<p dir="ltr">There is growing research in analyzing human gait in the context of various applications. This has been aided by the improvement in sensing technologies and computation power. A complex motor skill that it is, gait has found its use in medicine for diagnosing different neurological ailments and injuries. In sports, gait can be used to provide feedback to the player/athlete to improve his/her skill and to prevent injuries. In biometrics, gait can be used to identify and authenticate individuals. This can be easier to scale to perform biometrics of individuals in large crowds compared to conventional biometric methods. In the field of Human Computer Interaction (HCI), gait can be an additional input that could be provided to be used in applications such as video games. Gait analysis has also been used for Human Activity Recognition (HAR) for purposes such as personal fitness, elderly care and rehabilitation. </p><p dir="ltr">The current state-of-the-art methods for gait analysis involves non-wearable technology due to its superior performance. The sophistication afforded in non-wearable technologies, such as cameras, is better able to capture gait information as compared to wearables. However, non-wearable systems are expensive, not scalable and typically, inaccessible to the general public. These systems sometimes need to be set up in specialized clinical facilities by experts. On the other hand, wearables offer scalability and convenience but are not able to match the performance of non-wearables. So the current work is a step in the direction to bridge the gap between the performance of non-wearable systems and the convenience of wearables. </p><p dir="ltr">A magnetic tracking system is developed to be applied for gait analysis. The system performs position and orientation tracking, i.e. 6 degrees of freedom or 6DoF tracking. One or more tracker modules, called Rx modules, is tracked with respect to a module called the Tx module. The Tx module mainly consists of a magnetic field generating coil, Inertial Measurement Unit (IMU) and magnetometer. The Rx module mainly consists of a tri-axis sensing coil, IMU and magnetometer. The system is minimally intrusive, works with Non-Line-of-Sight (NLoS) condition, low power consuming, compact and light weight. </p><p dir="ltr">The magnetic tracking system has been applied to the task of Human Activity Recognition (HAR) in this work as a proof-of-concept. The tracking system was worn by participants, and 4 activities - walking, walking with weight, marching and jogging - were performed. The Tx module was worn on the waist and the Rx modules were placed on the feet. To compare magnetic tracking with the most commonly used wearable sensors - IMUs + magnetometer - the same system was used to provide IMU and magnetometer data for the same 4 activities. The gait data was processed by 2 commonly used deep learning models - Convolutional Neural Network (CNN) and Long Short Term Memory (LSTM). The magnetic tracking system shows an overall accuracy of 92\% compared to 86.69\% of the IMU + magnetometer system. Moreover, an accuracy improvement of 8\% is seen with the magnetic tracking system in differentiating between the walking and walking with weight activities, which are very similar in nature. This goes to show the improvement in gait information that 6DoF tracking brings, that manifests as increased classification accuracy. This increase in gait information will have a profound impact in other applications of gait analysis as well.</p>

Este trabalho descreve o projeto e o desenvolvimento de um sistema para controle, aquisição, processamento e análise de experimentos de Ressonância Paramagnética Eletrônica, baseado em microprocessador. Trata-se da construção de um equipamento dedicado e otimizado, para a realização dessas tarefas. Além de recursos convencionais, como o Cálculo da. Média Ponto-a-Ponto _de um sinal pela aquisição de múltiplos espectros, o instrumento desenvolvido possui várias características em relação á manipulação e visualização de espectros, tais como: correção da linha de base, soma e subtração de espectros, cálculo da função primeira integral e o valor da segunda integral, e aquisição automática para experimentos de Cinética. Com a finalidade de torná-lo o mais versátil possível, foram desenvolvidos \"hardware\" e \"software\" permitindo, tanto o controle remoto por microcomputador, quanto a transferência. dos dados. Além da descrição da documentação completa do projeto, também são apresentadas, comparações com outros sistemas desenvolvidos, destacando aspectos de desempenho e flexibilidade. Finalmente, são fornecidos resultados experimentais que comprovam o funcionamento dos principais recursos implementados / This work describes the design and implementation of a dedicated microprocessor cases system for control, date acquisition and signal processing in electronic paramagnetic resonance experiments. Many specific functions dealing with processing and evaluation of spectra, such as baseline correction, addition, subtraction and integration of spectra are provided. For experiments in kinetic, automatic control and acquisition is available. Remote operation and data transfer from and to a microcomputer is also included to permit higher flexibility. A complete description of project is presented and operation procedures and evaluations are described.

