Sensor de direcção luminosa para seguimento solar

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Fire safety barrier availability analysis

This paper shows several ways to analyse the performance of a safety barrier, depending on the objective to be achieved and present a method to analyse binary components usually present on sensor systems of safety barriers. An application example of a water-based fire system is presented and the Probability of Failure on Demand (PFD) of the sensor system is determined based on the analysis of pressure switches installed in this safety barrier. The knowledge of such information will allow the determination of safety barrier’s availability.

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.

Localization system for pedestrians based on sensor and information fusion

Nowadays there is an increase of location-aware mobile applications. However, these applications only retrieve location with a mobile device's GPS chip. This means that in indoor or in more dense environments these applications don't work properly. To provide location information everywhere a pedestrian Inertial Navigation System (INS) is typically used, but these systems can have a large estimation error since, in order to turn the system wearable, they use low-cost and low-power sensors. In this work a pedestrian INS is proposed, where force sensors were included to combine with the accelerometer data in order to have a better detection of the stance phase of the human gait cycle, which leads to improvements in location estimation. Besides sensor fusion an information fusion architecture is proposed, based on the information from GPS and several inertial units placed on the pedestrian body, that will be used to learn the pedestrian gait behavior to correct, in real-time, the inertial sensors errors, thus improving location estimation.

Propagation of waves generated by a pressure disturbance moving in a channel

This paper studies the effect of ship speed and water depth on the propagation of ship generated waves. The ship is represented by a moving pressure distribution function at the free surface that is able to reproduce most of the phenomena involved in wave propagation. Results are obtained for a ship sailing along a coastal stretch made of a sloping bottom and a constant depth region. The results show that in the sloping bottom the crests of waves are bent along the slope and in the constant depth the standard Kelvin wave patterns can be found for the subcritical regime. In the critical regime the wave system is characterized by significant diverging waves and for a supercritical regime, the transverse waves disappear. © 2015 Taylor & Francis Group, London.

