Sistema de visão para percepção e navegação de um UAV Quadrotor

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Sistema de busca e salvamento baseado em múltiplos veículos terrestres

Esta dissertação visa o desenvolvimento de um sistema de busca e salvamento baseado em múltiplos veículos terrestres, utilizando para tal os veículos LINCE do Laboratório de Sistemas Autónomos. Tendo como principal propósito conferir autonomia aos veículos, foram estudados possíveis cenários de actuação, para determinar as principais funcionalidades requeridas do sistema. Foram também estudadas metodologias de análise e caracterização de sistemas multirobóticos, baseadas no estado da arte existente, e foi elaborada a arquitectura conceptual do sistema e dos veículos a desenvolver. A preparação dos veículos abordou o estudo das possíveis soluções sensoriais e de actuação, e o desenvolvimento de uma arquitectura de hardware capaz de interligar todos os periféricos dos mesmos. Foram adaptados novos sensores e actuadores, e desenvolvidos alguns desses sensores. Para a interligação e manutenção dos mesmos foram ainda desenvolvidos novos periféricos de interface e controlo, e periféricos de gestão de energia. Por fim, foi ainda adaptado um gestor de missões nos veículos, capaz de receber a especificação das mesmas.

Controlo difuso de um AGV

Neste trabalho pretende-se introduzir os conceitos associados à lógica difusa no controlo de sistemas, neste caso na área da robótica autónoma, onde é feito um enquadramento da utilização de controladores difusos na mesma. Foi desenvolvido de raiz um AGV (Autonomous Guided Vehicle) de modo a se implementar o controlador difuso, e testar o desempenho do mesmo. Uma vez que se pretende de futuro realizar melhorias e/ou evoluções optou-se por um sistema modular em que cada módulo é responsável por uma determinada tarefa. Neste trabalho existem três módulos que são responsáveis pelo controlo de velocidade, pela aquisição dos dados dos sensores e, por último, pelo controlador difuso do sistema. Após a implementação do controlador difuso, procedeu-se a testes para validar o sistema onde foram recolhidos e registados os dados provenientes dos sensores durante o funcionamento normal do robô. Este dados permitiram uma melhor análise do desempenho do robô. Verifica-se que a lógica difusa permite obter uma maior suavidade na transição de decisões, e que com o aumento do número de regras é possível tornar o sistema ainda mais suave. Deste modo, verifica-se que a lógica difusa é uma ferramenta útil e funcional para o controlo de aplicações. Como desvantagem surge a quantidade de dados associados à implementação, tais como, os universos de discurso, as funções de pertença e as regras. Ao se aumentar o número de regras de controlo do sistema existe também um aumento das funções de pertença consideradas para cada variável linguística; este facto leva a um aumento da memória necessária e da complexidade na implementação pela quantidade de dados que têm de ser tratados. A maior dificuldade no projecto de um controlador difuso encontra-se na definição das variáveis linguísticas através dos seus universos de discurso e das suas funções de pertença, pois a definição destes pode não ser a mais adequada ao contexto de controlo e torna-se necessário efectuar testes e, consequentemente, modificações à definição das funções de pertença para melhorar o desempenho do sistema. Todos os aspectos referidos são endereçados no desenvolvimento do AGV e os respectivos resultados são apresentados e analisados.

