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.

Environmental/Regatta Buoy: Sensing System

Um dos principais objetivos da ciência é perceber a natureza, i.e., descobrir e explicar o funcionamento do mundo que nos rodeia. Para tal, os cientistas precisam de coligir dados e monitorar o meio ambiente. Em particular, considerando que cerca de 70% da Terra é coberta por água, a coleta de parâmetros de caracterização da água de grandes superfícies é uma prioridade. A monitorização das condições da água é feita principalmente através de bóias. No entanto, as bóias disponíveis no mercado não satisfazem as necessidades existentes. Esta é uma das principais razões que levaram o Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto a lançarem um projeto para o desenvolvimento de uma bóia reconfigurável e com dois modos de funcionamento: monitorização ambiental e baliza ativa de regata. O segundo modo é destinado a regatas de veleiros autónomos. O projeto começou há um ano com um projeto do European Project Project [1] (EPS), realizado por quatro estudantes internacionais, destinado à construção da estrutura da bóia e à selecção dos componentes mais adequados para o sistema de medição e controlo. A arquitetura que foi definida para este sistema é do tipo mestre-escravo e é composta por uma unidade de controlo mestre para a telemetria e configuração e uma unidade de controlo escrava para a medição e armazenamento de dados. O desenvolvimento do projeto continuou com dois estudantes belgas que trabalharam na comunicação e no armazenamento de dados. Este projeto, que prossegue com o desenvolvimento da medição e do armazenamento de dados do lado da unidade de controlo escrava, tem os seguintes objetivos: (i ) implementar o protocolo de comunicação na unidade de controlo escrava; (ii ) coligir e armazenar os dados dos sensores no cartão SD em tempo real; (iii ) fornecer dados em tempo útil; e (iv) recuperar dados do cartão SD em tempo diferido. As contribuições anteriores foram estudadas e foi feito um levantamento dos projetos congéneres existentes. O desenvolvimento do projeto atual começou com o protocolo de comunicação. Este protocolo, que foi projetado pelos alunos anteriores, foi um bom ponto de partida. No entanto, o protocolo foi atualizado e melhorado com novas funcionalidades. Esta última componente foi um trabalho conjunto com Laurens Allart, que esteve a trabalhar no subsistema de telemetria e de configuração durante este semestre. O protocolo foi implementado do lado da unidade de controlo escrava através de uma estrutura de múltiplas actividades paralelas (multithreaded). Esta estrutura recebe as mensagens da unidade mestre, executa as ações solicitadas e envia de volta o resultado. A bóia é um dispositivo reconfigurável multimodo que pode ser expandido com novos modos de operação no futuro. Infelizmente, sofre de algumas limitações: suporta uma carga máxima de 40 kg e tem uma área de implantação limitada pela distância máxima à estacão base.

Modelo de controlo difuso de um sistema de produção de energia com base em recursos renováveis

A satisfação das necessidades energéticas mundiais, cada vez mais exigentes, bem como a necessidade urgente de procurar caminhos que permitam usufruir de energia, da forma menos poluente possível, levam à necessidade de serem explorados caminhos que permitam cumprir estes pressupostos. A escolha da utilização das energias renováveis na produção de energia, torna-se cada vez mais interessante, quer do ponto de vista ambiental quer económico. O fundamento da lógica difusa está associado à recolha de informações vagas, que são no fundo uma linguagem falada por seres humanos, possibilitando a passagem deste tipo de linguagem para formato numérico, permitindo assim uma manipulação computacional. Elementos climáticos como o sol e o vento, podem ser descritos em forma de variáveis linguísticas, como é o caso de vento forte, temperatura baixa, irradiação fraca, etc. Isto faz com que a aplicação de um controlo a partir destes fenómenos, justifique ser realizado com recurso a sistemas de inferência difusa. Para a realização do trabalho proposto, foram consumados estudos relativos às energias renováveis, com particular enfoque na solar e na eólica. Também foi realizado um estudo dos conceitos pertencentes à lógica difusa e a sistemas de inferência difusa com o objetivo de perceber os diversos parâmetros constituintes desta matéria. Foi realizado o estudo e desenvolvimento de um sistema de aquisição de dados, bem como do controlador difuso que é o busílis do trabalho descrito neste relatório. Para tal, o trabalho foi efetuado com o recurso ao software MATLAB, a partir do qual foram desenvolvidas aplicações que possibilitaram a obtenção de dados climáticos, com vista à sua utilização na toolbox Fuzzy Logic a qual foi utilizada para o desenvolvimento de todo o algoritmo de controlo. Com a possibilidade de aquisição de dados concluída e das variáveis que iriam ser necessárias definidas, foi implementado o controlador difuso que foi sendo sintonizado ao longo do trabalho por forma a garantir os melhores resultados possíveis. Com o recurso à ferramenta Guide, também do MATLAB, foi criada a interface do sistema com o utilizador, sendo possível a averiguação da energia a ser produzida, bem como das contribuições de cada uma das fontes de energia renováveis para a obtenção dessa mesma energia. Por último, foi feita uma análise de resultados através da comparação entre os valores reais esperados e os valores obtidos pelo controlador difuso, bem como assinaladas conclusões e possibilidades de desenvolvimentos futuros deste trabalho.

