Mathematical Model and Simulation of a Pneumatic Apparatus for In-Drilling Alignment of an Inertial Navigation Unit during Horizontal Well Drilling

Conventional methods in horizontal drilling processes incorporate magnetic surveying techniques for determining the position and orientation of the bottom-hole assembly (BHA). Such means result in an increased weight of the drilling assembly, higher cost due to the use of non-magnetic collars necessary for the shielding of the magnetometers, and significant errors in the position of the drilling bit. A fiber-optic gyroscope (FOG) based inertial navigation system (INS) has been proposed as an alternative to magnetometer -based downhole surveying. The utilizing of a tactical-grade FOG based surveying system in the harsh downhole environment has been shown to be theoretically feasible, yielding a significant BHA position error reduction (less than 100m over a 2-h experiment). To limit the growing errors of the INS, an in-drilling alignment (IDA) method for the INS has been proposed. This article aims at describing a simple, pneumatics-based design of the IDA apparatus and its implementation downhole. A mathematical model of the setup is developed and tested with Bloodshed Dev-C++. The simulations demonstrate a simple, low cost and feasible IDA apparatus.

Intelligence Algorithms for Increasing Navigation Systems Accuracy

Application of neural network algorithm for increasing the accuracy of navigation systems are showing. Various navigation systems, where a couple of sensors are used in the same device in different positions and the disturbances act equally on both sensors, the trained neural network can be advantageous for increasing the accuracy of system. The neural algorithm had used for determination the interconnection between the sensors errors in two channels to avoid the unobservation of navigation system. Representation of thermal error of two- component navigation sensors by time model, which coefficients depend only on parameters of the device, its orientations relative to disturbance vector allows to predict thermal errors change, measuring the current temperature and having identified preliminary parameters of the model for the set position. These properties of thermal model are used for training the neural network and compensation the errors of navigation system in non- stationary thermal fields.

“Digital Diagnostics and Communication (DDC) system” Redesigning the Emergency Ambulance

During the development of a new treatment space for the UK emergency ambulance participatory observations with front-line clinicians revealed the need for an integrated patient monitoring, communication and navigation system. The research identified the different information touch-points and requirements through modes of use analysis, day-in-the-life study and simulation workshops with clinicians. Emergency scenario and role-play with paramedics identified 5 distinct ambulance modes of use. Information flow diagrams were created and checked by paramedics and digital User Interface (UI) wireframes were developed and evaluated by clinicians during clinical evaluations. Feedback from clinicians defined UI design specification further leading to a final design proposal. This research was a further development from the 2007 EPSRC funded “Smart Pods” project. The resulting interactive prototype was co-designed in collaboration with ambulance crews and provides a vision of what could be achieved by integrating well-proven IT technologies and protocols into a package relevant in the emergency medicine field. The system has been reviewed by over 40 ambulance crews and is part of a newly co-designed ambulance treatment space.

