Global localization with non-quantized local image features

In the field of appearance-based robot localization, the mainstream approach uses a quantized representation of local image features. An alternative strategy is the exploitation of raw feature descriptors, thus avoiding approximations due to quantization. In this work, the quantized and non-quantized representations are compared with respect to their discriminativity, in the context of the robot global localization problem. Having demonstrated the advantages of the non-quantized representation, the paper proposes mechanisms to reduce the computational burden this approach would carry, when applied in its simplest form. This reduction is achieved through a hierarchical strategy which gradually discards candidate locations and by exploring two simplifying assumptions about the training data. The potential of the non-quantized representation is exploited by resorting to the entropy-discriminativity relation. The idea behind this approach is that the non-quantized representation facilitates the assessment of the distinctiveness of features, through the entropy measure. Building on this finding, the robustness of the localization system is enhanced by modulating the importance of features according to the entropy measure. Experimental results support the effectiveness of this approach, as well as the validity of the proposed computation reduction methods.

Spatial dynamics of team sports exposed by Voronoi diagrams

Team sports represent complex systems: players interact continuously during a game, and exhibit intricate patterns of interaction, which can be identified and investigated at both individual and collective levels. We used Voronoi diagrams to identify and investigate the spatial dynamics of players' behavior in Futsal. Using this tool, we examined 19 plays of a sub-phase of a Futsal game played in a reduced area (20 m(2)) from which we extracted the trajectories of all players. Results obtained from a comparative analysis of player's Voronoi area (dominant region) and nearest teammate distance revealed different patterns of interaction between attackers and defenders, both at the level of individual players and teams. We found that, compared to defenders, larger dominant regions were associated with attackers. Furthermore, these regions were more variable in size among players from the same team but, at the player level, the attackers' dominant regions were more regular than those associated with each of the defenders. These findings support a formal description of the dynamic spatial interaction of the players, at least during the particular sub-phase of Futsal investigated. The adopted approach may be extended to other team behaviors where the actions taken at any instant in time by each of the involved agents are associated with the space they occupy at that particular time.

Hand gesture recognition system based in computer vision and machine learning : applications on human-machine interaction

Sendo uma forma natural de interação homem-máquina, o reconhecimento de gestos implica uma forte componente de investigação em áreas como a visão por computador e a aprendizagem computacional. O reconhecimento gestual é uma área com aplicações muito diversas, fornecendo aos utilizadores uma forma mais natural e mais simples de comunicar com sistemas baseados em computador, sem a necessidade de utilização de dispositivos extras. Assim, o objectivo principal da investigação na área de reconhecimento de gestos aplicada à interacção homemmáquina é o da criação de sistemas, que possam identificar gestos específicos e usálos para transmitir informações ou para controlar dispositivos. Para isso as interfaces baseados em visão para o reconhecimento de gestos, necessitam de detectar a mão de forma rápida e robusta e de serem capazes de efetuar o reconhecimento de gestos em tempo real. Hoje em dia, os sistemas de reconhecimento de gestos baseados em visão são capazes de trabalhar com soluções específicas, construídos para resolver um determinado problema e configurados para trabalhar de uma forma particular. Este projeto de investigação estudou e implementou soluções, suficientemente genéricas, com o recurso a algoritmos de aprendizagem computacional, permitindo a sua aplicação num conjunto alargado de sistemas de interface homem-máquina, para reconhecimento de gestos em tempo real. A solução proposta, Gesture Learning Module Architecture (GeLMA), permite de forma simples definir um conjunto de comandos que pode ser baseado em gestos estáticos e dinâmicos e que pode ser facilmente integrado e configurado para ser utilizado numa série de aplicações. É um sistema de baixo custo e fácil de treinar e usar, e uma vez que é construído unicamente com bibliotecas de código. As experiências realizadas permitiram mostrar que o sistema atingiu uma precisão de 99,2% em termos de reconhecimento de gestos estáticos e uma precisão média de 93,7% em termos de reconhecimento de gestos dinâmicos. Para validar a solução proposta, foram implementados dois sistemas completos. O primeiro é um sistema em tempo real capaz de ajudar um árbitro a arbitrar um jogo de futebol robótico. A solução proposta combina um sistema de reconhecimento de gestos baseada em visão com a definição de uma linguagem formal, o CommLang Referee, à qual demos a designação de Referee Command Language Interface System (ReCLIS). O sistema identifica os comandos baseados num conjunto de gestos estáticos e dinâmicos executados pelo árbitro, sendo este posteriormente enviado para um interface de computador que transmite a respectiva informação para os robôs. O segundo é um sistema em tempo real capaz de interpretar um subconjunto da Linguagem Gestual Portuguesa. As experiências demonstraram que o sistema foi capaz de reconhecer as vogais em tempo real de forma fiável. Embora a solução implementada apenas tenha sido treinada para reconhecer as cinco vogais, o sistema é facilmente extensível para reconhecer o resto do alfabeto. As experiências também permitiram mostrar que a base dos sistemas de interação baseados em visão pode ser a mesma para todas as aplicações e, deste modo facilitar a sua implementação. A solução proposta tem ainda a vantagem de ser suficientemente genérica e uma base sólida para o desenvolvimento de sistemas baseados em reconhecimento gestual que podem ser facilmente integrados com qualquer aplicação de interface homem-máquina. A linguagem formal de definição da interface pode ser redefinida e o sistema pode ser facilmente configurado e treinado com um conjunto de gestos diferentes de forma a serem integrados na solução final.

