Rastreamento visual em sequências de imagens tem sido muito estudado nos últimos 30 anos devido às inúmeras aplicações que possui em sistemas de visão computacional em tempo real; entretanto, poucos são os algoritmos disponíveis para que tal tarefa seja realizada com sucesso. Esta dissertação apresenta um método e uma arquitetura eficazes e eficientes para rastrear jogadores em jogos de futebol. A entrada do sistema consiste de vídeos capturados por câmeras estáticas instaladas em estádios de futebol. A saída é a trajetória descrita pelo jogador durante uma partida de futebol, dada no plano de imagem. O sistema possui dois estágios de processamento: inicialização e rastreamento. A inicialização do sistema é crítica no desempenho do rastreador e seu objetivo consiste em produzir uma estimativa aproximada da configuração e características de cada alvo, a qual é usada como uma estimativa inicial do estado pelo rastreador. O sistema de rastreamento utiliza Filtros de Kalman para modelar o contorno, posição e velocidade dos jogadores. Resultados são apresentados usando dados reais. Avaliações quantitativas são fornecidas e o sistema proposto é comparado com outro sistema correlato. Os experimentos mostram que o sistema proposto apresenta resultados bastante promissores. / Visual tracking in image sequences has been extensively studied in the last 30 years because of the many applications it has in real-time computer vision systems; however, there are few algorithms available for this task so that it is performed successfully. This work presents an effective and efficient system architecture and method to track players in soccer games. The system input consists of videos captured by static cameras installed in soccer stadiums. The output is the trajectory described by the player during a soccer match, given in the image plane. The system comprises two processing stages: initialization and tracking. The system startup is critical in the tracking performance and its goal is to produce a rough estimate of the configuration and characteristics of each target, which is used as an initial estimate of the state by the visual tracker. The tracking system uses Kalman filters to model the shape, position and speed of the players. Results are presented using real data. Quantitative assessments are provided and the proposed system is compared with related systems. The experiments show that our system can achieve very promising results.

Este trabalho tem a finalidade de apresentar e comparar técnicas de redução de ruído utilizando como critérios de avaliação a mínima distorção espectral e a redução de ruído, na reconstrução dos sinais de voz degradados por ruído. Para tanto, utilizou-se os filtros de Kalman de tempo discreto e de freqüência discreta em conjunto com a técnica de subtração espectral de potência. Os sinais utilizados foram contaminados por ruídos branco e colorido, e a avaliação do desempenho dos algoritmos foi realizada tendo-se como parâmetros a relação sinal/ruído segmentada (SNRseg) e a distância de Itakura-Saito (d(a,b)). Após o processamento, verificou-se que a técnica, proposta neste trabalho, de filtragem de Kalman no tempo em conjunto com a subtração espectral de potência, apresentou resultados um pouco melhores em relação à filtragem de Kalman na freqüência em conjunto com a subtração espectral de potência. / This work has as main objective to present and to compare techniques of noise reduction using as evaluation criterion the low spectral distortion and the noise reduction in the reconstruction of corrupted speech signals. For so much, it was used the Kalman\'s filters in the time and frequency domain together with the technique of power spectral subtraction. The used signals were corrupted by white and colored noises and the evaluation of effectiveness of the algorithms was accomplished using the segmental signal-to-noise ratio (SNRseg) and the Itakura-Saito distance (d(a,b)). After the processing, it was noticed that the Kalman filtering in the time together with power spectral subtraction presented better results than the Kalman filtering in the frequency together with power spectral subtraction.