Unmixing hyperspectral data: independent and dependent component analysis

The development of high spatial resolution airborne and spaceborne sensors has improved the capability of ground-based data collection in the fields of agriculture, geography, geology, mineral identification, detection [2, 3], and classification [4–8]. The signal read by the sensor from a given spatial element of resolution and at a given spectral band is a mixing of components originated by the constituent substances, termed endmembers, located at that element of resolution. This chapter addresses hyperspectral unmixing, which is the decomposition of the pixel spectra into a collection of constituent spectra, or spectral signatures, and their corresponding fractional abundances indicating the proportion of each endmember present in the pixel [9, 10]. Depending on the mixing scales at each pixel, the observed mixture is either linear or nonlinear [11, 12]. The linear mixing model holds when the mixing scale is macroscopic [13]. The nonlinear model holds when the mixing scale is microscopic (i.e., intimate mixtures) [14, 15]. The linear model assumes negligible interaction among distinct endmembers [16, 17]. The nonlinear model assumes that incident solar radiation is scattered by the scene through multiple bounces involving several endmembers [18]. Under the linear mixing model and assuming that the number of endmembers and their spectral signatures are known, hyperspectral unmixing is a linear problem, which can be addressed, for example, under the maximum likelihood setup [19], the constrained least-squares approach [20], the spectral signature matching [21], the spectral angle mapper [22], and the subspace projection methods [20, 23, 24]. Orthogonal subspace projection [23] reduces the data dimensionality, suppresses undesired spectral signatures, and detects the presence of a spectral signature of interest. The basic concept is to project each pixel onto a subspace that is orthogonal to the undesired signatures. As shown in Settle [19], the orthogonal subspace projection technique is equivalent to the maximum likelihood estimator. This projection technique was extended by three unconstrained least-squares approaches [24] (signature space orthogonal projection, oblique subspace projection, target signature space orthogonal projection). Other works using maximum a posteriori probability (MAP) framework [25] and projection pursuit [26, 27] have also been applied to hyperspectral data. In most cases the number of endmembers and their signatures are not known. Independent component analysis (ICA) is an unsupervised source separation process that has been applied with success to blind source separation, to feature extraction, and to unsupervised recognition [28, 29]. ICA consists in finding a linear decomposition of observed data yielding statistically independent components. Given that hyperspectral data are, in given circumstances, linear mixtures, ICA comes to mind as a possible tool to unmix this class of data. In fact, the application of ICA to hyperspectral data has been proposed in reference 30, where endmember signatures are treated as sources and the mixing matrix is composed by the abundance fractions, and in references 9, 25, and 31–38, where sources are the abundance fractions of each endmember. In the first approach, we face two problems: (1) The number of samples are limited to the number of channels and (2) the process of pixel selection, playing the role of mixed sources, is not straightforward. In the second approach, ICA is based on the assumption of mutually independent sources, which is not the case of hyperspectral data, since the sum of the abundance fractions is constant, implying dependence among abundances. This dependence compromises ICA applicability to hyperspectral images. In addition, hyperspectral data are immersed in noise, which degrades the ICA performance. IFA [39] was introduced as a method for recovering independent hidden sources from their observed noisy mixtures. IFA implements two steps. First, source densities and noise covariance are estimated from the observed data by maximum likelihood. Second, sources are reconstructed by an optimal nonlinear estimator. Although IFA is a well-suited technique to unmix independent sources under noisy observations, the dependence among abundance fractions in hyperspectral imagery compromises, as in the ICA case, the IFA performance. Considering the linear mixing model, hyperspectral observations are in a simplex whose vertices correspond to the endmembers. Several approaches [40–43] have exploited this geometric feature of hyperspectral mixtures [42]. Minimum volume transform (MVT) algorithm [43] determines the simplex of minimum volume containing the data. The MVT-type approaches are complex from the computational point of view. Usually, these algorithms first find the convex hull defined by the observed data and then fit a minimum volume simplex to it. Aiming at a lower computational complexity, some algorithms such as the vertex component analysis (VCA) [44], the pixel purity index (PPI) [42], and the N-FINDR [45] still find the minimum volume simplex containing the data cloud, but they assume the presence in the data of at least one pure pixel of each endmember. This is a strong requisite that may not hold in some data sets. In any case, these algorithms find the set of most pure pixels in the data. Hyperspectral sensors collects spatial images over many narrow contiguous bands, yielding large amounts of data. For this reason, very often, the processing of hyperspectral data, included unmixing, is preceded by a dimensionality reduction step to reduce computational complexity and to improve the signal-to-noise ratio (SNR). Principal component analysis (PCA) [46], maximum noise fraction (MNF) [47], and singular value decomposition (SVD) [48] are three well-known projection techniques widely used in remote sensing in general and in unmixing in particular. The newly introduced method [49] exploits the structure of hyperspectral mixtures, namely the fact that spectral vectors are nonnegative. The computational complexity associated with these techniques is an obstacle to real-time implementations. To overcome this problem, band selection [50] and non-statistical [51] algorithms have been introduced. This chapter addresses hyperspectral data source dependence and its impact on ICA and IFA performances. The study consider simulated and real data and is based on mutual information minimization. Hyperspectral observations are described by a generative model. This model takes into account the degradation mechanisms normally found in hyperspectral applications—namely, signature variability [52–54], abundance constraints, topography modulation, and system noise. The computation of mutual information is based on fitting mixtures of Gaussians (MOG) to data. The MOG parameters (number of components, means, covariances, and weights) are inferred using the minimum description length (MDL) based algorithm [55]. We study the behavior of the mutual information as a function of the unmixing matrix. The conclusion is that the unmixing matrix minimizing the mutual information might be very far from the true one. Nevertheless, some abundance fractions might be well separated, mainly in the presence of strong signature variability, a large number of endmembers, and high SNR. We end this chapter by sketching a new methodology to blindly unmix hyperspectral data, where abundance fractions are modeled as a mixture of Dirichlet sources. This model enforces positivity and constant sum sources (full additivity) constraints. The mixing matrix is inferred by an expectation-maximization (EM)-type algorithm. This approach is in the vein of references 39 and 56, replacing independent sources represented by MOG with mixture of Dirichlet sources. Compared with the geometric-based approaches, the advantage of this model is that there is no need to have pure pixels in the observations. The chapter is organized as follows. Section 6.2 presents a spectral radiance model and formulates the spectral unmixing as a linear problem accounting for abundance constraints, signature variability, topography modulation, and system noise. Section 6.3 presents a brief resume of ICA and IFA algorithms. Section 6.4 illustrates the performance of IFA and of some well-known ICA algorithms with experimental data. Section 6.5 studies the ICA and IFA limitations in unmixing hyperspectral data. Section 6.6 presents results of ICA based on real data. Section 6.7 describes the new blind unmixing scheme and some illustrative examples. Section 6.8 concludes with some remarks.

