Predictive motion control of a mirosot mobile robot

This paper discusses predictive motion control of a MiRoSoT robot. The dynamic model of the robot is deduced by taking into account the whole process - robot, vision, control and transmission systems. Based on the obtained dynamic model, an integrated predictive control algorithm is proposed to position precisely with either stationary or moving obstacle avoidance. This objective is achieved automatically by introducing distant constraints into the open-loop optimization of control inputs. Simulation results demonstrate the feasibility of such control strategy for the deduced dynamic model

Modelación estocástica y trading algorítmico del spread entre acciones mediante procesos de reversión a la media

Las estrategias de inversión pairs trading se basan en desviaciones del precio entre pares de acciones correlacionadas y han sido ampliamente implementadas por fondos de inversión tomando posiciones largas y cortas en las acciones seleccionadas cuando surgen divergencias y obteniendo utilidad cerrando la posición al converger. Se describe un modelo de reversión a la media para analizar la dinámica que sigue el diferencial del precio entre acciones ordinarias y preferenciales de una misma empresa en el mismo mercado. La media de convergencia en el largo plazo es obtenida con un filtro de media móvil, posteriormente, los parámetros del modelo de reversión a la media se estiman mediante un filtro de Kalman bajo una formulación de estado espacio sobre las series históricas. Se realiza un backtesting a la estrategia de pairs trading algorítmico sobre el modelo propuesto indicando potenciales utilidades en mercados financieros que se observan por fuera del equilibrio. Aplicaciones de los resultados podrían mostrar oportunidades para mejorar el rendimiento de portafolios, corregir errores de valoración y sobrellevar mejor periodos de bajos retornos.

Compression-based Image Registration

Image registration is an important component of image analysis used to align two or more images. In this paper, we present a new framework for image registration based on compression. The basic idea underlying our approach is the conjecture that two images are correctly registered when we can maximally compress one image given the information in the other. The contribution of this paper is twofold. First, we show that the image registration process can be dealt with from the perspective of a compression problem. Second, we demonstrate that the similarity metric, introduced by Li et al., performs well in image registration. Two different versions of the similarity metric have been used: the Kolmogorov version, computed using standard real-world compressors, and the Shannon version, calculated from an estimation of the entropy rate of the images

Estimation of electronic coupling in π -stacked donor-bridge-acceptor systems: correction of the two-state model

Comparison of donor-acceptor electronic couplings calculated within two-state and three-state models suggests that the two-state treatment can provide unreliable estimates of Vda because of neglecting the multistate effects. We show that in most cases accurate values of the electronic coupling in a π stack, where donor and acceptor are separated by a bridging unit, can be obtained as Ṽ da = (E2 - E1) μ12 Rda + (2 E3 - E1 - E2) 2 μ13 μ23 Rda2, where E1, E2, and E3 are adiabatic energies of the ground, charge-transfer, and bridge states, respectively, μij is the transition dipole moments between the states i and j, and Rda is the distance between the planes of donor and acceptor. In this expression based on the generalized Mulliken-Hush approach, the first term corresponds to the coupling derived within a two-state model, whereas the second term is the superexchange correction accounting for the bridge effect. The formula is extended to bridges consisting of several subunits. The influence of the donor-acceptor energy mismatch on the excess charge distribution, adiabatic dipole and transition moments, and electronic couplings is examined. A diagnostic is developed to determine whether the two-state approach can be applied. Based on numerical results, we showed that the superexchange correction considerably improves estimates of the donor-acceptor coupling derived within a two-state approach. In most cases when the two-state scheme fails, the formula gives reliable results which are in good agreement (within 5%) with the data of the three-state generalized Mulliken-Hush model

Efficient topology estimation for large scale optical mapping

Large scale image mosaicing methods are in great demand among scientists who study different aspects of the seabed, and have been fostered by impressive advances in the capabilities of underwater robots in gathering optical data from the seafloor. Cost and weight constraints mean that lowcost Remotely operated vehicles (ROVs) usually have a very limited number of sensors. When a low-cost robot carries out a seafloor survey using a down-looking camera, it usually follows a predetermined trajectory that provides several non time-consecutive overlapping image pairs. Finding these pairs (a process known as topology estimation) is indispensable to obtaining globally consistent mosaics and accurate trajectory estimates, which are necessary for a global view of the surveyed area, especially when optical sensors are the only data source. This thesis presents a set of consistent methods aimed at creating large area image mosaics from optical data obtained during surveys with low-cost underwater vehicles. First, a global alignment method developed within a Feature-based image mosaicing (FIM) framework, where nonlinear minimisation is substituted by two linear steps, is discussed. Then, a simple four-point mosaic rectifying method is proposed to reduce distortions that might occur due to lens distortions, error accumulation and the difficulties of optical imaging in an underwater medium. The topology estimation problem is addressed by means of an augmented state and extended Kalman filter combined framework, aimed at minimising the total number of matching attempts and simultaneously obtaining the best possible trajectory. Potential image pairs are predicted by taking into account the uncertainty in the trajectory. The contribution of matching an image pair is investigated using information theory principles. Lastly, a different solution to the topology estimation problem is proposed in a bundle adjustment framework. Innovative aspects include the use of fast image similarity criterion combined with a Minimum spanning tree (MST) solution, to obtain a tentative topology. This topology is improved by attempting image matching with the pairs for which there is the most overlap evidence. Unlike previous approaches for large-area mosaicing, our framework is able to deal naturally with cases where time-consecutive images cannot be matched successfully, such as completely unordered sets. Finally, the efficiency of the proposed methods is discussed and a comparison made with other state-of-the-art approaches, using a series of challenging datasets in underwater scenarios