No Brasil a exploração do petróleo está crescendo cada vez mais principalmente com as atividades offshore devido às constantes descobertas de novas jazidas em alto mar. Isto cria a necessidade de embarcações que garantam operações mais seguras o que pode ser obtido com aquelas dotadas de sistemas de posicionamento dinâmico. O projeto de um sistema de posicionamento dinâmico não é simples sob o ponto de vista de controle já que é um sistema não-linear multivariável sobreatuado; e não é barato devido aos elevados custos de implementação. Portanto, para se projetar adequadamente este tipo de sistema é imprescindível a elaboração de meios para ensaiar toda a estrutura real em desenvolvimento num tanque de provas utilizando modelos em escala. Neste trabalho é mostrado o projeto, construção e testes da eletrônica embarcada de um aparato experimental para ensaios de veículos oceânicos em tanque de provas, cujo projeto baseou-se em aspectos técnicos importantes para seu bom funcionamento como a descentralização dos processamentos necessários, a comunicação sem fio robusta com um console central responsável pelo processamento de todos os algoritmos do controlador superior e a preocupação com a compatibilidade eletromagnética do sistema. O console central consiste de uma interface de comunicação com o usuário e dos blocos de controle que são o filtro de Kalman, o controlador e o alocador de empuxos. Nos ensaios o desempenho da eletrônica é averiguado experimentalmente e os excelentes resultados obtidos mostram que o modelo responde de acordo com os comandos do controlador, principalmente com relação aos controles localizados para cada motor de propulsor contribuindo assim para o bom comportamento do conjunto. / In Brazil the exploration of oil is increasing mainly with the offshore activities due to the new found deposits. This situation requires more safety vessels which can be achieved using dynamic positioning systems. As a dynamic positioning system is a multivariable non linear and overactuated system, its design is not simple; and it is also not cheap due to high implementation costs. Therefore, the development of experimental environments to adequately study and design this type of system is essential. This work shows the embedded electronic project and assembly of an experimental setup in order to test floating vessel models. The project was developed based on important technical aspects to guarantee a good performance like processing decentralization, robust wireless communication with a central console responsible by the all control algorithms and the concern with electromagnetic compatibility of the system. The central console is composed by a human interface, control and Kalman filter structures and a thruster allocation algorithm. The performance of the electronic structure is verified experimentally during the tests and the excellent results show that the model works, in accordance to the controller commands, mainly related to local thruster control which contributes to the good system behavior

O presente trabalho trata do desenvolvimento de um sistema de sensoriamento de orientação utilizando sensores inerciais de baixo custo, de tecnologia MicroElectroMechanical Systems, MEMS, que apresentam altas taxas de ruído. Assim, é realizada a filtragem e fusão dos dados dos sensores para obtenção de uma estimativa confiável, com a aplicação do filtro de Kalman estendido. O sistema é utilizado para a navegação e controle em um veículo aquático de superfície autônomo. No desenvolvimento do trabalho são investigados os princípios da navegação inercial, da representação da orientação e os sistemas de coordenadas envolvidos, apresentando o método por ângulos de Euler, quatérnios e DCM e o procedimento de atualização conforme a variação da orientação. O sistema desenvolvido foi testado em bancada e em um barco com formato de trimarã construído no Laboratório de Controle e Eletrônica de Potência, na Escola de Engenharia de São Carlos, mostrando os resultados dos testes realizados navegando em uma represa, obtendo resultados satisfatórios para essa aplicação. É mostrado também o comportamento dinâmico dos veículos aquáticos de superfície através do estudo da dinâmica de corpos rígidos. / This work describes the development of an orientation sensing system composed of low cost inertial sensors with MicroElectroMechanical Systems (MEMS) technology, which presents high noise levels. Thus, filtering and sensor\'s measurements fusion is done in order to achieve a reliable estimation, trough an extended Kalman filter. The system is used for navigation and control of an autonomous aquatic surface vehicle. In this work, the principles of inertial navigation, orientation representation as well as the coordinate frames involved are investigated, presenting the methods trough Euler angles, quaternions and DCM, and the update proceeding according to the orientation changes. The developed system was tested in the lab and on a trimaran shaped vessel navigating on a dam, wich was developed in the Control and Power Electronics Laboratory at the São Carlos School of Engineering, achieving satisfactory results for this application. It is also shown the dynamic behavior of the surface aquatic vehicles, using rigid-body dynamics.

As principais causas da redução da produtividade agrícola são os eventos climáticos, e a variável meteorológica de grande importância para a produção agrícola é a precipitação. Alguns dos problemas das bases de dados meteorológicos são a descontinuidade e dados faltantes. Nesse sentido, os dados de precipitação em ponto de grade (Gridpoint), são uma excelente fonte de informações em pesquisas climatológicas. Para superar os problemas de dados faltantes e construir um banco de dados completos é necessário um processo de imputação. Portanto, o objetivo do trabalho foi comparar metodologias de imputação, utilizou abordagens univariada e múltipla, e comparou o desempenho em termos de imputação em diferentes cenários de dados faltantes e utilizou a raiz do erro quadrático médio (RMSE) como métrica. Para séries de precipitação diária que tinham dados faltantes foi realizado a imputação pelo método imputação múltipla por equações encadeadas (MICE), utilizando a informação de mês, ano e precipitação em ponto de grade. Foram utilizados quatro modelos, nos quais a precipitação diária dependia de: mês; mês e ano; precipitação em ponto de grade; mês, ano e precipitação diária em ponto de grade. Utilizou-se a raiz do erro quadrático médio (RMSE) como métrica e para verificar as imputações, analisou-se a semelhança entre os dados observados e os dados imputados pelo Teste de Kolmogorov-Smirnov e pelos gráficos da média e variância das imputações. O modelo com o maior número de variáveis foi escolhido para imputar os dados faltantes das séries de precipitação diária. Nesse trabalho, o uso de dados de precipitação em ponto de grade mostrou ser na imputação de dados de séries de precipitação diária. Para uma série de precipitação diária completa, concentra-se na comparação e avaliação de métodos de imputação nas abordagens univariada e múltipla, para dados de precipitação diária. Na abordagem univariada, utilizou-se diferentes configurações filtro de Kalman, Média Móvel Ponderada e Decomposição Sazonal. Na abordagem múltipla, utilizou-se o método MICE, com diferentes modelos. Os dados faltantes foram estimados em uma série de precipitação diária, em que os dados faltantes foram gerados de maneira aleatória e em trechos e utilizou-se a raiz do erro quadrático médio (RMSE) como métrica. Os resultados identificaram que o método de Filtro de Kalman forneceu os menores valores de RMSE, para todos os cenários de dados faltantes. A aplicação do algoritmo Filtro de Kalman produziu melhores estimativas para os valores diários de precipitação. O Filtro de Kalman pode ser uma importante metodologia para imputação de dados de precipitação diária, garantido uma série temporal completa para análises de vários setores, dentre eles a agricultura. / The main causes of the reduction of agricultural productivity are the climatic events, and the meteorological variable of great importance for the agricultural production is precipitation. Some of the problems of meteorological databases are discontinuity and missing data. In this sense, grid point precipitation (Gridpoint) data is an excellent source of information in climatological research. To overcome missing data problems and build a continuous database, an imputation process is required. Therefore, this work has the objective of comparing two imputation methodologies, using the MICE method and the Kalman filter, and comparing the performance in terms of imputation in different scenarios of missing data, using root mean square error (RMSE) as metric. For series of daily precipitation that had missing data, imputation was carried out by the multiple imputation method by chain equations (MICE), using the information of month, year and precipitation in grid point. Four models were used, in which the daily precipitation depended on: month; month and year; precipitation in grid point; month, year and daily precipitation in grid point. The root mean squared error (RMSE) was used as a metric and to verify imputations, the similarity between the observed data and the data imputed by the Kolmogorov-Smirnov test and the mean and variance imputation graphs were analyzed. The model with the largest number of variables was chosen to impute missing data from the daily precipitation series. In this work, precipitation data in grid point showed the importance and advantages of their use as information in imputation of daily precipitation series data. For a complete daily precipitation series, it focuses on the comparison and evaluation of imputation methods in the univariate and multiple approaches for daily precipitation data. In the univariate approach, we used different Kalman filter configurations, Weighted Moving Average, and Seasonal Decomposition. In the multiple approach, the MICE method was used, with different models. The missing data were estimated in a series of daily precipitation, in which the missing data were generated randomly and in sections, and the root mean square error (RMSE) was used as a metric. The results identified that the Kalman Filter method provided the lowest RMSE values for all missing data scenarios. The application of the Kalman filter algorithm produced better estimates for the daily values of precipitation. The Kalman Filter can be an important methodology for imputation of daily precipitation data, ensuring a complete time series for analysis of several sectors, among them agriculture.