Sistema de modelização tridimensional para ambientes não estruturados

A navegação de veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um problema em aberto. A complexidade do mundo real ainda é um desafio. A difícil caracterização do relevo irregular, dos objectos dinâmicos e pouco distintos(e a inexistência de referências de localização) tem sido alvo de estudo e do desenvolvimento de vários métodos que permitam de uma forma eficiente, e em tempo real, modelizar o espaço tridimensional. O trabalho realizado ao longo desta dissertação insere-se na estratégia do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) na pesquisa e desenvolvimento de sistemas sensoriais que possibilitem o aumento da capacidade de percepção das plataformas robóticas. O desenvolvimento de um sistema de modelização tridimensional visa acrescentar aos projectos LINCE (Land INtelligent Cooperative Explorer) e TIGRE (Terrestrial Intelligent General proposed Robot Explorer) maior autonomia e capacidade de exploração e mapeamento. Apresentamos alguns sensores utilizados para a aquisição de modelos tridimensionais, bem como alguns dos métodos mais utilizados para o processo de mapeamento, e a sua aplicação em plataformas robóticas. Ao longo desta dissertação são apresentadas e validadas técnicas que permitem a obtenção de modelos tridimensionais. É abordado o problema de analisar a cor e geometria dos objectos, e da criação de modelos realistas que os representam. Desenvolvemos um sistema que nos permite a obtenção de dados volumétricos tridimensionais, a partir de múltiplas leituras de um Laser Range Finder bidimensional de médio alcance. Aos conjuntos de dados resultantes associamos numa nuvem de pontos coerente e referenciada. Foram desenvolvidas e implementadas técnicas de segmentação que permitem inspeccionar uma nuvem de pontos e classifica-la quanto às suas características geométricas, bem como ao tipo de estruturas que representem. São apresentadas algumas técnicas para a criação de Mapas de Elevação Digital, tendo sido desenvolvida um novo método que tira partido da segmentação efectuada

Um novo gerador central de padrões de locomoção para geração de trajectórias em tempo real de robôs quadrúpedes

Neste trabalho estuda-se a geração de trajectórias em tempo real de um robô quadrúpede. As trajectórias podem dividir-se em duas componentes: rítmica e discreta. A componente rítmica das trajectórias é modelada por uma rede de oito osciladores acoplados, com simetria 4 2 Z  Z . Cada oscilador é modelado matematicamente por um sistema de Equações Diferenciais Ordinárias. A referida rede foi proposta por Golubitsky, Stewart, Buono e Collins (1999, 2000), para gerar os passos locomotores de animais quadrúpedes. O trabalho constitui a primeira aplicação desta rede à geração de trajectórias de robôs quadrúpedes. A derivação deste modelo baseia-se na biologia, onde se crê que Geradores Centrais de Padrões de locomoção (CPGs), constituídos por redes neuronais, geram os ritmos associados aos passos locomotores dos animais. O modelo proposto gera soluções periódicas identificadas com os padrões locomotores quadrúpedes, como o andar, o saltar, o galopar, entre outros. A componente discreta das trajectórias dos robôs usa-se para ajustar a parte rítmica das trajectórias. Este tipo de abordagem é útil no controlo da locomoção em terrenos irregulares, em locomoção guiada (por exemplo, mover as pernas enquanto desempenha tarefas discretas para colocar as pernas em localizações específicas) e em percussão. Simulou-se numericamente o modelo de CPG usando o oscilador de Hopf para modelar a parte rítmica do movimento e um modelo inspirado no modelo VITE para modelar a parte discreta do movimento. Variou-se o parâmetro g e mediram-se a amplitude e a frequência das soluções periódicas identificadas com o passo locomotor quadrúpede Trot, para variação deste parâmetro. A parte discreta foi inserida na parte rítmica de duas formas distintas: (a) como um offset, (b) somada às equações que geram a parte rítmica. Os resultados obtidos para o caso (a), revelam que a amplitude e a frequência se mantêm constantes em função de g. Os resultados obtidos para o caso (b) revelam que a amplitude e a frequência aumentam até um determinado valor de g e depois diminuem à medida que o g aumenta, numa curva quase sinusoidal. A variação da amplitude das soluções periódicas traduz-se numa variação directamente proporcional na extensão do movimento do robô. A velocidade da locomoção do robô varia com a frequência das soluções periódicas, que são identificadas com passos locomotores quadrúpedes.