Manifold clustering for motion segmentation

En aquesta tesi s’estudia el problema de la segmentació del moviment. La tesi presenta una revisió dels principals algoritmes de segmentació del moviment, s’analitzen les característiques principals i es proposa una classificació de les tècniques més recents i importants. La segmentació es pot entendre com un problema d’agrupament d’espais (manifold clustering). Aquest estudi aborda alguns dels reptes més difícils de la segmentació de moviment a través l’agrupament d’espais. S’han proposat nous algoritmes per a l’estimació del rang de la matriu de trajectòries, s’ha presenta una mesura de similitud entre subespais, s’han abordat problemes relacionats amb el comportament dels angles canònics i s’ha desenvolupat una eina genèrica per estimar quants moviments apareixen en una seqüència. L´ultima part de l’estudi es dedica a la correcció de l’estimació inicial d’una segmentació. Aquesta correcció es du a terme ajuntant els problemes de la segmentació del moviment i de l’estructura a partir del moviment.

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.

Filter for Car Tracking Based on Acceleration and Steering Angle

The motion of a car is described using a stochastic model in which the driving processes are the steering angle and the tangential acceleration. The model incorporates exactly the kinematic constraint that the wheels do not slip sideways. Two filters based on this model have been implemented, namely the standard EKF, and a new filter (the CUF) in which the expectation and the covariance of the system state are propagated accurately. Experiments show that i) the CUF is better than the EKF at predicting future positions of the car; and ii) the filter outputs can be used to control the measurement process, leading to improved ability to recover from errors in predictive tracking.

An improved algorithm for generating global window brightness temperatures from multiple satellite infrared imagery

An improved algorithm for the generation of gridded window brightness temperatures is presented. The primary data source is the International Satellite Cloud Climatology Project, level B3 data, covering the period from July 1983 to the present. The algorithm rakes window brightness, temperatures from multiple satellites, both geostationary and polar orbiting, which have already been navigated and normalized radiometrically to the National Oceanic and Atmospheric Administration's Advanced Very High Resolution Radiometer, and generates 3-hourly global images on a 0.5 degrees by 0.5 degrees latitude-longitude grid. The gridding uses a hierarchical scheme based on spherical kernel estimators. As part of the gridding procedure, the geostationary data are corrected for limb effects using a simple empirical correction to the radiances, from which the corrected temperatures are computed. This is in addition to the application of satellite zenith angle weighting to downweight limb pixels in preference to nearer-nadir pixels. The polar orbiter data are windowed on the target time with temporal weighting to account for the noncontemporaneous nature of the data. Large regions of missing data are interpolated from adjacent processed images using a form of motion compensated interpolation based on the estimation of motion vectors using an hierarchical block matching scheme. Examples are shown of the various stages in the process. Also shown are examples of the usefulness of this type of data in GCM validation.

A Filter for Visual Tracking Based on a Stochastic Model for Driver Behaviour

A driver controls a car by turning the steering wheel or by pressing on the accelerator or the brake. These actions are modelled by Gaussian processes, leading to a stochastic model for the motion of the car. The stochastic model is the basis of a new filter for tracking and predicting the motion of the car, using measurements obtained by fitting a rigid 3D model to a monocular sequence of video images. Experiments show that the filter easily outperforms traditional filters.

Adaptive project planning and management based on best practices - COBRA system

Planning a project with proper considerations of all necessary factors and managing a project to ensure its successful implementation will face a lot of challenges. Initial stage in planning a project for bidding a project is costly, time consuming and usually with poor accuracy on cost and effort predictions. On the other hand, detailed information for previous projects may be buried in piles of archived documents which can be increasingly difficult to learn from the previous experiences. Project portfolio has been brought into this field aiming to improve the information sharing and management among different projects. However, the amount of information that could be shared is still limited to generic information. This paper, we report a recently developed software system COBRA to automatically generate a project plan with effort estimation of time and cost based on data collected from previous completed projects. To maximise the data sharing and management among different projects, we proposed a method of using product based planning from PRINCE2 methodology. (Automated Project Information Sharing and Management System -�COBRA) Keywords: project management, product based planning, best practice, PRINCE2