TEA: Timing and Energy Aware compression architecture for Efficient Configuration in CGRAs

Coarse Grained Reconfigurable Architectures (CGRAs) are emerging as enabling platforms to meet the high performance demanded by modern applications (e.g. 4G, CDMA, etc.). Recently proposed CGRAs offer time-multiplexing and dynamic applications parallelism to enhance device utilization and reduce energy consumption at the cost of additional memory (up to 50% area of the overall platform). To reduce the memory overheads, novel CGRAs employ either statistical compression, intermediate compact representation, or multicasting. Each compaction technique has different properties (i.e. compression ratio, decompression time and decompression energy) and is best suited for a particular class of applications. However, existing research only deals with these methods separately. Moreover, they only analyze the compaction ratio and do not evaluate the associated energy overheads. To tackle these issues, we propose a polymorphic compression architecture that interleaves these techniques in a unique platform. The proposed architecture allows each application to take advantage of a separate compression/decompression hierarchy (consisting of various types and implementations of hardware/software decoders) tailored to its needs. Simulation results, using different applications (FFT, Matrix multiplication, and WLAN), reveal that the choice of compression hierarchy has a significant impact on compression ratio (up to 52%), decompression energy (up to 4 orders of magnitude), and configuration time (from 33 n to 1.5 s) for the tested applications. Synthesis results reveal that introducing adaptivity incurs negligible additional overheads (1%) compared to the overall platform area.

A Novel Run-Time Monitoring Architecture for Safe and Efficient Inline Monitoring

20th International Conference on Reliable Software Technologies - Ada-Europe 2015 (Ada-Europe 2015), Madrid, Spain.

Autonomous Surface Vehicle Docking Manoeuvre with Visual Information

This work presents a hybrid coordinated manoeuvre for docking an autonomous surface vehicle with an autonomous underwater vehicle. The control manoeuvre uses visual information to estimate the AUV relative position and attitude in relation to the ASV and steers the ASV in order to dock with the AUV. The AUV is assumed to be at surface with only a small fraction of its volume visible. The system implemented in the autonomous surface vehicle ROAZ, developed by LSA-ISEP to perform missions in river environment, test autonomous AUV docking capabilities and multiple AUV/ASV coordinated missions is presented. Information from a low cost embedded robotics vision system (LSAVision), along with inertial navigation sensors is fused in an extended Kalman filter and used to determine AUV relative position and orientation to the surface vehicle The real time vision processing system is described and results are presented in operational scenario.

P-SOCRATES: A parallel software framework for time-critical many-core systems

Article in Press, Corrected Proof

Thermographic and visible spectrum camera calibration for marine robotic target detection

Oceans - San Diego, 2013

High-Accuracy Low-Cost RTK-GPS for an Unmanned Surface Vehicle

This work presents a low cost RTK-GPS system for localization of unmanned surface vehicles. The system is based on the use of standard low cost L1 band receivers and in the RTKlib open source software library. Mission scenarios with multiple robotic vehicles are addressed as the ones envisioned in the ICARUS search and rescue case where the possibility of having a moving RTK base on a large USV and multiple smaller vehicles acting as rovers in a local communication network allows for local relative localization with high quality. The approach is validated in operational conditions with results presented for moving base scenario. The system was implemented in the SWIFT USV with the ROAZ autonomous surface vehicle acting as a moving base. This setup allows for the performing of a missions in a wider range of environments and applications such as precise 3D environment modeling in contained areas and multiple robot operations.

Neural control of an autonomous robot

This article aims to apply the concepts associated with artificial neural networks (ANN) in the control of an autonomous robot system that is intended to be used in competitions of robots. The robot was tested in several arbitrary paths in order to verify its effectiveness. The results show that the robot performed the tasks with success. Moreover, in the case of arbitrary paths the ANN control outperforms other methodologies, such as fuzzy logic control (FLC).

Energy Harvesting for Autonomous Underwater Vehicles

In this study, energy production for autonomous underwater vehicles is investigated. This project is part of a bigger project called TURTLE. The autonomous vehicles perform oceanic researches at seabed for which they are intended to be kept operational underwater for several months. In order to ful l a long-term underwater condition, powerful batteries are combined with \micro- scale" energy production on the spot. This work tends to develop a system that generates power up to a maximum of 30 W. Latter energy harvesting structure consists basically of a turbine combined with a generator and low-power electronics to adjust the achieved voltage to a required battery charger voltage. Every component is examined separately hence an optimum can be de ned for all, and subsequently also an overall optimum. Di erent design parameters as e.g. number of blades, solidity ratio and cross-section area are compared for di erent turbines, in order to see what is the most feasible type. Further, a generator is chosen by studying how ux distributions might be adjusted to low velocities, and how cogging torque can be excluded by adapted designs. Low-power electronics are con gured in order to convert and stabilize heavily varying three-phase voltages to a constant, recti ed voltage which is usable for battery storage. Clearly, di erent component parameters as maximum power and torque are matched here to increase the overall power generation. Furthermore an overall maximum power is set up for achieving a maximum power ow at load side. Due to among others typical low velocities of about 0.1 to 0.5 m/s, and constructing limits of the prototype, the vast range of components is restricted to only a few that could be used. Hence, a helical turbine is combined in a direct drive mode to a coreless-stator axial- ux permanent-magnet generator, from which the output voltage is adjusted subsequently by a recti er, impedance matching unit, upconverter circuit and an overall control unit to regulate di erent component parameters. All these electronics are combined in a closed-loop design to involve positive feedback signals. Furthermore a theoretical con guration for the TURTLE vehicle is described in this work and a solution is proposed that might be implemented, for which several design tests are performable in a future study.

