Short Comments on an Energy Pumping Levels in a MEMS Gyroscope Vibrating Problem, by Using of an Global and Local Optimal Linear Control Design

This paper deals with an energy pumping that occurs in a (MEMS) Gyroscope nonlinear dynamical system, modeled with a proof mass constrained to move in a plane with two resonant modes, which are nominally orthogonal. The two modes are ideally coupled only by the rotation of the gyro about the plane's normal vector. We also developed a linear optimal control design for reducing the oscillatory movement of the nonlinear systems to a stable point.

Swarm control designs applied to a micro-electro-mechanical gyroscope system (MEMS)

This paper analyzes the non-linear dynamics of a MEMS Gyroscope system, modeled with a proof mass constrained to move in a plane with two resonant modes, which are nominally orthogonal. The two modes are ideally coupled only by the rotation of the gyro about the plane's normal vector. We demonstrated that this model has an unstable behavior. Control problems consist of attempts to stabilize a system to an equilibrium point, a periodic orbit, or more general, about a given reference trajectory. We also developed a particle swarm optimization technique for reducing the oscillatory movement of the nonlinear system to a periodic orbit. © 2010 Springer-Verlag.

Space vehicle gyroscope sensor applications.

Cover title.

Nonlinear fiber gyroscope for quantum metrology

We examine the performance of a nonlinear fiber gyroscope for improved signal detection beating the quantum limits of its linear counterparts. The performance is examined when the nonlinear gyroscope is illuminated by practical field states, such as coherent and quadrature squeezed states. This is compared with the case of more ideal probes such as photon-number states.

Quantitative and Qualitative Trade-Off Analysis of Drowsy Driver Detection Methods: Single Electrode Wearable EEG Device, Multi-Electrode Wearable EEG Device, and Head-Mounted Gyroscope

Drowsy driving impairs motorists’ ability to operate vehicles safely, endangering both the drivers and other people on the road. The purpose of the project is to find the most effective wearable device to detect drowsiness. Existing research has demonstrated several options for drowsiness detection, such as electroencephalogram (EEG) brain wave measurement, eye tracking, head motions, and lane deviations. However, there are no detailed trade-off analyses for the cost, accuracy, detection time, and ergonomics of these methods. We chose to use two different EEG headsets: NeuroSky Mindwave Mobile (single-electrode) and Emotiv EPOC (14- electrode). We also tested a camera and gyroscope-accelerometer device. We can successfully determine drowsiness after five minutes of training using both single and multi-electrode EEGs. Devices were evaluated using the following criteria: time needed to achieve accurate reading, accuracy of prediction, rate of false positives vs. false negatives, and ergonomics and portability. This research will help improve detection devices, and reduce the number of future accidents due to drowsy driving.

A laparoscopic surgery training interface

Laparoscopy is a surgical procedure on which operations in the abdomen are performed through small incisions using several specialized instruments. The laparoscopic surgery success greatly depends on surgeon skills and training. To achieve these technical high-standards, different apprenticeship methods have been developed, many based on in vivo training, an approach that involves high costs and complex setup procedures. This paper explores Virtual Reality (VR) simulation as an alternative for novice surgeons training. Even though several simulators are available on the market claiming successful training experiences, their use is extremely limited due to the economic costs involved. In this work, we present a low-cost laparoscopy simulator able to monitor and assist the trainee’s surgical movements. The developed prototype consists of a set of inexpensive sensors, namely an accelerometer, a gyroscope, a magnetometer and a flex sensor, attached to specific laparoscopic instruments. Our approach allows repeated assisted training of an exercise, without time constraints or additional costs, since no human artificial model is needed. A case study of our simulator applied to instrument manipulation practice (hand-eye coordination) is also presented.

Sistema de localização de um veículo autónomo terrestre

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores.

Sistema móvel de telemetria para automóveis

Este trabalho compreende uma análise crítica e reflexiva sobre o que atualmente existe no âmbito dos sistemas de navegação integrados (e.g. sistemas de posicionamento global com sistemas de navegação por inércia). O objetivo deste estudo vai também no sentido de desenvolver para um dispositivo móvel, um sistema de telemetria para automóveis baseado na plataforma Android fazendo uso de conceitos estudados e tecnologias existentes. Pretende-se demonstrar a potencialidade da integração de um sistema de posicionamento por satélite, com um sistema de navegação por inércia, em dispositivos cada vez mais acessíveis ao utilizador comum, tais como tablets, smartphones e outros equipamentos dotados de dispositivos MEMS (sistemas microelectromecânicos) de baixo custo usando a plataforma Android. Este trabalho pretende explorar a forma como podemos fundir os registos dos vários sensores, tais como o acelerómetro, magnetómetro e giroscópio, para determinar a orientação do dispositivo e assim integrar esta informação de maior frequência, com a informação disponibilizada pelo GNSS de menor frequência, tendo como objetivo final a determinação em tempo real do posicionamento do dispositivo, destacando as forças e fraquezas de cada um dos sistemas de navegação.