Tuning and application of integer and fractional order PID controllers

Fractional calculus (FC) is widely used in most areas of science and engineering, being recognized its ability to yield a superior modeling and control in many dynamical systems. In this perspective, this article illustrates two applications of FC in the area of control systems. Firstly, is presented a methodology of tuning PID controllers that gives closed-loop systems robust to gain variations. After, a fractional-order PID controller is proposed for the control of an hexapod robot with three dof legs. In both cases, it is demonstrated the system's superior performance by using the FC concepts.

Energy efficiency of quadruped gaits

This paper studies periodic gaits of quadruped locomotion systems. The purpose is to determine the best set of gait and locomotion variables during walking, for different robot velocities, based on two formulated performance measures. A set of experiments reveals the influence of the gait and locomotion variables upon the proposed indices, namely that the gait and the locomotion parameters should be adapted to the robot forward velocity.

Using fractional derivatives for the joint ontrol of hexapod robots

This article studies several Fractional Order Control algorithms used for joint control of a hexapod robot. Both Padé and series approximations to the fractional derivative are considered for the control algorithm. The walking performance is evaluated through two indices: The mean absolute density of energy used per unit distance travelled, and the control effort. A set of simulation experiments reveals the influence of the different approximations upon the proposed indices. The results show that the fractional proportional and derivative algorithm, implemented using the Padé approximation with a small number of terms, gives the best results.

Complex-order dynamics in hexapod locomotion

This paper studies the dynamics of foot–ground interaction in hexapod locomotion systems. For that objective the robot motion is characterized in terms of several locomotion variables and the ground is modelled through a non-linear spring-dashpot system, with parameters based on the studies of soil mechanics. Moreover, it is adopted an algorithm with foot-force feedback to control the robot locomotion. A set of model-based experiments reveals the influence of the locomotion velocity on the foot–ground transfer function, which presents complex-order dynamics.

Vision based obstacle detection for all-terrain robots

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

Sistema de auto calibração visual para robots do ISePorto, baseado em EKF

Os sistemas de perceção existentes nos robôs autónomos, hoje em dia, são bastante complexos. A informação dos vários sensores, existentes em diferentes partes do robôs, necessitam de estar relacionados entre si face ao referencial do robô ou do mundo. Para isso, o conhecimento da atitude (posição e rotação) entre os referenciais dos sensores e o referencial do robô é um fator critico para o desempenho do mesmo. O processo de calibração dessas posições e translações é chamado calibração dos parâmetros extrínsecos. Esta dissertação propõe o desenvolvimento de um método de calibração autónomo para robôs como câmaras direcionais, como é o caso dos robôs da equipa ISePorto. A solução proposta consiste na aquisição de dados da visão, giroscópio e odometria durante uma manobra efetuada pelo robô em torno de um alvo com um padrão conhecido. Esta informação é então processada em conjunto através de um Extended Kalman Filter (EKF) onde são estimados necessários para relacionar os sensores existentes no robô em relação ao referencial do mesmo. Esta solução foi avaliada com recurso a vários testes e os resultados obtidos foram bastante similares aos obtidos pelo método manual, anteriormente utilizado, com um aumento significativo em rapidez e consistência.