Towards Proactive Context-aware Computing and Systems

A primary goal of context-aware systems is delivering the right information at the right place and right time to users in order to enable them to make effective decisions and improve their quality of life. There are three key requirements for achieving this goal: determining what information is relevant, personalizing it based on the users’ context (location, preferences, behavioral history etc.), and delivering it to them in a timely manner without an explicit request from them. These requirements create a paradigm that we term as “Proactive Context-aware Computing”. Most of the existing context-aware systems fulfill only a subset of these requirements. Many of these systems focus only on personalization of the requested information based on users’ current context. Moreover, they are often designed for specific domains. In addition, most of the existing systems are reactive - the users request for some information and the system delivers it to them. These systems are not proactive i.e. they cannot anticipate users’ intent and behavior and act proactively without an explicit request from them. In order to overcome these limitations, we need to conduct a deeper analysis and enhance our understanding of context-aware systems that are generic, universal, proactive and applicable to a wide variety of domains. To support this dissertation, we explore several directions. Clearly the most significant sources of information about users today are smartphones. A large amount of users’ context can be acquired through them and they can be used as an effective means to deliver information to users. In addition, social media such as Facebook, Flickr and Foursquare provide a rich and powerful platform to mine users’ interests, preferences and behavioral history. We employ the ubiquity of smartphones and the wealth of information available from social media to address the challenge of building proactive context-aware systems. We have implemented and evaluated a few approaches, including some as part of the Rover framework, to achieve the paradigm of Proactive Context-aware Computing. Rover is a context-aware research platform which has been evolving for the last 6 years. Since location is one of the most important context for users, we have developed ‘Locus’, an indoor localization, tracking and navigation system for multi-story buildings. Other important dimensions of users’ context include the activities that they are engaged in. To this end, we have developed ‘SenseMe’, a system that leverages the smartphone and its multiple sensors in order to perform multidimensional context and activity recognition for users. As part of the ‘SenseMe’ project, we also conducted an exploratory study of privacy, trust, risks and other concerns of users with smart phone based personal sensing systems and applications. To determine what information would be relevant to users’ situations, we have developed ‘TellMe’ - a system that employs a new, flexible and scalable approach based on Natural Language Processing techniques to perform bootstrapped discovery and ranking of relevant information in context-aware systems. In order to personalize the relevant information, we have also developed an algorithm and system for mining a broad range of users’ preferences from their social network profiles and activities. For recommending new information to the users based on their past behavior and context history (such as visited locations, activities and time), we have developed a recommender system and approach for performing multi-dimensional collaborative recommendations using tensor factorization. For timely delivery of personalized and relevant information, it is essential to anticipate and predict users’ behavior. To this end, we have developed a unified infrastructure, within the Rover framework, and implemented several novel approaches and algorithms that employ various contextual features and state of the art machine learning techniques for building diverse behavioral models of users. Examples of generated models include classifying users’ semantic places and mobility states, predicting their availability for accepting calls on smartphones and inferring their device charging behavior. Finally, to enable proactivity in context-aware systems, we have also developed a planning framework based on HTN planning. Together, these works provide a major push in the direction of proactive context-aware computing.

Safe and Collaborative Navigation & Interaction With Mobile Manipulators in Domestic Appliance Test Labs

Safe collaboration between a robot and human operator forms a critical requirement for deploying a robotic system into a manufacturing and testing environment. In this dissertation, the safety requirement for is developed and implemented for the navigation system of the mobile manipulators. A methodology for human-robot co-existence through a 3d scene analysis is also investigated. The proposed approach exploits the advance in computing capability by relying on graphic processing units (GPU’s) for volumetric predictive human-robot contact checking. Apart from guaranteeing safety of operators, human-robot collaboration is also fundamental when cooperative activities are required, as in appliance test automation floor. To achieve this, a generalized hierarchical task controller scheme for collision avoidance is developed. This allows the robotic arm to safely approach and inspect the interior of the appliance without collision during the testing procedure. The unpredictable presence of the operators also forms dynamic obstacle that changes very fast, thereby requiring a quick reaction from the robot side. In this aspect, a GPU-accelarated distance field is computed to speed up reaction time to avoid collision between human operator and the robot. An automated appliance testing also involves robotized laundry loading and unloading during life cycle testing. This task involves Laundry detection, grasp pose estimation and manipulation in a container, inside the drum and during recovery grasping. A wrinkle and blob detection algorithms for grasp pose estimation are developed and grasp poses are calculated along the wrinkle and blobs to efficiently perform grasping task. By ranking the estimated laundry grasp poses according to a predefined cost function, the robotic arm attempt to grasp poses that are more comfortable from the robot kinematic side as well as collision free on the appliance side. This is achieved through appliance detection and full-model registration and collision free trajectory execution using online collision avoidance.

Navigation design and flight dynamics operations of the ArgoMoon cis-lunar CubeSat.

On November 16, 2022, the NASA’s Space Launch System (SLS) has been launched for the first time in the context of Artemis-1 mission where, together with the Orion Multi-Purpose Crew Vehicle, a set of 10 CubeSats have been delivered into a translunar trajectory. Among the small satellites deployed during Artemis-1 there is ArgoMoon, a 6U CubeSat built by the Italian company Argotec and coordinated by Italian Space Agency (ASI). The primary goal of ArgoMoon is to capture images of the Interim Cryogenic Propulsion Stage. The ArgoMoon trajectory has been designed as a highly elliptical geocentric orbit, with several encounters with the Moon. In order to successfully fly ArgoMoon along the designed cis-lunar trajectory, a ground-based navigation system has been developed exploiting the guidance techniques also used for regular deep space missions. The navigation process is subdivided into Orbit Determi- nation (OD) and a Flight Path Control (FPC), and it is designed to follow the reference trajectory, prevent impacts with the Earth and the Moon, intensively test the navigation techniques, and guarantee the spacecraft disposal at the end of the mission. The work done in this thesis has accomplished the navigation of ArgoMoon, covering all aspects of the project life, from pre-launch design and analysis to actual operations. Firstly, the designed navigation process and the pre-mission assessment of its performance will be presented. Then, the results of the ArgoMoon navigation operations performed after the launch in November 2022 will be described in detail by discussing the main encountered challenges and the adopted solutions. The results of the operations confirmed the robustness of the designed navigation which allowed to accurately estimate the trajectory of ArgoMoon despite a series of complex events.

Sistema de visão para percepção e navegação de um UAV Quadrotor

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Sistema de localização de um veículo autónomo terrestre

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores.

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.

Simulação e controlo de veículos autónomos terrestres

A implementação e venda de robôs autónomos tem sido um sector que nos últimos anos tem adquirido cada vez mais quota no mercado, nomeadamente no sector militar, agrícola e da vigilância. Como tal, tem sido também de grande importância a capacidade de implementar e testar robôs por parte das entidades que os fabricam. Uma das formas que tem garantido o sucesso do desenvolvimento de robôs é a simulação prévia dos mesmos antes que estes passem a fase de produção. Sendo assim, o LSA como entidade de desenvolvimento de robôs autónomos, tem necessidade de adquirir um sistema que simule os robôs em desenvolvimento. O trabalho desta tese consiste na realização de um sistema que simule robôs autónomos terrestres de forma que se possa observar o comportamento da cinemática, dinânica e hardware dos robôs em ambiente 3D. Esta aplicação de simulação pode mais tarde ser utilizada pelo laboratório para testar missões, validar alterações de estrutura, sensores, etc. Para além disso, com recurso ao simulador Player/Stage/Gazebo testar o robô LINCE e implementar algoritmos de controlo para o mesmo. Os algoritmos de controlo implementados baseiam-se em primitivas de controlo básico para serem utilizadas pelo sistema de navegação e gerar trajectórias complexas. Os algoritmos desenvolvidos nesta tese baseiam-se nas equações cinemáticas do veículo estudado. Estes algoritmos depois de testados no simulador, poderão ser colocados no Hardware do robô. Desta forma consegue-se desenvolver algoritmos para determinado robô sem que este esteja operacional.

Sistema móvel de telemetria para automóveis

Este trabalho compreende uma análise crítica e reflexiva sobre o que atualmente existe no âmbito dos sistemas de navegação integrados (e.g. sistemas de posicionamento global com sistemas de navegação por inércia). O objetivo deste estudo vai também no sentido de desenvolver para um dispositivo móvel, um sistema de telemetria para automóveis baseado na plataforma Android fazendo uso de conceitos estudados e tecnologias existentes. Pretende-se demonstrar a potencialidade da integração de um sistema de posicionamento por satélite, com um sistema de navegação por inércia, em dispositivos cada vez mais acessíveis ao utilizador comum, tais como tablets, smartphones e outros equipamentos dotados de dispositivos MEMS (sistemas microelectromecânicos) de baixo custo usando a plataforma Android. Este trabalho pretende explorar a forma como podemos fundir os registos dos vários sensores, tais como o acelerómetro, magnetómetro e giroscópio, para determinar a orientação do dispositivo e assim integrar esta informação de maior frequência, com a informação disponibilizada pelo GNSS de menor frequência, tendo como objetivo final a determinação em tempo real do posicionamento do dispositivo, destacando as forças e fraquezas de cada um dos sistemas de navegação.