Simulação e controlo de veículos autónomos terrestres

A implementação e venda de robôs autónomos tem sido um sector que nos últimos anos tem adquirido cada vez mais quota no mercado, nomeadamente no sector militar, agrícola e da vigilância. Como tal, tem sido também de grande importância a capacidade de implementar e testar robôs por parte das entidades que os fabricam. Uma das formas que tem garantido o sucesso do desenvolvimento de robôs é a simulação prévia dos mesmos antes que estes passem a fase de produção. Sendo assim, o LSA como entidade de desenvolvimento de robôs autónomos, tem necessidade de adquirir um sistema que simule os robôs em desenvolvimento. O trabalho desta tese consiste na realização de um sistema que simule robôs autónomos terrestres de forma que se possa observar o comportamento da cinemática, dinânica e hardware dos robôs em ambiente 3D. Esta aplicação de simulação pode mais tarde ser utilizada pelo laboratório para testar missões, validar alterações de estrutura, sensores, etc. Para além disso, com recurso ao simulador Player/Stage/Gazebo testar o robô LINCE e implementar algoritmos de controlo para o mesmo. Os algoritmos de controlo implementados baseiam-se em primitivas de controlo básico para serem utilizadas pelo sistema de navegação e gerar trajectórias complexas. Os algoritmos desenvolvidos nesta tese baseiam-se nas equações cinemáticas do veículo estudado. Estes algoritmos depois de testados no simulador, poderão ser colocados no Hardware do robô. Desta forma consegue-se desenvolver algoritmos para determinado robô sem que este esteja operacional.

Robótica móvel: sistema de condução autónoma

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo Automação e Electrónica Industrial

Sistema de Visão Stereo Ativo aplicado aos robôs do ISePorto

A presente dissertação endereça o desenvolvimento de um sistema de visão stereo ativo para os robôs de futebol robótico da equipa ISePorto do ISEP, de modo a que estes tirem o máximo partido das câmaras rotativas neles existentes. Este trabalho surge da necessidade de melhorar a capacidade de perceção do ambiente por parte dos robôs, principalmente da perceção da bola quando não está no plano do campo e dos robôs adversários. Esta necessidade surge devido ao aumento da dinâmica que se tem vindo a veri car ultimamente nas competições. Para tal, foram estudados algumas trabalhos relacionados no que diz respeito a sistemas de visão stereo com baselines variáveis e eixos de rotação em ambas as câmaras, bem como fundamentos de visão stereo. Foi proposta uma arquitetura para o sistema de visão ativo de modo a ser aplicado em qualquer robô da equipa MSL (Middle Size League). Para tornar possível a implementação desta arquitetura foi desenvolvido um procedimento para a calibração e determinação em tempo real dos parâmetros extrínsecos do par stereo em função da posição angular dos eixos rotativos do robô. O sistema de visão foi também dotado de capacidade de sincronismo e foram implementadas funcionalidades ao nível de software que possibilitam a deteção de objetos na imagem, a correspondência de objetos presentes nas imagens de ambas as câmaras e consequentemente a determinação das posições tridimensionais desses objetos relativamente ao robô. O sistema desenvolvido foi testado e validado em cenário MSL ao nível de perceção da bola, robôs adversários e linhas do campo. Os resultados obtidos apresentam uma melhoria signi cativa, face à implementação atual dos robôs, na perceção tridimensional da bola quando não está no plano do campo, e dos robôs adversários.

Master's in autonomous systems: an overview of the robotics curriculum and outcomes at ISEP, Portugal

Robotics research in Portugal is increasing every year, but few students embrace it as one of their first choices for study. Until recently, job offers for engineers were plentiful, and those looking for a degree in science and technology would avoid areas considered to be demanding, like robotics. At the undergraduate level, robotics programs are still competing for a place in the classical engineering graduate curricula. Innovative and dynamic Master’s programs may offer the solution to this gap. The Master’s degree in autonomous systems at the Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP), Porto, Portugal, was designed to provide a solid training in robotics and has been showing interesting results, mainly due to differences in course structure and the context in which students are welcomed to study and work