Projeto, desenvolvimento e implementação de um robô nadador de inspiração biológica

A elaboração deste trabalho surge no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação, pertencente ao Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e Computadores, ramo de Automação e Sistemas, do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). Este trabalho enquadra-se no âmbito da robótica de inspiração biológica no meio aquático. Pretendeu-se com este trabalho desenvolver e implementar um robô nadador de inspiração biológica. Inicialmente foi realizado um estudo acerca da locomoção dos peixes, para perceber a sua forma de se movimentar. Foi ainda efetuado um estudo acerca dos robôs nadadores existentes, de forma a verificar a sua constituição e formas de locomoção. Numa fase inicial foi desenvolvido um protótipo e, de seguida, procedeu-se à implementação do robô de uma forma sequencial. Implementou-se a estrutura do robô, com o objetivo de se assemelhar o mais possível com um peixe biológico. Foram utilizados servomotores para a locomoção do robô. Para que o robô possua a capacidade de se movimentar numa determinada direção recorreu-se à utilização de uma bússola digital. Posteriormente introduziu-se um emissor/recetor de radiofrequência (RF) para ligar/desligar o robô. Numa fase final procederam-se aos testes da locomoção do robô. Nos ensaios realizados verificou-se que o robô conseguiu nadar com estabilidade e com sentido de direção.

Dimensionamento de um pavilhão industrial metálico com fundações indirectas

Trabalho de projecto para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Estruturas

Testes de resistência, flexibilidade, e ativação/controlo muscular da região lombo pélvica em futebolistas amadores com e sem dor lombar

Introdução: A dor lombar é comum manifestar-se em atletas de futebol, pelo que se torna importante utilizar testes clínicos como forma de detetar alterações que estejam associadas à presença de dor lombar. Objetivo: Identificar a relação entre a presença de dor lombar e os testes de resistência, flexibilidade e ativação/controlo muscular da região lombo pélvica em futebolistas com e sem dor lombar. Métodos: Realizou-se o presente estudo transversal numa amostra de 25 futebolistas amadores, dos quais 8 apresentavam dor lombar. Foi avaliada a resistência e os rácios dos músculos globais do tronco, a flexibilidade dos flexores e extensores da anca bem como a ativação/controlo dos músculos transverso do abdómen e multífidos. Resultados: Os atletas com lombalgia apresentaram uma diminuição significativa do tempo de resistência muscular dos vários grupos musculares do tronco e da flexibilidade muscular comparativamente aos atletas sem lombalgia. Foi também identificado um aumento significativo no rácio flexores/extensores do tronco. Relativamente aos testes de ativação muscular, não foram encontradas associações com a presença de dor lombar. Conclusão: A aplicação de testes de resistência e flexibilidade parece diferenciar os indivíduos com e sem dor lombar, não se tendo verificado o mesmo quanto à ativação do transverso do abdómen e dos multífidos.

Navegação de robôs móveis por marcas artificiais em ambientes semi-estruturados

Mestrado em engenharia electrotécnica e de computadores - Área de Especialização de Sistemas Autónomos

LADAR based mapping and obstacle detection system for service robots

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

Enhanced PCA-based localization using depth maps with missing data

In this paper a new method for self-localization of mobile robots, based on a PCA positioning sensor to operate in unstructured environments, is proposed and experimentally validated. The proposed PCA extension is able to perform the eigenvectors computation from a set of signals corrupted by missing data. The sensor package considered in this work contains a 2D depth sensor pointed upwards to the ceiling, providing depth images with missing data. The positioning sensor obtained is then integrated in a Linear Parameter Varying mobile robot model to obtain a self-localization system, based on linear Kalman filters, with globally stable position error estimates. A study consisting in adding synthetic random corrupted data to the captured depth images revealed that this extended PCA technique is able to reconstruct the signals, with improved accuracy. The self-localization system obtained is assessed in unstructured environments and the methodologies are validated even in the case of varying illumination conditions.