Este trabalho analisa o uso do protocolo WirelessHART para a implementação de sistemas de controle em laço fechado. São discutidas possíveis arquiteturas de implementação de laços de controle, as quais se diferem basicamente pelo local na arquitetura do sistema de controle em rede em que o controlador será executado. Optou-se pela análise do comportamento do protocolo WirelessHART numa arquitetura que considera o módulo de controle localizado num dispositivo host, o qual se comunica via HART-UDP com o gateway da rede. Para a análise da proposta desta dissertação foram descritos os mecanismos necessários para a realização do laço de controle sobre uma rede WirelessHART real, em um ambiente que apresenta todas as características de uma instalação industrial. Os resultados obtidos mostram que, com a arquitetura proposta, o laço de controle apresenta latências não determinísticas. Para a realização deste trabalho, foram apresentados dois estudos de caso: (i) o controle de uma válvula comumente utilizada na indústria de petróleo; (ii) e um processo simulado, que considera um controlador baseado em eventos, onde o sinal de controle é calculado de acordo com os tempos de comunicação permitidos pela rede entre o controlador e o processo. Os resultados obtidos mostram que é possível efetuar controle apesar dos atrasos ocasionados pela rede, desde que sejam levados em conta estes atrasos no cálculo do sinal de controle, podendo assim mostrar há degradação no desempenho do sistema sob controle. / This work analyzes the use of WirelessHART protocol for the implementation of closed-loop control systems. It discusses possible architectures for implementing control loops, which differ by the location where the controller is executing. For the performance evaluation of the WirelessHART protocol behavior, an architecture that considers the control module located in a device, which communicates via Hart-UDP with the network gateway. The Experimental evaluations presented in this dissertation were performed in a setting that has all the characteristics of an industrial installation. The results showed that in the proposed architecture, the control loop has not deterministic latencies. Two case studies were carried on: (i) the control of a valve commonly used in oil and gas industrial applications; (ii) and a simulated process that considers an event-based controller where the control signal is calculated according to the communication time allowed by the network between the controller and the process. The results show that it is possible to perform control despite network delays, when taking into account the delays in the calculation of the control signal.

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Buscam-se de soluÃÃes de automaÃÃo computadorizada de baixo custo que auxiliem estaÃÃes compactas de tratamento de efluentes a adequar o efluente tratado aos requisitos legais, protegendo os corpos receptores contra lanÃamentos inadequados. Tem por objetivos especÃficos o desenvolvimento de um sistema de supervisÃo automÃtica para pequenas estaÃÃes de tratamento de Ãguas residuais e a criaÃÃo de uma base de dados histÃrica para apoio à tomada de decisÃo no que concerne a operaÃÃo e manutenÃÃo do processo. Para alcanÃar tais objetivos, foi analisada uma configuraÃÃo combinada, constituÃda pelo reator anaerÃbio de fluxo ascendente em manta de lodo, seguido do sistema de lodo ativado convencional. Tal sistema à utilizado para tratar os efluentes sanitÃrios do Hospital Waldemar de AlcÃntara, situado no bairro de Messejana, em Fortaleza â CE. De modo geral, hà poucos estudos sobre instrumentaÃÃo eletrÃnica e automaÃÃo aplicados a sistemas combinados desse tipo. Inicialmente sÃo apresentados os conceitos bÃsicos sobre o tratamento de efluentes, bem como descritas as partes componentes do sistema de tratamento, dando, assim, suporte para que estudos sobre automaÃÃo sejam desenvolvidos. No decorrer do trabalho sÃo apresentadas a descriÃÃo e a motivaÃÃo para o uso de sensores no sistema de monitoramento automÃtico de estaÃÃes de tratamento, bem como da eletrÃnica necessÃria para sua implantaÃÃo. TambÃm à apresentada a descriÃÃo da arquitetura mestre-escravo usada no sistema, bem como do funcionamento de cada mÃdulo que o compÃe, abordando o desenvolvimento de hardware e software para cada um. Por fim, sÃo analisados os resultados da experimentaÃÃo de campo do sistema de monitoramento automÃtico. A pesquisa resultou em um sistema computadorizado de monitoramento aplicado a situaÃÃes reais em campo, possibilitando uma compreensÃo mais profunda a respeito do processo de tratamento de esgoto e de sua operaÃÃo mediante o acesso a dados, seja em tempo real, seja acessando a base de dados