An automatic COLREGs-compliant obstacle avoidance system for an unmanned surface vehicle

Unmanned surface vehicles are becoming increasingly vital tools in a variety of maritime applications. Unfortunately, their usability is severely constrained by the lack of a reliable obstacle detection and avoidance system. In this article, one such experimental platform is proposed, which performs obstacle detection, risk assessment and path planning (avoidance) tasks autonomously in an integrated manner. The detection system is based on a vision-LIDAR (light detection and ranging) system, whereas a heuristic path planner is utilised. A unique property of the path planner is its compliance with the marine collision regulations. It is demonstrated through hardware-in-the-loop simulations that the proposed system can be useful for both uninhabited and manned vessels.

A downlink power control scheme for interference avoidance in femtocells

Femtocells being small low powered base stations provide sufficient increase in system capacity along with better indoor coverage. However, the dense deployment of femtocells face the main challenge of co channel interference with macrocell users. In this paper, this interference problem is addressed by proposing a novel downlink power control algorithm for femtocells. The proposed algorithm gradually reduces the downlink transmit power of femtocells when they are informed about a nearby macrocell user under interference. This information is given to the femtocells by the macrocell base station through a unidirectional downlink broadcast channel. Simulation results show that the algorithm causes the macrocell to accommodate large number of femtocells within its area, whereas at the same time protecting the macrocell users from any harmful interference.

A co-operative formation-based collision avoidance approach for a group of autonomous vehicles (Special Issue on Adaptive Control and Signal Processing in Marine System)

This paper employs a unique decentralised cooperative control method to realise a formation-based collision avoidance strategy for a group of autonomous vehicles. In this approach, the vehicles' role in the formation and their alert and danger areas are first defined, and the formation-based intra-group and external collision avoidance methods are then proposed to translate the collision avoidance problem into the formation stability problem. The extension–decomposition–aggregation formation control method is next employed to stabilise the original and modified formations, whilst manoeuvring, and subsequently solve their collision avoidance problem indirectly. Simulation study verifies the feasibility and effectiveness of the intra-group and external collision avoidance strategy. It is demonstrated that both formation control and collision avoidance problems can be simultaneously solved if the stability of the expanded formation including external obstacles can be satisfied.

Study of pesticide effects on non-target organisms

A utilização insustentável de pesticidas, especialmente em zonas com elevado valor ecológico constitui uma ameaça à integridade dos ecossistemas. Sendo um problema à escala mundial, e também no contexto nacional, o presente trabalho pretende ser um contributo para a avaliação dos efeitos de pesticidas em organismos não alvo terrestres e, principalmente, aquáticos, em contextos de progressiva relevância ecológica. Neste sentido, o estudo foi direccionado para áreas (A1 e A2) integradas numa zona agrícola extensa em Portugal, utilizada para a produção de milho e, principalmente, de arroz (Baixo Mondego), a qual sustenta uma elevada biodiversidade. O estudo teve início na área A1, onde a monitorização físico-química e os ensaios com amostras naturais (ensaios WET - whole effluent tests) provenientes desta área evidenciaram que, apesar da ausência de pesticidas, as amostras de água colhidas no canal que atravessava os arrozais foram as mais nocivas para o crescimento de Pseudokirchneriella subcapitata e Chlorella vulgaris. Uma vez que outras fontes de contaminação (produção de gado) actuavam em A1, o estudo prosseguiu apenas na área A2. Assim, em A2, começou-se por determinar a toxicidade individual e da mistura de dois herbicidas formulados aplicados nos campos de arroz (Viper®) e milho (Mikado®) em condições laboratoriais. Viper® foi o herbicida mais tóxico, tanto para o crescimento de P. subcapitata e C. vulgaris, como para a sobrevivência, reprodução e crescimento de Daphnia longispina e Daphnia magna. Adicionalmente, estimou-se que a mistura Viper®/Mikado® induz efeitos antagonistas no crescimento de P. subcapitata e efeitos sinérgicos no crescimento de C. vulgaris e na sobrevivência dos dafnídeos. A avaliação da toxicidade destes herbicidas formulados e seus ingredientes activos no comportamento de minhocas terrestres (Eisenia andrei), usando solos naturais, demonstrou que Viper® e penoxsulam causaram uma % de evitamento superior nos organismos expostos. Contudo, o risco para E. andrei será à partida reduzido se as taxas de aplicação dos herbicidas forem respeitadas. Ensaios WET foram novamente usados para testar amostras naturais da área A2. Verificou-se que a qualidade do sistema aquático e do arrozal diminuiu durante a estação agrícola, em paralelo com a presença de nutrientes e pesticidas. O crescimento algal foi inibido, apesar dos parâmetros de história de vida dos dafnídeos terem sido estimulados. O resultado desta avaliação subestimou, em certos casos, os impactos reais causados pela aplicação de pesticidas. A avaliação in situ simultânea à aplicação de herbicidas nos arrozais demonstrou que os efeitos registados foram de facto restritos aos pulsos de herbicidas. A inibição das taxas de alimentação de D. longispina e D. magna forneceram um sinal precoce de alterações no sistema, seguido pela diminuição da sua sobrevivência e do crescimento de P. subcapitata. Em suma, as diferentes fases da avaliação efectuada confirmaram a existência de condições desfavoráveis devido às práticas agrícolas, reforçando a necessidade de se conjugar ensaios laboratoriais com avaliações in situ de maior relevância ecológica, para reduzir o grau de incerteza aliado à determinação dos riscos.