Development of a system to monitor surfer’s balance and plantar pressure and surfboard’s movement

O uso da tecnologia tem crescido nas últimas décadas nas mais diversas áreas, seja na indústria ou no dia-a-dia, e é cada vez mais evidente os benefícios que traz. No desporto não é diferente. Cada dia surgem novos desenvolvimentos objetivando a melhoria do desempenho dos praticantes de atividades físicas, possibilitando atingir resultados nunca antes pensados. Além disto, a utilização da tecnologia no desporto permite a obtenção de dados biomecânicos que podem ser utilizados tanto no treinamento quando na melhoria da qualidade de vida dos atletas auxiliando na prevenção de lesões, por exemplo. Deste modo, o presente projeto se aplica na área do desporto, nomeadamente, na modalidade do surfe, onde a ausência de trabalhos científicos ainda é elevada, aliando a tecnologia eletrônica ao desporto para quantificar informações até então desconhecidas. Três fatores básicos de desempenho foram levantados, sendo eles: equilíbrio, posicionamento dos pés e movimentação da prancha de surfe. Estes fatores levaram ao desenvolvimento de um sistema capaz de medi-los dinamicamente através da medição das forças plantares e da rotação da prancha de surfe. Além da medição dos fatores, o sistema é capaz de armazenar os dados adquiridos localmente através de um cartão de memória, para posterior análise; e também enviá-los através de uma comunicação sem fio, permitindo a visualização do centro de pressões plantares; dos ângulos de rotação da prancha de surfe; e da ativação dos sensores; em tempo real. O dispositivo consiste em um sistema eletrônico embarcado composto por um microcontrolador ATMEGA1280; um circuito de aquisição e condicionamento de sinal analógico; uma central inercial; um módulo de comunicação sem fio RN131; e um conjunto de sensores de força Flexiforce. O firmware embarcado foi desenvolvido em linguagem C. O software Matlab foi utilizado para receção de dados e visualização em tempo real. Os testes realizados demostraram que o funcionamento do sistema atende aos requisitos propostos, fornecendo informação acerca do equilíbrio, através do centro de pressões; do posicionamento dos pés, através da distribuição das pressões plantares; e do movimento da prancha nos eixos pitch e roll, através da central inercial. O erro médio de medição de força verificado foi de -0.0012 ± 0.0064 N, enquanto a mínima distância alcançada na transmissão sem fios foi de 100 m. A potência medida do sistema foi de 330 mW.

Transparent oxide thin-film transistors: production, characterization and integration

In partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Nanotechnologies and Nanosciences by Universidade Nova de Lisboa Faculdade de Ciências e Tecnologia

Sistema de Variação de Lastro para Controlo de Movimento Vertical de Veículo Subaquático