Architecture to Support Quality of Service in Arrowhead Systems

Presented at INForum - Simpósio de Informática (INFORUM 2015). 7 to 8, Sep, 2015. Covilhã, Portugal.

Run-time Monitoring Architecture for RealTime Systems

Presented at INForum - Simpósio de Informática (INFORUM 2015). 7 to 8, Sep, 2015. Portugal.

Parallel Software framework for time-critical many-core systems

The recent technological advancements and market trends are causing an interesting phenomenon towards the convergence of High-Performance Computing (HPC) and Embedded Computing (EC) domains. On one side, new kinds of HPC applications are being required by markets needing huge amounts of information to be processed within a bounded amount of time. On the other side, EC systems are increasingly concerned with providing higher performance in real-time, challenging the performance capabilities of current architectures. The advent of next-generation many-core embedded platforms has the chance of intercepting this converging need for predictable high-performance, allowing HPC and EC applications to be executed on efficient and powerful heterogeneous architectures integrating general-purpose processors with many-core computing fabrics. To this end, it is of paramount importance to develop new techniques for exploiting the massively parallel computation capabilities of such platforms in a predictable way. P-SOCRATES will tackle this important challenge by merging leading research groups from the HPC and EC communities. The time-criticality and parallelisation challenges common to both areas will be addressed by proposing an integrated framework for executing workload-intensive applications with real-time requirements on top of next-generation commercial-off-the-shelf (COTS) platforms based on many-core accelerated architectures. The project will investigate new HPC techniques that fulfil real-time requirements. The main sources of indeterminism will be identified, proposing efficient mapping and scheduling algorithms, along with the associated timing and schedulability analysis, to guarantee the real-time and performance requirements of the applications.

Reconfiguração e desenvolvimento do sistema de controlo de um AGV

O veículo guiado automaticamente (AGV) adquirido pelo Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) tem vindo a ficar obsoleto devido ao hardware, que nos dias de hoje começa a dar sinais de falhas bem como falta de peças de substituição, e ao software, sendo o PLC (Programmable Logic Controller) usado muito limitado quanto às suas funções de controlo, ficando as principais tarefas de controlo do AGV a cargo de placas eletrónicas de controlo. Para promover o controlo autónomo do AGV, foi decidido retirar toda a parte de hardware que detinha o controlo do mesmo e passou a ser um novo PLC, com maior capacidade de processamento, a executar todo o tipo de controlo necessário ao funcionamento do mesmo. O hardware considerado apenas incluí, de forma resumida, os motores responsáveis pelo movimento e direção, placa de controlo de potência dos motores, placa de interface entre as saídas digitais do PLC e as entradas da placa de controlo de potência dos motores e os demais sensores necessários à deteção de obstáculos, fins de curso da direção, sensores dos postos de trabalho e avisadores de emergência. Todo o controlo de movimento e direção bem como a seleção das ações a executar passou a ficar a cargo do software programado no PLC assim como a interação entre o sistema de supervisão instalado num posto de controlo e o PLC através de comunicação via rádio. O uso do PLC permitiu a flexibilidade de mudar facilmente a forma como as saídas digitais são usadas, ao contrário de um circuito eletrónico que necessita de uma completa remodelação, tempo de testes e implementação para efetuar a mesma função. O uso de um microcontrolador seria igualmente viável para a aplicação em causa, no entanto o uso do PLC tem a vantagem de ser robusto, mais rápido na velocidade de processamento, existência de software de interface de programação bastante intuitivo e de livre acesso, facilidade de alterar a programação localmente ou remotamente, via rádio, acesso a vários protocolos de comunicação robustos como Modbus, Canbus, Profinet, Modnet, etc., e acesso integrado de uma consola gráfica totalmente programável. iv É ainda possível a sua expansão com adição de módulos de entradas e saídas digitais e/ou analógicas permitindo expandir largamente o uso do AGV para outros fins. A solução está a ser amplamente testada e validada no Laboratório de Automação (LabA) do Departamento de Engenharia Mecânica do ISEP (Instituto Superior de Engenharia do Porto), permitindo a otimização dos sistemas de controlo de direção bem como a interatividade entre o PLC e o programa de interface/supervisão do posto de trabalho.