Ecotoxicological evaluation of pesticide mixtures

Neste trabalho o risco da aplicação de moluscicidas (metaldeído e metiocarbe) para o isópode terrestre Porcellionides pruinosus foi avaliado usando como parâmetros a mortalidade e biomarcadores de exposição. O tempo até à morte dos isópodes (após contacto com os moluscicidas) foi muito curto, especialmente no caso da exposição ao metiocarbe. Os vários biomarcadores revelaram-se úteis para a compreensão do modo de acção dos dois moluscicidas neste isópode, particularmente o efeito do carbamato metiocarbe na inibição da enzima acetilcolinesterase (AChE). Os efeitos de combinações binárias de três produtos de protecção das plantas (PPP) dimetoato, glifosato e espirodiclofeno foram avaliados testando o comportamento de evitamento de P. pruinosus, o sucesso reprodutivo do colêmbolo Folsomia candida e o crescimento das plantas Brassica rapa e Triticum aestivum, usando os dois modelos de referência de concentração de adição (CA) e acção independente (IA). O modelo MIXTOX foi usado para avaliar possíveis desvios (devido a interacções entre os pesticidas) dos dois modelos de referência. Os resultados obtidos permitem constatar que estes PPP quando aplicados segundo a dose recomendada não acarretam efeitos perniciosos para os organismos testados. Foi detectado sinergismo na mistura feita com glifosato e espirodiclofeno no isópode P. pruinosus e na mistura com glifosato e dimetoato na planta T. aestivum. Um ecossistema terrestre em pequena escala (“STEM”) foi desenvolvido, contendo um solo agrícola mediterrânico. Nestes STEM, minhocas (Eisenia andrei), P. pruinosus, B. rapa e “bait-lamina” foram incorporados no sentido de avaliar os efeitos da aplicação de dimetoato com espirodiclofeno e glifosato com dimetoato. A dose recomendada de aplicação dos PPP, quer na exposição individual quer nas misturas binárias não teve quaisquer efeitos nas espécies testadas. As minhocas foram sensíveis à aplicação conjunta de dimetoato com espirodiclofeno (10 vezes a dose recomendada) na sua distribuição vertical ao longo da coluna do STEM, e foi detectado sinergismo (i.e. mais minhocas escaparam do que a predição feita pelo modelo IA). Em todas as misturas binárias feitas com glifosato e dimetoato registou-se um decréscimo no consumo de “bait-lamina”, indicando sinergismo (menos “bait-lamina” consumidos que o esperado). Dos quatro biomarcadores (Catalase, AChE, GST e LPO) avaliados nos isópodes, verificaram-se diferenças significativas na actividade da enzima AChE (quando dimetoato foi aplicado no solo) e LPO (aumento da actividade devido à aplicação de glifosato e dimetoato).