O principal motivo para a realização deste trabalho consistiu no desenvolvimento de tecnologia robótica, que permitisse o mergulho e ascenção de grandes profundidades de uma forma eficiente. O trabalho realizado contemplou uma fase inicial de análise e estudo dos sistemas robóticos existentes no mercado, bem como métodos utilizados identificando vantagens e desvantagens em relação ao tipo de veículo pretendido. Seguiu-se uma fase de projeto e estudo mecânico, com o intuito de desenvolver um veículo com variação de lastro através do bombeamento de óleo para um reservatório exterior, para variar o volume total do veículo, variando assim a sua flutuabilidade. Para operar a grande profundidade com AUV’s é conveniente poder efetuar o trajeto up/down de forma eficiente e a variação de lastro apresenta vantagens nesse aspeto. No entanto, contrariamente aos gliders o interesse está na possibilidade de subir e descer na vertical. Para controlar a flutuabilidade e ao mesmo tempo analisar a profundidade do veículo em tempo real, foi necessario o uso de um sistema de processamento central que adquirisse a informação do sensor de pressão e comunicasse com o sistema de variação de lastro, de modo a fazer o controlo de posicionamento vertical desejado. Do ponto de vista tecnológico procurou-se desenvolver e avaliar soluções de variação de volume intermédias entre as dos gliders (poucas gramas) e as dos ROV’s workclass (dezenas ou centenas de kilogramas). Posteriormente, foi desenvolvido um simulador em matlab (Simulink) que reflete o comportamento da descida do veículo, permitindo alterar parâmetros do veículo e analisar os seus resultados práticos, de modo a poder ajustar o veículo real. Nos resultados simulados verificamos o cálculo das velocidades limite atingidas pelo veículo com diferentes coeficientes de atrito, bem como o comportamento da variação de lastro do veículo no seu deslocamento vertical. Sistema de Variação de Lastro para Controlo de Movimento Vertical de Veículo Subaquático Por fim, verificou-se ainda a capacidade de controlo do veículo para uma determinada profundiade, e foi feita a comparação entre estas simulações executadas com parâmetros muito próximos do ensaio real e os respetivos ensaios reais.

Proposta metodológica para avaliação preliminar de jazigos de shale gas

O potencial de um reservatório de shale gas e influenciado por um grande número de fatores, tais como a sua mineralogia e textura, o seu tipo e maturação de querogénio, a saturação de fluidos, os mecanismos de armazenamento de gás, a profundidade do reservatório e a temperatura e pressão de poros. Nesse sentido, o principal objetivo desta tese foi estabelecer uma metodologia de avaliação preliminar de potenciais jazigos de shale gas (estudo de afloramentos com base numa litoestratigrafia de alta resolução), que foi posteriormente aplicada na Formação de Vale das Fontes (Bacia Lusitânica, Portugal). Esta tese tem a particularidade de contribuir, não só para o aprofundamento da informação a nível geoquímico do local, mas também na abordagem inovadora que permitiu a caracterização petrofísica da Formação de Vale das Fontes. Para a aplicação da metodologia estabelecida, foi necessária a realização dos seguintes ensaios laboratoriais: Rock-Eval 6, picnometria de gás hélio, ensaio de resistência a compressão simples, Darcypress e a difracção de raios-X, aplicando o método de Rietveld. Os resultados obtidos na análise petrofísica mostram uma formação rochosa de baixa porosidade que segundo a classificação ISRM, e classificada como ”Resistente”, para alem de revelar comportamento dúctil e elevado índice de fragilidade. A permeabilidade média obtida situa a Formação no intervalo correspondente as permeabilidades atribuídas aos jazigos de tigh gas, indicando a necessidade de fracturação hidráulica, no caso de uma eventual exploração de hidrocarbonetos, enquanto a difracção de raios-X destaca a calcite, o quartzo e os filossilicatos como os minerais mais presentes na Formação. Do ponto de vista geoquímico, os resultados obtidos mostram que apesar do considerável teor médio de carbono orgânico total, a natureza da matéria orgânica analisada e maioritariamente imatura, composta, principalmente, por querogénio do tipo IV, o que indica a incapacidade de a formação gerar hidrocarbonetos em quantidades economicamente exploráveis.