formada. / This work focuses on the investigation of low costs computerized automation solutions to assist compact wastewater treatment plants, adjusting the treated effluent to the legal requirements, protecting the waterâs receptors against inadequate discharge. The objectives are the development of an automatic supervision system for small wastewater treatment plants and the creation of a historical database to support the decision making process concerning the process operation and maintenance. In this work, a combined configuration is analyzed, constituted of the up flow anaerobic sludge blanket reactor followed by conventional active sludge. Such system treats the effluents of the Hospital Waldemar de AlcÃntara, situated in the neighborhood of Messejana, in Fortaleza - CE. In general, few researches can be found onthe electronics instrumentation and automation applied for combined systems like this one. Initially, the basic concepts on wastewater treatments are presented, as well as a description of parts that compose the system, therefore supporting the development of automation studies. After that, the description and the motivation for the use of the sensors in the automatic supervision system for small effluent treatment systems is presented, as well as the electronics necessary for its implementation. A description of the master-slave architecture used in the system is presented, as well as the functioning of each module that composes it, approaching the hardware and software development for each one. The research resulted in an applied system for real field situations, making possible a deeper understanding of the wastewater process and its operation through the data access, either in real time or by the access of the built database.

Este trabalho analisa o uso do protocolo WirelessHART para a implementação de sistemas de controle em laço fechado. São discutidas possíveis arquiteturas de implementação de laços de controle, as quais se diferem basicamente pelo local na arquitetura do sistema de controle em rede em que o controlador será executado. Optou-se pela análise do comportamento do protocolo WirelessHART numa arquitetura que considera o módulo de controle localizado num dispositivo host, o qual se comunica via HART-UDP com o gateway da rede. Para a análise da proposta desta dissertação foram descritos os mecanismos necessários para a realização do laço de controle sobre uma rede WirelessHART real, em um ambiente que apresenta todas as características de uma instalação industrial. Os resultados obtidos mostram que, com a arquitetura proposta, o laço de controle apresenta latências não determinísticas. Para a realização deste trabalho, foram apresentados dois estudos de caso: (i) o controle de uma válvula comumente utilizada na indústria de petróleo; (ii) e um processo simulado, que considera um controlador baseado em eventos, onde o sinal de controle é calculado de acordo com os tempos de comunicação permitidos pela rede entre o controlador e o processo. Os resultados obtidos mostram que é possível efetuar controle apesar dos atrasos ocasionados pela rede, desde que sejam levados em conta estes atrasos no cálculo do sinal de controle, podendo assim mostrar há degradação no desempenho do sistema sob controle. / This work analyzes the use of WirelessHART protocol for the implementation of closed-loop control systems. It discusses possible architectures for implementing control loops, which differ by the location where the controller is executing. For the performance evaluation of the WirelessHART protocol behavior, an architecture that considers the control module located in a device, which communicates via Hart-UDP with the network gateway. The Experimental evaluations presented in this dissertation were performed in a setting that has all the characteristics of an industrial installation. The results showed that in the proposed architecture, the control loop has not deterministic latencies. Two case studies were carried on: (i) the control of a valve commonly used in oil and gas industrial applications; (ii) and a simulated process that considers an event-based controller where the control signal is calculated according to the communication time allowed by the network between the controller and the process. The results show that it is possible to perform control despite network delays, when taking into account the delays in the calculation of the control signal.