Ansiedade social e assertividade na adolescência

O presente trabalho pretende caracterizar a associação entre ansiedade social e assertividade na adolescência, bem como desenvolver um modelo compreensivo e de intervenção teórica e empiricamente fundamentado acerca desta problemática. A ansiedade social é definida por medo intenso em situações sociais, associado a crenças negativas predisponentes e comportamentos de segurança ou evitamento subsequentes de situações sociais. A assertividade consiste numa resposta comportamental de auto-expressão empática, fundamentada em crenças positivas e activação emocional reduzida. Assim, estes dois conceitos parecem estar em dissonância, uma vez que, por definição, a ansiedade social surge associada a défice de comportamentos sociais adequados e a assertividade a diminuída activação ansiosa em eventos sociais. Por outro lado, ansiedade social e défice assertivo poderão fundamentar-se em mecanismos psicológicos semelhantes. Para verificar estas duas premissas, o presente trabalho utilizou uma amostra de 679 adolescentes do ensino secundário público de ambos os sexos. Para avaliar a ansiedade social nas três dimensões do funcionamento psicológico foram utilizadas a Escala de Crenças e Pensamentos Sociais e a Escala de Ansiedade e Evitamento de Situações Sociais para Adolescentes. No caso da assertividade, foram utilizados o Questionário de Esquema Interpessoal Assertivo e Escala de Comportamento Interpessoal. A análise de dados permite verificar a existência de uma associação recíproca negativa entre ansiedade social e assertividade, em todos os níveis considerados. Igualmente, os resultados obtidos indicam que esta associação poderá ser fundamentada na existência de baixas crenças sociais positivas que activam pensamentos sociais negativos e subsequentemente ansiedade e desconforto em situações sociais e reduzida frequência de comportamento assertivo. Esta conclusão fundamentou uma intervenção integrada para a promoção da gestão de ansiedade social e da prática de competências assertivas. Esta intervenção foi construída, implementada e avaliada em dois ensaios clínicos junto a 6 adolescentes. Os resultados de significância clínica indicam que o programa tem eficácia terapêutica, ainda que este estudo preliminar não exclua a necessidade de uma avaliação mais aprofundada do benefício associado a esta intervenção. Estes trabalhos assumem, assim, implicações educativas e terapêuticas, ao permitir explicitar e clarificar a associação entre ansiedade social e assertividade, e ao contribuir para o desenvolvimento e avaliação de formas de intervenção adequadas junto ao adolescente social tímido ou inibido. A compreensão e intervenção preventiva para a promoção do ajustamento psicossocial do adolescente emergem como uma realidade possível, pertinente e acessível a todos os agentes educativos.