One-step preparation of optically transparent Ni-Fe oxide film electrocatalyst for oxygen evolution reaction

Optically transparent cocatalyst film materials is very desirable for improved photoelectrochemical (PEC)oxygen evolution reaction (OER) over light harvesting photoelectrodes which require the exciting light to irradiate through the cocatalyst side, i.e., front-side illumination. In view of the reaction overpotential at electrode/electrolyte interface, the OER electrocatalysts have been extensively used as cocatalysts for PEC water oxidation on photoanode. In this work, the feasibility of a one-step fabrication of the transparent thin film catalyst for efficient electrochemical OER is investigated. The Ni-Fe bimetal oxide films, 200 nm in thickness, are used for study. Using a reactive magnetron co-sputtering technique, transparent(> 50% in wavelength range 500-2000 nm) Ni-Fe oxide films with high electrocatalytic activities were successfully prepared at room temperature. Upon optimization, the as-prepared bimetal oxide film with atomic ratio of Fe/Ni = 3:7 demonstrates the lowest overpotential for the OER in aqueous KOH solution, as low as 329 mV at current density of 2 mA cm 2, which is 135 and 108 mV lower than that of as-sputtered FeOx and NiOx thin films, respectively. It appears that this fabrication strategy is very promising to deposit optically transparent cocatalyst films on photoabsorbers for efficient PEC water splitting.

Um sensor de peróxido de hidrogénio numa bacteria anaeróbia: a PerR de Desulfovobrio vulgaris vulgaris Hildenborough

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Bioquímica Estrutural e Funcional, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Desenvolvimento de um sensor de electroencefalografia localizado

Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para complementar os requerimentos para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Desenvolvimento e aplicação de um biossensor para monitorização de creatinina, um biomarcador associado a doenças emergentes

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um material sensor para creatinina por impressão molecular em estrutura polimérica (MIP) e a sua aplicação no desenvolvimento de um dispositivo de natureza potenciométrica para a determinação da molécula alvo em fluidos biológicos. A creatinina é um dos biomarcadores mais utilizados no acompanhamento da doença renal, já que é um bom indicador da taxa de filtração glomerular (TFG). Os materiais biomiméticos desenhados para interação com a creatinina foram obtidos por polimerização radicalar, recorrendo a monómeros de ácido metacríclico ou de vinilpiridina e a um agente de reticulação apropriado. De modo a aferir o efeito da impressão da creatinina na resposta dos materiais MIP à sua presença, foram também preparados e avaliados materiais de controlo, obtidos sem impressão molecular (NIP). O controlo da constituição química destes materiais, incluindo a extração da molécula impressa, foi realizado por Espectroscopia de Raman e de Infravermelho com Transformada de Fourrier. A afinidade de ligação entre estes materiais e a creatinina foi também avaliada com base em estudos cinéticos. Todos os materiais descritos foram integrados em membranas selectivas de elétrodos seletivos de ião, preparadas sem ou com aditivo iónico lipófilo, de carga negativa ou positiva. A avaliação das características gerais de funcionamento destes elétrodos, em meios de composição e pH diferentes, indicaram que as membranas com materiais impressos e aditivo aniónico eram as únicas com utilidade analítica. Os melhores resultados foram obtidos em solução tampão Piperazine-N,N′-bis(2- ethanesulfonic acid), PIPES, de pH 2,8, condição que permitiu obter uma resposta quasi-Nernstiana, a partir de 1,6×10-5 mol L-1. Estes elétrodos demonstraram ainda uma boa selectividade ao apresentaram uma resposta preferencial para a creatinina quando na presença de ureia, carnitina, glucose, ácido ascórbico, albumina, cloreto de cálcio, cloreto de potássio, cloreto de sódio e sulfato de magnésio. Os elétrodos foram ainda aplicados com sucesso na análise de amostras sintéticas de urina, quando os materiais sensores eram baseados em ácido metacrilico, e soro, quando os materiais sensores utilizados eram baseados em vinilpiridina.

Development of a piezoelectric biosensor based on PVDF films

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica