivated by the recent appearance of a variety of so-called mem-devices in circuit theory, and makes it possible to model the coexistence of memory effects of different nature in a single device. With a compact formalism, this setting accounts for classical devices and also for circuit elements which do not admit a two-variable description. Fully nonlinear characteristics are allowed for all devices, driving the analysis beyond the framework of Chua and Di Ventra We classify these fully nonlinear circuit elements in terms of the variables involved in their constitutive relations and the notions of the differential- and the state-order of a device. We extend the notion of a topologically degenerate configuration to this broader context, and characterize the differential-algebraic index of nodal models of such circuits. Additionally, we explore certain dynamical features of mem-circuits involving manifolds of non-isolated equilibria. Related bifurcation phenomena are explored for a family of nonlinear oscillators based on mem-devices.

Chaotic communication based on the particle-in-a-box electronic circuit

A secure communication system based on the error-feedback synchronization of the electronic model of the particle-in-a-box system is proposed. This circuit allows a robust and simple electronic emulation of the mechanical behavior of the collisions of a particle inside a box, exhibiting rich chaotic behavior. The required nonlinearity to emulate the box walls is implemented in a simple way when compared with other analog electronic chaotic circuits. A master/slave synchronization of two circuits exhibiting a rich chaotic behavior demonstrates the potentiality of this system to secure communication. In this system, binary data stream information modulates the bifurcation parameter of the particle-in-a-box electronic circuit in the transmitter. In the receiver circuit, this parameter is estimated using Pecora-Carroll synchronization and error-feedback synchronization. The performance of the demodulation process is verified through the eye pattern technique applied on the recovered bit stream. During the demodulation process, the error-feedback synchronization presented better performance compared with the Pecora-Carroll synchronization. The application of the particle-in-a-box electronic circuit in a secure communication system is demonstrated.

Modeling and Filtering Double-Frequency Jitter in One-Way Master-Slave Chain Networks

One-way master-slave (OWMS) chain networks are widely used in clock distribution systems due to their reliability and low cost. As the network nodes are phase-locked loops (PLLs), double-frequency jitter (DFJ) caused by their phase detectors appears as an impairment to the performance of the clock recovering process found in communication systems and instrumentation applications. A nonlinear model for OWMS chain networks with P + 1 order PLLs as slave nodes is presented, considering the DFJ. Since higher order filters are more effective in filtering DFJ, the synchronous state stability conditions for an OWMS chain network with third-order nodes are derived, relating the loop gain and the filter coefficients. By using these conditions, design examples are discussed.

Diseño e impartición en un entorno digital de una asignatura de traducción especializada jurídica y económica

Aquest treball descriu el disseny i avaluació d’una assignatura de quart curs de traducció especialitzada de textos econòmics anglès-espanyol en la que van barrejar estudiants presencials amb assistència regular a classe i estudiants que seguien l’assignatura en format semipresencial. L’enfocament metodològic va ser el del constructivisme social. La plataforma educativa del campus virtual de la Universitat de Vic va servir com a base de la interacció del grup i de les activitats. Per a les traduccions es va utilitzar l’eina de traducció assistida Wordfast. El procediment d’avaluació de les traduccions va intentar afavorir l’autonomia dels estudiants. Es van assajar models d’avaluació en els que es va intentar que la comunitat d’aprenentatge assumís la responsabilitat de la valoració de les traduccions des de criteris professionals. L’assignatura es va impartir durant el primer quadrimestre del curs 2003-2004. Els resultats, que s’inclouen en aquest treball, s’analitzen a partir de les dades que proporcionen les eines següents: - Qüestionari previ als alumnes. - Qüestionari final als alumnes. - Fòrum de debat. - Diari del professor.

Uso de la telefonía móvil en la conducción: Efectos de la comunicación con manos libres sobre la conducción simulada

La investigació emmarcada al camp de la seguretat vial, es dissenyà i dugué a terme des d’una perspectiva psicològica. L’objectiu del treball fou aportar informació sobre els efectes de la comunicació mitjançant telèfon mòbil a la conducció segura. Es presenta una amplia revisió bibliogràfica al voltant de l’ús del telèfon mòbil i les seves implicacions, i tot seguit l’experiment realitzat. Aquest es va desenvolupar amb un simulador de conducció que va permetre valorar i mostrar com rebre una trucada i conversar amb mans lliures afecta el control del vehicle quan s’afronten dues situacions de tràfic habituals.

Portal web per a l'IES Pla d'en Boet de Mataró

Aquesta memòria tracta sobre el procediment de creació software que s’ha dut a terme per a implementar el portal web de l’IES Pla d’En Boet de Mataró, un institut públic subvencionat per la Generalitat de Catalunya. Aquest portal s’ha desenvolupat des de zero i s’ha hagut d’enllaçar amb altres aplicacions que han sigut requerides. El document conté l’anàlisi, disseny i l’implementació del portal web, i de tota la funcionalitat que l’envolta, que s’ha realitzat per satisfer els requeriments inicials. Conté, a més, les diferents anàlisis que s’han necessitat per tal d’integrar-lo amb una aplicació pròpia del centre i amb un sistema d’intercanvi de missatges, i com s’ha decidit fer-ho. S’intenta explicar alguna de les problemàtiques més importants que han aparegut al llarg del procés i que han afectat al seu desenvolupament. Les decisions preses per a resoldre-les també apareixen per avalar l’estudi realitzat. Finalment hi ha una valoració personal i una altra dels objectius aconseguits per veure que s’ha arribat a la solució final amb èxit.

The Paralympic Village: a barrier-free city

Article describing the design standards and their use for Paralympic facilities. This article was published in the book entitled Olympic Villages: a hundred years of urban planning and shared experiences compiling the papers given at the 1997 International Symposium on International Chair in Olympism (IOC-UAB).

Sistema de comunicació sense fils utilitzant Zigbee per PDA

En aquest projecte es presenta el disseny i desenvolupament d'un conjunt d'interfícies per a un sistema de comunicació basat en l'estàndard Zigbee. El sistema està composat per una tarja que integra el mòdul Zigbee, un microcontrolador i una FPGA, que es vol controlar des d'un sistema Pocket PC a través del port SD. La implementació consta d’un driver SDIO per Windows CE 4.2, el controlador SDIO a la FPGA i l'enllaç de comunicació entre la FPGA i el microcontrolador.

Mobilitat inter-plataforma d'agents software: protocol de migració fragmentada

En aquest projecte s'ha realitzat l'anàlisi, disseny i implementació d'un protocol de migració d'agents software basat en l'enviament del codi dels agents fragmentat en múltiples missatges. Aquest protocol es troba dins d'una arquitectura de migració multi-protocol per a la mobilitat d'agents entre plataformes JADE. Finalment, s'ha realitzat un estudi que compara el rendiment assolit pel protocol i les prestacions que aporta.

Sistema gràfic de depuració per xarxes (NoC)

Aquest projecte descriu el disseny i desenvolupament d’una eina gràfica per a la depuració de projectes desenvolupats amb un llenguatge de descripció de sistemes com és el SystemC. Amb aquest llenguatge s’ha desenvolupat una NoC (Network on Chip). L’eina desenvolupada mostra de forma visual l’arquitectura de la xarxa NoC, els valors dels senyals que es transmeten a través de la xarxa i estadístiques sobre aquests per tal de poder fer un seguiment exhaustiu i agilitzar la recerca d’errors com interbloquejos, pèrdua de dades i d’altres. Al concentrar en un únic entorn la descripció de la NoC i les dades relatives a les senyals en temps de simulació, proporciona un valor afegit a altres eines disponibles per a realitzar aquesta tasca.

Diseño e implementación de un sistema PDM

En aquest projecte s'ha realitzat el disseny i la implementació d'un sistema PDM genèric mitjançant el qual sigui posible crear i gestionar la informació relacionada amb un producte. Amb aquesta eina web realitzada fent ús del patró d'arquitectura MVC, es pretèn disminuir la pèrdua de temps i de dades a la organització de dades de disseny, millorar la productivitat i augmentar la col·laboració.

Modificación de la estrategia educativa y diseño de material didáctico para fortalecer el Programa de Educación Ambiental Campamentos Educativos en Faro de Bucerías, Michoacán, México

El fomento de laeducación ambiental en comunidades indígenas de la costa oeste de México en el marco del desarrollo sustentable ha sido el elemento motivador de este proyecto. El objetivo fundamental es el diseño y la aplicación de un material didáctico y de una propuesta de estrategia educativa orientados al conocimiento, gestión y conservación del entorno natural y social de la localidad de Faro de Bucerías, Michoacán, México. En primer lugar se ha realizado una investigación y estudio teórico-práctico para contextualizar el área de estudio. Se ha analizado la propuesta educativa preexistente y se han realizado estudios de carácter socio-ambiental con el fin de seleccionar las líneas temáticas que serán la base de la nueva propuesta, vinculada con el material de trabajo. Posteriormente, se elabora el cuaderno de trabajo en conjunción con la estrategia educativa y se aplican a la sesión de Campamentos Educativos, para evaluar su eficiencia. Se hace un análisis cualitativo y cuantitativo de los resultados obtenidos para poder modificar el material didáctico en los puntos débiles detectados, y se propone la versión definitiva del material.

Sistema de missatgeria per a mòbils basat en xarxes Wi-Fi

El projecte sobre el que versa la present memòria pretén dur a terme l’anàlisi, disseny i implementació d’un sistema de missatgeria per a mòbils basat en xarxes Wi-Fi. Amb aquest propòsit, i amb posterioritat a la valoració de totes les alternatives i eines disponibles, s’ha desenvolupat una aplicació en llenguatge J2ME amb configuració CLDC 1.1 i perfil MIDP 2.0.

Entorn de desenvolupament de realitat augmentada

La Realitat Augmentada és un camp en ple auge investigador. En aquest projecte proposem un entorn amb el qual poder prototipar tant aplicacions d'usuari com algoritmes associats a aquesta tecnologia. En aquesta memòria es recullen l'estudi previ, el disseny i els detalls d'implementació de l'entorn proposat així com una solució específica de Realitat Augmentada associada a aquest entorn basada en visió per computador. Finalment, es presenten els resultats d'una anàlisi de rendiment i de disseny del projecte.