Imagens das línguas e afectividade em contexto escolar

Enquadrado numa perspectiva sócio-construtivista em Didáctica de Línguas (DL), o presente trabalho propõe-se identificar e descrever as imagens face às línguas estrangeiras, em particular à língua Alemã, e sua aprendizagem, que se manifestam numa determinada comunidade escolar. Com base nas imagens identificadas, pretende-se compreender de que forma elas se relacionam com a dimensão afectiva presente no processo de ensinoaprendizagem, nomeadamente no que diz respeito à relação afectiva que o aprendente vai construindo com o alemão, objecto de estudo. Neste quadro, foram traçadas as seguintes questões de investigação para este trabalho: (1) Que imagens face às línguas escolares (inglês, francês, espanhol, português e, em particular, alemão), se manifestam numa determinada comunidade escolar (considerando os alunos, encarregados de educação, professores, administração da escola e funcionários)?; Como se (inter-) relacionam estas imagens nos diferentes públicos considerados?; (2) De que forma se manifestam as imagens face à língua alemã e sua aprendizagem na interacção em sala de aula de Alemão (LE)? Quais as marcas discursivas que as identificam e tecem?; De que forma estão estas imagens associadas às emoções e (3) Quais as emoções associadas às imagens do Alemão e sua aprendizagem em contexto de sala de aula? A investigação recente em DL sugere que as imagens que um determinado sujeito constrói face a uma dada língua permitem compreender as suas atitudes e comportamentos face à mesma, nomeadamente no que diz respeito à relação afectiva que vai construindo com a língua em causa e sua aprendizagem (cf. ARAÚJO E SÁ & SCHMIDT 2008, DE PIETRO & MÜLLER 1997, MÜLLER 1998, PERREFORT 2001). Estas imagens, enquanto constructos sociais, elaboram-se, revitalizam-se e cristalizam-se na e pela interacção verbal em sala de aula. Nesta perspectiva, o presente trabalho discute os conceitos de imagem/representação face às línguas, relacionandoos com a dimensão afectiva (inegavelmente) presente nos processos de ensino-aprendizagem das LE e à luz de uma abordagem interaccional em DL. A investigação desenrolou-se em duas fases. Numa primeira, aplicou-se um inquérito por questionário a toda uma comunidade escolar (incluindo todos os públicos anteriormente referidos), numa escola secundária com terceiro ciclo em Albergaria-a-Velha, no distrito de Aveiro. Os dados recolhidos foram analisados segundo uma abordagem mista (quantitativa e qualitativa). Os resultados apontam para imagens fortemente escolarizadas, na medida em que os inquiridos parecem considerar as línguas estrangeiras sobretudo enquanto objectos de apropriação em contextos escolares. Identificaram-se imagens homogéneas e consistentes das línguas estrangeiras, evidenciando-se, no que à língua alemã diz respeito, a sua dificuldade. Os resultados relacionam-se com os obtidos noutras investigações realizadas em terreno nacional em DL, corroborando alguns e complementando outros (ARAÚJO E SÁ 2008, SIMÕES 2006, PINTO 2005, MELO 2006 e Projecto Imagens das Línguas na comunicação intercultural: contributos para o desenvolvimento da competência plurilingue). Numa segunda fase, acompanhou-se uma turma de alemão (LE) ao longo de um ano lectivo completo, tendo-se procedido à vídeo-gravação das aulas e, posteriormente, à identificação do que designámos por ‘episódios significativos’, para constituição do corpus de análise. A análise interaccional destes episódios permitiu a identificação de diferentes marcas discursivas (verbais, para-verbais e não-verbais) que indiciam, por um lado, a circulação e (re)construção de imagens face ao alemão e sua aprendizagem e, por outro, a presença de um conjunto de emoções associadas a estas imagens, nos discursos dos aprendentes e da professora. No que diz respeito à imagem da dificuldade do alemão e da sua aprendizagem, cristalizaram-se seis indicadores: (1) a compreensão oral e a pronúncia, (2) o léxico e as palavras compostas (3) os números, (4) a leitura, (5) o sistema de regras gramaticais e, finalmente, (6) a auto-imagem dos alunos enquanto aprendentes de alemão. Os resultados sugerem ainda a associação destas imagens a emoções tendencialmente ‘negativas’ (por exemplo a arrelia e o embaraço), isto é, que se traduzem numa atitude de distanciamento e de evitamento linguístico. Face às conclusões obtidas, propõe-se um conjunto de princípios enquadradores para uma educação em línguas ‘afectivamente consciente’ e capaz de promover imagens mais positivas das línguas e das suas aprendizagens, designadamante do alemão. Considerando-se a diminuição acentuada dos aprendentes de alemão (LE) em contexto escolar nacional nos últimos dez anos, aponta-se para a necessidade de melhor compreender a relação entre a falta de popularidade escolar desta língua e a imagem da sua dificuldade (de aprendizagem).