Variational data assimilation for parameter estimation: application to a simple morphodynamic model

Data assimilation is a sophisticated mathematical technique for combining observational data with model predictions to produce state and parameter estimates that most accurately approximate the current and future states of the true system. The technique is commonly used in atmospheric and oceanic modelling, combining empirical observations with model predictions to produce more accurate and well-calibrated forecasts. Here, we consider a novel application within a coastal environment and describe how the method can also be used to deliver improved estimates of uncertain morphodynamic model parameters. This is achieved using a technique known as state augmentation. Earlier applications of state augmentation have typically employed the 4D-Var, Kalman filter or ensemble Kalman filter assimilation schemes. Our new method is based on a computationally inexpensive 3D-Var scheme, where the specification of the error covariance matrices is crucial for success. A simple 1D model of bed-form propagation is used to demonstrate the method. The scheme is capable of recovering near-perfect parameter values and, therefore, improves the capability of our model to predict future bathymetry. Such positive results suggest the potential for application to more complex morphodynamic models.

Uncertainty assessment of a process-based integrated catchment model of phosphorus

Despite the many models developed for phosphorus concentration prediction at differing spatial and temporal scales, there has been little effort to quantify uncertainty in their predictions. Model prediction uncertainty quantification is desirable, for informed decision-making in river-systems management. An uncertainty analysis of the process-based model, integrated catchment model of phosphorus (INCA-P), within the generalised likelihood uncertainty estimation (GLUE) framework is presented. The framework is applied to the Lugg catchment (1,077 km2), a River Wye tributary, on the England–Wales border. Daily discharge and monthly phosphorus (total reactive and total), for a limited number of reaches, are used to initially assess uncertainty and sensitivity of 44 model parameters, identified as being most important for discharge and phosphorus predictions. This study demonstrates that parameter homogeneity assumptions (spatial heterogeneity is treated as land use type fractional areas) can achieve higher model fits, than a previous expertly calibrated parameter set. The model is capable of reproducing the hydrology, but a threshold Nash-Sutcliffe co-efficient of determination (E or R 2) of 0.3 is not achieved when simulating observed total phosphorus (TP) data in the upland reaches or total reactive phosphorus (TRP) in any reach. Despite this, the model reproduces the general dynamics of TP and TRP, in point source dominated lower reaches. This paper discusses why this application of INCA-P fails to find any parameter sets, which simultaneously describe all observed data acceptably. The discussion focuses on uncertainty of readily available input data, and whether such process-based models should be used when there isn’t sufficient data to support the many parameters.

View-based approaches to spatial representation in human vision

In an immersive virtual environment, observers fail to notice the expansion of a room around them and consequently make gross errors when comparing the size of objects. This result is difficult to explain if the visual system continuously generates a 3-D model of the scene based on known baseline information from interocular separation or proprioception as the observer walks. An alternative is that observers use view-based methods to guide their actions and to represent the spatial layout of the scene. In this case, they may have an expectation of the images they will receive but be insensitive to the rate at which images arrive as they walk. We describe the way in which the eye movement strategy of animals simplifies motion processing if their goal is to move towards a desired image and discuss dorsal and ventral stream processing of moving images in that context. Although many questions about view-based approaches to scene representation remain unanswered, the solutions are likely to be highly relevant to understanding biological 3-D vision.

Uncertainties in annual riverine phosphorus load estimation: Impact of load estimation methodology, sampling frequency, baseflow index and catchment population density

Models developed to identify the rates and origins of nutrient export from land to stream require an accurate assessment of the nutrient load present in the water body in order to calibrate model parameters and structure. These data are rarely available at a representative scale and in an appropriate chemical form except in research catchments. Observational errors associated with nutrient load estimates based on these data lead to a high degree of uncertainty in modelling and nutrient budgeting studies. Here, daily paired instantaneous P and flow data for 17 UK research catchments covering a total of 39 water years (WY) have been used to explore the nature and extent of the observational error associated with nutrient flux estimates based on partial fractions and infrequent sampling. The daily records were artificially decimated to create 7 stratified sampling records, 7 weekly records, and 30 monthly records from each WY and catchment. These were used to evaluate the impact of sampling frequency on load estimate uncertainty. The analysis underlines the high uncertainty of load estimates based on monthly data and individual P fractions rather than total P. Catchments with a high baseflow index and/or low population density were found to return a lower RMSE on load estimates when sampled infrequently than those with a tow baseflow index and high population density. Catchment size was not shown to be important, though a limitation of this study is that daily records may fail to capture the full range of P export behaviour in smaller catchments with flashy hydrographs, leading to an underestimate of uncertainty in Load estimates for such catchments. Further analysis of sub-daily records is needed to investigate this fully. Here, recommendations are given on load estimation methodologies for different catchment types sampled at different frequencies, and the ways in which this analysis can be used to identify observational error and uncertainty for model calibration and nutrient budgeting studies. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.