Sensors on mobile devices for AAL

Com o envelhecimento da população, as preocupações com a garantia do seu bem-estar aumentam criando a necessidade de desenvolver ferramentas que permitam monitorizar em permanência este sector da população. A utilização de smartphones pelos mais velhos pode ser crucial no seu bem-estar e na sua autonomia contribuindo para a recolha de informação importante já que estes estão muitas vezes equipados com sensores que podem dar indicações preciosas ao cuidador sobre o estado atual do paciente. Os sensores podem fornecer dados sobre a atividade física do paciente, bem como detetar quedas ou calcular a sua posição, com a ajuda do acelerómetro, do giroscópio e do sensor de campo magnético. No entanto, funcionalidades como essas requerem, obrigatoriamente, uma frequência de amostragem mínima por parte dos sensores que permita a implementação de algoritmos, que determinarão esses parâmetros da forma mais exata possível. Dado que nem sempre os pacientes se fazem acompanhar do seu smartphone quando estão na sua residência, a criação de ambientes de AAL (Ambient Assisted Living) com recurso a dispositivos externos que podem ser “vestidos” pelos pacientes pode também ser uma solução adequada. Estes contêm normalmente os mesmos sensores que os smartphones e comunicam com estes através de tecnologias sem fios, como é o caso do Bluetooth Low Energy. Neste trabalho, avaliou-se a possibilidade de alteração da frequência dos sensores em diferentes sistemas operativos, tendo sido efectuadas modificações nas instalações por defeito de alguns sistemas operativos abertos. Com o objectivo de permitir a criação de uma solução de AAL com recurso a um dispositivo externo implementaram-se serviços e perfis num dispositivo externo, o SensorTag.

Complementary filter design with three frequency bands: robot attitude estimation

This paper extents the by now classic sensor fusion complementary filter (CF) design, involving two sensors, to the case where three sensors that provide measurements in different bands are available. This paper shows that the use of classical CF techniques to tackle a generic three sensors fusion problem, based solely on their frequency domain characteristics, leads to a minimal realization, stable, sub-optimal solution, denoted as Complementary Filters3 (CF3). Then, a new approach for the estimation problem at hand is used, based on optimal linear Kalman filtering techniques. Moreover, the solution is shown to preserve the complementary property, i.e. the sum of the three transfer functions of the respective sensors add up to one, both in continuous and discrete time domains. This new class of filters are denoted as Complementary Kalman Filters3 (CKF3). The attitude estimation of a mobile robot is addressed, based on data from a rate gyroscope, a digital compass, and odometry. The experimental results obtained are reported.

Desenvolvimento de um robô com pernas inspirado no Alfaiate

A elaboração deste trabalho surge no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação, integrada no Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores do Instituto Superior de Engenharia do Porto. O trabalho enquadra-se no âmbito da robótica de inspiração biológica, mais concretamente no desenvolvimento de um robô que apresente caraterísticas de locomoção similares ao inseto Alfaiate, modificando para este efeito um robô hexápode já existente. Inicialmente efetuou-se um estudo sobre a biologia do Alfaiate e dos vários tipos de padrões de locomoção adotados pelos animais. De seguida foi realizado um estudo sobre alguns robôs já existentes inspirados neste inseto. Após a realização desta fase de estudo, foram implementadas modificações ao robô hexápode, de forma a este conseguir apoiar-se e movimentar-se sobre a superfície da água. Para tal foram utilizados apoios em esferovite para as pernas, servomotores para a atuação e um sensor de IRPD para orientar o robô na sua trajetória. Em termos de controlo da estabilidade do corpo utilizou-se um giroscópio para permitir ao robô manter o seu corpo horizontal durante a locomoção em águas agitadas. Este trabalho termina com a realização de testes a diferentes padrões de locomoção, de forma a validar o que apresenta a melhor resposta em termos de velocidade.

Desenvolvimento de um sistema para análise de equilíbrio baseado em sensores inerciais

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores

Automatic front-crawl temporal phase detection using adaptive filtering of inertial signals

This study introduces a novel approach for automatic temporal phase detection and inter-arm coordination estimation in front-crawl swimming using inertial measurement units (IMUs). We examined the validity of our method by comparison against a video-based system. Three waterproofed IMUs (composed of 3D accelerometer, 3D gyroscope) were placed on both forearms and the sacrum of the swimmer. We used two underwater video cameras in side and frontal views as our reference system. Two independent operators performed the video analysis. To test our methodology, seven well-trained swimmers performed three 300 m trials in a 50 m indoor pool. Each trial was in a different coordination mode quantified by the index of coordination. We detected different phases of the arm stroke by employing orientation estimation techniques and a new adaptive change detection algorithm on inertial signals. The difference of 0.2 +/- 3.9% between our estimation and video-based system in assessment of the index of coordination was comparable to experienced operators' difference (1.1 +/- 3.6%). The 95% limits of agreement of the difference between the two systems in estimation of the temporal phases were always less than 7.9% of the cycle duration. The inertial system offers an automatic easy-to-use system with timely feedback for the study of swimming.