From genes to population: effects of toxicants on Enchytraeus albidus

Nowadays, a systems biology approach is both a challenge as well as believed to be the ideal form of understanding the organisms’ mechanisms of response. Responses at different levels of biological organization should be integrated to better understand the mechanisms, and hence predict the effects of stress agents, usable in broader contexts. The main aim of this thesis was to evaluate the underlying mechanisms of Enchytraeus albidus responses to chemical stressors. Therefore, there was a large investment on the gene library enrichment for this species, as explained ahead. Overall, effects of chemicals from two different groups (metals and pesticides) were assessed at different levels of biological organization: from genes and biochemical biomarkers to population endpoints. Selected chemicals were: 1) the metals cadmium and zinc; 2) the insecticide dimethoate, the herbicide atrazine and the fungicide carbendazim. At the gene and sub-cellular level, the effects of time and dosage were also adressed. Traditional ecotoxicological tests - survival, reproduction and avoidance behavior - indicated that pesticides were more toxic than metals. Avoidance behaviour is extremely important from an ecological point of view, but not recommended to use for risk assessment purposes. The oxidative stress related experiment showed that metals induced significant effects on several antioxidant enzyme activities and substrate levels, as well as oxidative damage on the membrane cells. To increase the potential of our molecular tool to assess transcriptional responses, the existing cDNA library was enriched with metal and pesticide responding genes, using Suppression Subtractive Hybridization (SSH). With the sequencing information obtained, an improved Agilent custom oligonucleotide microarray was developed and an EST database, including all existing molecular data on E. albidus, was made publicly available as an interactive tool to access information. With this microarray tool, most interesting and novel information on the mechanisms of chemical toxicity was obtained, with the identification of common and specific key pathways affected by each compound. The obtained results allowed the identification of mechanisms of action for the tested compounds in E. albidus, some of which are in line with the ones known for mammals, suggesting across species conserved modes of action and underlining the usefulness of this soil invertebrate as a model species. In general, biochemical and molecular responses were influenced by time of exposure and chemical dosage and these allowed to see the evolution of events. Cellular energy allocation results confirmed the gene expression evidences of an increased energetic expenditure, which can partially explain the decrease on the reproductive output, verified at a later stage. Correlations found throughout this thesis between effects at the different levels of biological organization have further improved our knowledge on the toxicity of metals and pesticides in this species.

Single and joint effects of natural and chemical stressors to the terrestrial isopod Porcellionides pruinosus

Environmental contamination and climate changes constitute two of the most serious problems affecting soil ecosystems in agricultural fields. Agriculture is nowadays a highly optimized process that strongly relies on the application of multiple pesticides to reduce losses and increase yield production. Although constituting, per se, a serious problem to soil biota, pesticide mixtures can assume an even higher relevance in a context of unfavourable environmental conditions. Surprisingly, frameworks currently established for environmental risk assessments keep not considering environmental stressors, such as temperature, soil moisture or UV radiation, as factors liable to influence the susceptibility of organisms to pesticides, or pesticide mixtures, which is raising increasing apprehension regarding their adequacy to actually estimate the risks posed by these compounds to the environment. Albeit the higher attention received on the last few years, the influence of environmental stressors on the behaviour and toxicity of chemical mixtures remains still poorly understood. Aiming to contribute for this discussion, the main goal of the present thesis was to evaluate the single and joint effects of natural stressors and pesticides to the terrestrial isopod Porcellionides pruinosus. The first approach consisted on evaluating the effects of several abiotic factors (temperature, soil moisture and UV radiation) on the performance of P. pruinosus using several endpoints: survival, feeding parameters, locomotor activity and avoidance behaviour. Results showed that these stressors might indeed affect P. pruinosus at relevant environmental conditions, thus suggesting the relevance of their consideration in ecotoxicological assays. At next, a multiple biomarker approach was used to have a closer insight into the pathways of damage of UV radiation and a broad spectrum of processes showed to be involved (i.e. oxidative stress, neurotoxicity, energy). Furthermore, UV effects showed to vary with the environment medium and growth-stage. A similar biomarker approach was employed to assess the single and joint effects of the pesticides chlorpyrifos and mancozeb to P. pruinosus. Energy-related biomarkers showed to be the most differentiating parameters since age-classes seemed to respond differently to contamination stress and to have different metabolic costs associated. Finally, the influence of temperature and soil moisture on the toxicity of pesticide mixtures was evaluated using survival and feeding parameters as endpoints. Pesticide-induced mortality was found to be oppositely affected by temperature, either in single or mixture treatments. Whereas chlorpyrifos acute toxicity was raised under higher temperatures the toxicity of mancozeb was more prominent at lower temperatures. By the opposite, soil moisture showed no effects on the pesticide-induced mortality of isopods. Contrary to survival, both temperature and soil moisture showed to interact with pesticides to influence isopods’ feeding parameters. Nonetheless, was however the most common pattern. In brief, findings reported on this thesis demonstrated why the negligence of natural stressors, or multiple stressors in general, is not a good solution for risk assessment frameworks.