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2005-12-16Bitstream added on 2014-06-13T19:06:57Z : No. of bitstreams: 1 eguti_cca_me_ilha.pdf: 4013696 bytes, checksum: 9efc5c11950fccddb62667186e778ef2 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Anemômetros de fio quente são sensíveis instrumentos capazes de medir variações de velocidade nos mais diversos tipos de escoamentos, sejam eles gasosos ou líquidos. Um delicado filamento metálico é aquecido por uma corrente elétrica a qual gera calor por efeito Joule e transfere parte dessa energia para o escoamento incidente, sendo esta troca de calor proporcional a velocidade do fluído, definindo assim o princípio básico de funcionamento da anemometria de fio quente. Quando este filamento é montado num circuito tipo ponte de Wheatstone, pode-se relacionar a troca de calor no filamento através da variação de sua resistência elétrica fazendo o uso de circuitos eletrônicos especiais. Este trabalho aborda os conceitos básicos da anemometria de fio quente, seus circuitos de controle principais e seus modos de operação, mostrando diferentes métodos para calibração de sondas de fio quente em escoamentos gasosos, além de apresentar uma metodologia completa para construção de um sistema básico de anemômetro de fio quente de temperatura constante. Dois dispositivos foram construídos e testados sendo avaliados quanto ao seu funcionamento e sua resposta em freqüência. / Hot wire anemometers are sensitive instruments capable of measuring fluctuation of speed in many fluid flows, gaseous or liquid. A delicate metallic filament is heated by an electric current (Joule effect) and cooled by incident flow, this heat exchange is proportional of the fluid speed, defining the basic phenomenon of hot-wire anemometry. When this filament is mounted on an arm of Wheatstone bridge, the heat lost by the filament can be related its electric resistance when special electronic circuits are used. This work presents the concepts of hot-wire anemometry, its main control circuits and its operation mode, showing the basic methods for hot wire calibration with gaseous flows, besides presenting a complete methodology for construction of a basic constant temperature hot-wire anemometer system, based on the tests of two experimental circuits which are evaluated by electronic tests and its frequency response.

Este trabalho analisa o uso do protocolo WirelessHART para a implementação de sistemas de controle em laço fechado. São discutidas possíveis arquiteturas de implementação de laços de controle, as quais se diferem basicamente pelo local na arquitetura do sistema de controle em rede em que o controlador será executado. Optou-se pela análise do comportamento do protocolo WirelessHART numa arquitetura que considera o módulo de controle localizado num dispositivo host, o qual se comunica via HART-UDP com o gateway da rede. Para a análise da proposta desta dissertação foram descritos os mecanismos necessários para a realização do laço de controle sobre uma rede WirelessHART real, em um ambiente que apresenta todas as características de uma instalação industrial. Os resultados obtidos mostram que, com a arquitetura proposta, o laço de controle apresenta latências não determinísticas. Para a realização deste trabalho, foram apresentados dois estudos de caso: (i) o controle de uma válvula comumente utilizada na indústria de petróleo; (ii) e um processo simulado, que considera um controlador baseado em eventos, onde o sinal de controle é calculado de acordo com os tempos de comunicação permitidos pela rede entre o controlador e o processo. Os resultados obtidos mostram que é possível efetuar controle apesar dos atrasos ocasionados pela rede, desde que sejam levados em conta estes atrasos no cálculo do sinal de controle, podendo assim mostrar há degradação no desempenho do sistema sob controle. / This work analyzes the use of WirelessHART protocol for the implementation of closed-loop control systems. It discusses possible architectures for implementing control loops, which differ by the location where the controller is executing. For the performance evaluation of the WirelessHART protocol behavior, an architecture that considers the control module located in a device, which communicates via Hart-UDP with the network gateway. The Experimental evaluations presented in this dissertation were performed in a setting that has all the characteristics of an industrial installation. The results showed that in the proposed architecture, the control loop has not deterministic latencies. Two case studies were carried on: (i) the control of a valve commonly used in oil and gas industrial applications; (ii) and a simulated process that considers an event-based controller where the control signal is calculated according to the communication time allowed by the network between the controller and the process. The results show that it is possible to perform control despite network delays, when taking into account the delays in the calculation of the control signal.

Peixes elétricos de campo fraco comunicam-se por meio de descargas elétricas de forma de onda estereotipada, variando somente o intervalo entre pulsos de acordo com a informação a ser transmitida. Esse mecanismo de codificação é similar ao encontrado em diversos circuitos de neurônios conhecidos, o que torna esses animais excelentes modelos para o estudo de sistemas de comunicação naturais, permitindo experimentos que envolvem tanto aspectos comportamentais como neuroetológicos. É um desafio realizar análises de dados coletados de mais de um peixe nadando livremente, pois os padrões de descargas de órgão elétrico (DOE) dependem da posição dos animais e de suas orientações com relação aos eletrodos de medida. Contudo, como cada peixe emite uma forma de onda de DOE característica, ferramentas computacionais podem ser empregadas para associar cada DOE ao respectivo peixe. Neste trabalho, descrevemos um método computacional capaz de reconhecer DOEs de pares de peixes usando vetores de características normalizados, obtidos aplicando a transformada de Fourier e a transformada complexa de dupla árvore de pacote wavelet. Empregamos máquinas de vetores de suporte como classificadores, e um algoritmo de regra de continuidade permite resolver problemas causados por DOEs sobrepostas e saturação de sinais. Procedimentos de validação com Gymnotus sp. mostraram que as DOEs podem ser atribuídas corretamente a cada peixe com apenas dois erros por milhão de descargas. Para permitir que esse processo de discriminação ocorra em tempo real, implementamos uma arquitetura de hardware dedicada e maciçamente paralela em um field programmable gate array (FPGA) para executar a etapa de maior esforço computacional do algoritmo de discriminação. Como resultado, obtivemos um sistema híbrido de hardware e software de tempo real que foi capaz de atender a um requisito de latência máxima de 1 ms, o que permite mimetizar o tempo de resposta de importantes sistemas sensoriais elétricos de Gymnotus sp. Com o auxílio de nossa instrumentação, diversos experimentos com realimentação poderão ser propostos, permitindo que um modelo computacional interaja com dois peixes em uma preparação in vivo naturalística. / Pulse-type weakly electric fishes communicate through electrical discharges with a stereotyped waveform, varying solely the interval between pulses according to the information being transmitted. This simple codification mechanism is similar to the one found in various known neuronal circuits, which renders these animals as good models for the study of natural communication systems, allowing experiments involving behavioral and neuroethological aspects. Performing analysis of data collected from more than one freely swimming fish is a challenge since the detected electric organ discharge (EOD) patterns are dependent on each animal´s position and orientation relative to the electrodes. However, since each fish emits a characteristic EOD waveform, computational tools can be employed to match each EOD to the respective fish. In this work we describe a computational method able to recognize fish EODs from dyads using normalized feature vectors obtained by applying Fourier and dual-tree complex wavelet packet transforms. We employ support vector machines as classifiers, and a continuity constraint algorithm allows us to solve issues caused by overlapping EODs and signal saturation. Validation procedures with Gymnotus sp. showed that EODs can be assigned correctly to each fish with only two errors per million discharges. In order to allow this discrimination process to occur in real-time, we implemented a massively parallel application-specific hardware architecture in a field programmable gate array (FPGA) to run the discrimination algorithm step whose computational effort is the highest among the others. As a result, we obtained a hardware and real-time software co-design that was able to meet a maximum latency requirement of 1 ms, allowing it to mimic the response time of major electrical sensory systems of Gymnotus sp. Our instrumentation will enable the proposal of several novel experiments with closed-loop feedback, allowing a computer model to interact with two fish in a naturalistic in vivo preparation.

Este trabalho descreve o projeto e o desenvolvimento de um sistema para controle, aquisição, processamento e análise de experimentos de Ressonância Paramagnética Eletrônica, baseado em microprocessador. Trata-se da construção de um equipamento dedicado e otimizado, para a realização dessas tarefas. Além de recursos convencionais, como o Cálculo da. Média Ponto-a-Ponto _de um sinal pela aquisição de múltiplos espectros, o instrumento desenvolvido possui várias características em relação á manipulação e visualização de espectros, tais como: correção da linha de base, soma e subtração de espectros, cálculo da função primeira integral e o valor da segunda integral, e aquisição automática para experimentos de Cinética. Com a finalidade de torná-lo o mais versátil possível, foram desenvolvidos \"hardware\" e \"software\" permitindo, tanto o controle remoto por microcomputador, quanto a transferência. dos dados. Além da descrição da documentação completa do projeto, também são apresentadas, comparações com outros sistemas desenvolvidos, destacando aspectos de desempenho e flexibilidade. Finalmente, são fornecidos resultados experimentais que comprovam o funcionamento dos principais recursos implementados / This work describes the design and implementation of a dedicated microprocessor cases system for control, date acquisition and signal processing in electronic paramagnetic resonance experiments. Many specific functions dealing with processing and evaluation of spectra, such as baseline correction, addition, subtraction and integration of spectra are provided. For experiments in kinetic, automatic control and acquisition is available. Remote operation and data transfer from and to a microcomputer is also included to permit higher flexibility. A complete description of project is presented and operation procedures and evaluations are described.

<p>Precision livestock farming (PLF) has emerged as a solution to address global challenges related to food scarcity, increasing demand for animal products, slim profit margins in livestock production, and growing societal concerns regarding farm animal welfare. By offering individualized care for animals, PLF aims to provide labor savings, enhanced monitoring, and improved control capabilities within complex farming systems, enabled by digital technologies. The adoption of an individual-centric approach to farming through PLF is anticipated to enhance farm productivity and ensure ethical treatment of animals while mitigating concerns associated with labor shortages in modern intensive farming operations. Real-time continuous monitoring of each animal enables precise and accurate health and well-being management. However, to achieve these benefits, large-scale animal farms require commercially viable technological solutions for individualized care and welfare. Cyber-physical systems (CPSs) offer precise monitoring and control and present a promising avenue for PLF but pose significant implementation challenges.</p> <p>  In this work, a generalizable CPS architecture was formalized with active robotic nodes that can realize adaptive continuous real-time animal health monitoring to maximize productivity, animal welfare, and sustainability. Taking the example of dairy farming, a resource- and criticality-aware CPS was developed that enables real-time resource-aware sensing, adaptive control, and agile networking with an emphasis on handling emergencies autonomously. Using a decentralized approach, each node was made capable of optimizing its operation to be resource conscious, while also being able to identify emergency conditions in real-time. In this novel design, we accommodate the social dynamics of the herd and effectively address the various types of emergencies possible in PLF. Moreover, the communication was customized for the unique needs of animal agriculture, wherein it reduced latency and power consumption while ensuring collision-free two-way synchronization with adaptive range extension for emergency conditions. Further, since the CPS was centered around animals, a special robust security layer was also developed and implemented to protect the active embodied nodes against known and unknown malicious attacks. The proposed CPS reference architecture provides a foundation for implementing individualized care and welfare, ultimately improving the efficiency and sustainability of livestock operations.</p>