A fuzzified systematic adjustment of the robotic Darwinian PSO

The Darwinian Particle Swarm Optimization (DPSO) is an evolutionary algorithm that extends the Particle Swarm Optimization using natural selection to enhance the ability to escape from sub-optimal solutions. An extension of the DPSO to multi-robot applications has been recently proposed and denoted as Robotic Darwinian PSO (RDPSO), benefiting from the dynamical partitioning of the whole population of robots, hence decreasing the amount of required information exchange among robots. This paper further extends the previously proposed algorithm adapting the behavior of robots based on a set of context-based evaluation metrics. Those metrics are then used as inputs of a fuzzy system so as to systematically adjust the RDPSO parameters (i.e., outputs of the fuzzy system), thus improving its convergence rate, susceptibility to obstacles and communication constraints. The adapted RDPSO is evaluated in groups of physical robots, being further explored using larger populations of simulated mobile robots within a larger scenario.

Autonomous behaviors for an unmanned mini-aerial vehicle

This thesis aims at addressing the development of autonomous behaviors, for search and exploration with a mini-UAV (Unmanned Aerial Vehicle), or also called MAV (Mini Aerial Vehicle) prototype, in order to gather information in rescue scenarios. The platform used in this work is a four rotor helicopter, known as quad-rotor from the German company Ascending Technologies GmbH, which is later assembled with a on-board processing unit (i.e. a tiny light weight computer) and a on-board sensor suite (i.e. 2D-LIDAR and Ultrasonic Sonar). This work can be divided into two phases. In the first phase an Indoor Position Tracking system was settled in order to obtain the Cartesian coordinates (i.e. X, Y, Z) and orientation (i.e.heading) which provides the relative position and orientation of the platform. The second phase was the design and implementation of medium/high level controllers on each command input in order to autonomously control the aircraft position, which is the first step towards an autonomous hovering flight, and any autonomous behavior (e.g. Landing, Object avoidance, Follow the wall). The main work is carried out in the Laboratory ”Intelligent Systems for Emergencies and Civil Defense”, in collaboration with ”Dipartimento di Informatica e Sistemistica” of Sapienza Univ. of Rome and ”Istituto Superiore Antincendi” of the Italian Firemen Department.

Modeling and control of a dragonfly-like robot

Dragonflies demonstrate unique and superior flight performances than most of the other insect species and birds. They are equipped with two pairs of independently controlled wings granting an unmatchable flying performance and robustness. In this paper, the dynamics of a dragonfly-inspired robot is studied. The system performance is analyzed in terms of time response and robustness. The development of computational simulation based on the dynamics of the robotic dragonfly allows the test of different control algorithms. We study different movements, the dynamics, and the level of dexterity in wing motion of the dragonfly. The results are positive for the construction of flying platforms that effectively mimic the kinematics and dynamics of dragonflies and potentially exhibit superior flight performance than existing flying platforms.

Human-robot teamwork: a knowledge-based solution

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

A mobile robot platform for open learning based on serious games and remote laboratories

Within the pedagogical community, Serious Games have arisen as a viable alternative to traditional course-based learning materials. Until now, they have been based strictly on software solutions. Meanwhile, research into Remote Laboratories has shown that they are a viable, low-cost solution for experimentation in an engineering context, providing uninterrupted access, low-maintenance requirements, and a heightened sense of reality when compared to simulations. This paper will propose a solution where both approaches are combined to deliver a Remote Laboratory-based Serious Game for use in engineering and school education. The platform for this system is the WebLab-Deusto Framework, already well-tested within the remote laboratory context, and based on open standards. The laboratory allows users to control a mobile robot in a labyrinth environment and take part in an interactive game where they must locate and correctly answer several questions, the subject of which can be adapted to educators' needs. It also integrates the Google Blockly graphical programming language, allowing students to learn basic programming and logic principles without needing to understand complex syntax.

Equilibrium distributions of discrete non-autonomous graphs

We introduce the notions of equilibrium distribution and time of convergence in discrete non-autonomous graphs. Under some conditions we give an estimate to the convergence time to the equilibrium distribution using the second largest eigenvalue of some matrices associated with the system.