Plataforma web de informação automobilística

Esta dissertação enquadra-se no âmbito dos Sistemas de Informação, em concreto, no desenvolvimento de aplicações Web, como é o caso de um website. Com a utilização em larga escala dos meios tecnológicos tem-se verificado um crescimento exponencial dos mesmos, o que se traduz na facilidade com que podem ser encontradas na Internet diversos tipos de plataformas informáticas. Além disso, hoje em dia, uma grande parte das organizações possui o seu próprio sítio na Internet, onde procede à divulgação dos seus serviços e/ou produtos. Pretende-se com esta dissertação explorar estas novas tecnologias, nomeadamente, os diagramas UML - Unified Modeling Language e a concepção de bases de dados, e posteriormente desenvolver um website. Com o desenvolvimento deste website não se propõe a criação de uma nova tecnologia, mas o uso de diversas tecnologias em conjunto com recurso às ferramentas UML. Este encontra-se organizado em três fases principais: análise de requisitos, implementação e desenho das interfaces. Na análise de requisitos efectuou-se o levantamento dos objectivos propostos para o sistema e das necessidades/requisitos necessários à sua implementação, auxiliado essencialmente pelo Diagrama de Use Cases do sistema. Na fase de implementação foram elaborados os arquivos e directórios que formam a arquitectura lógica de acordo com os modelos descritos no Diagrama de Classes e no Diagrama de Entidade-Relação. Os requisitos identificados foram analisados e usados na composição das interfaces e sistema de navegação. Por fim, na fase de desenho das interfaces foram aperfeiçoadas as interfaces desenvolvidas, com base no conceito artístico e criativo do autor. Este aperfeiçoamento vai de encontro ao gosto pessoal e tem como objectivo elaborar uma interface que possa também agradar ao maior número possível de utilizadores. Este pode ser observado na maneira como se encontram distribuídas as ligações (links) entre páginas, nos títulos, nos cabeçalhos, nas cores e animações e no seu design em geral. Para o desenvolvimento do website foram utilizadas diferentes linguagens de programação, nomeadamente a HyperText Markup Language (HTML), a Page Hypertext Preprocessor (PHP) e Javascript. A HTML foi utilizada para a disposição de todo o conteúdo visível das páginas e para definição do layout das mesmas e a PHP para executar pequenos scripts que permitem interagir com as diferentes funcionalidades do site. A linguagem Javascript foi usada para definir o design das páginas e incluir alguns efeitos visuais nas mesmas. Para a construção das páginas que compõem o website foi utilizado o software Macromedia Dreamweaver, o que simplificou a sua implementação pela facilidade com que estas podem ser construídas. Para interacção com o sistema de gestão da base de dados, o MySQL, foi utilizada a aplicação phpMyAdmin, que simplifica o acesso à base de dados, permitindo definir, manipular e consultar os seus dados.

Step count algorithm adapted to indoor localization

This paper presents a step count algorithm designed to work in real-time using low computational power. This proposal is our first step for the development of an indoor navigation system, based on Pedestrian Dead Reckoning (PDR). We present two approaches to solve this problem and compare them based in their error on step counting, as well as, the capability of their use in a real time system.

Traveled Distance Estimation Algorithm for Indoor Localization

This paper presents an ankle mounted Inertial Navigation System (INS) used to estimate the distance traveled by a pedestrian. This distance is estimated by the number of steps given by the user. The proposed method is based on force sensors to enhance the results obtained from an INS. Experimental results have shown that, depending on the step frequency, the traveled distance error varies between 2.7% and 5.6%.

Person Localization Using Sensor Information Fusion

Nowadays the incredible grow of mobile devices market led to the need for location-aware applications. However, sometimes person location is difficult to obtain, since most of these devices only have a GPS (Global Positioning System) chip to retrieve location. In order to suppress this limitation and to provide location everywhere (even where a structured environment doesn’t exist) a wearable inertial navigation system is proposed, which is a convenient way to track people in situations where other localization systems fail. The system combines pedestrian dead reckoning with GPS, using widely available, low-cost and low-power hardware components. The system innovation is the information fusion and the use of probabilistic methods to learn persons gait behavior to correct, in real-time, the drift errors given by the sensors.