Este trabalho investigou o uso de tomografia por impedância elétrica (TIE) na discriminação de fases em sistemas bifásicos água-ar. A TIE é uma técnica não-intrusiva em que são estimados parâmetros de condutividade elétrica de um sistema de interesse a partir de correntes elétricas impostas e potenciais elétricos medidos na fronteira desse meio. Esta técnica se traduz em um problema desafiador, por ser inverso, não-linear e mal-posto. Adicionalmente, na aplicação em análise, a dinâmica do sistema é rápida a ponto de influir nas estimativas procuradas. Foi sistematizada uma abordagem para integrar informações de medições a de outras fontes, como um regularizador generalizado de Tikhonov (filtro gaussiano), parametrização de estado e modelos de evolução, construindo um modelo adaptativo de estimação. Tal combinação de métodos é inédita na literatura. Parametrização do estado (vetor de condutividades do sistema de interesse, após discretização espacial) em condutividade logarítmica foi implementada para assegurar a obtenção de valores condizentes com a física, i.e., as estimativas em condutividade são mantidas estritamente positivas, com benefícios adicionais de aumento da região de convergência monotônica e melhoria na uniformidade da taxa de convergência das estimativas. O estudo de um sistema numérico evidenciou que a parametrização do estado permitiu o aumento do fator de sub-relaxação no método de Gauss-Newton, de 4~ para 15~, o que torna o algoritmo mais rápido. Dois modelos de evolução para escoamentos foram propostos e, comparativamente com o modelo de passeio aleatório, proporcionaram convergência mais rápida, melhor distinção das fases e melhoria do grau de observabilidade do problema de TIE. Esses modelos descrevem uma velocidade representativa para o escoamento, avaliada experimentalmente em 0; 47 m_s. Ensaios experimentais estáticos sugerem que os métodos aplicados diferenciam a presença das fases em um duto. No caso em que a dinâmica é relevante (passagem de bolhas ao longo do duto), o algoritmo desenvolvido permite o devido acompanhamento de não homogeneidades. Portanto, os resultados dessa pesquisa têm o potencial de apoiar a estimação de vazões bifásicas em trabalhos futuros, uma vez que a avaliação da fração de ocupação das fases é um passo crucial para o desenvolvimento de um medidor real de vazão multifásica. / This work investigated the use of electrical impedance tomography (EIT) in phase discrimination in two-phase air-water systems. EIT is a non-intrusive technique in which electric currents are imposed and electric potentials are measured at the boundary of a system. This method is mathematically challenging, as it is non-linear, inverse, and ill-posed. Also, for the application at hand, the system dynamics is fast enough to influence the sought estimates. A systematic approach was created to combine information from measurements and other sources, including a generalized Tikhonov regularization term (Gaussian filter), state parametrization and evolution models. This adaptive estimation approach is a contribution to the literature. State parametrization (vector of conductivities of the system of interest after spatial discretization) in logarithmic conductivity was implemented to ensure that the estimates remain in physical bounds, i.e., only positive values are achieved. Additional benefits are the increase of the region that leads to monotone convergence and a more uniform convergence rate of the estimates. The comparative analysis of a numerical system showed that state parametrization allowed an increase for the under-relaxation factor in the Gauss-Newton method, from 4% to 15%, increasing the algorithm\'s speed. Two evolution models for flows were proposed and, when compared to the random walk model, provided faster convergence, better phase distinction and an improved degree of observability for the EIT problem. These models describe a representative velocity for the flow, estimated experimentally as 0:47 m/s. Experimental tests of static setups suggest that the applied methods are able to differentiate the phases in a duct. In the case where the dynamics is relevant (flow of bubbles along the duct), the algorithm developed allows for monitoring inhomogeneities. Therefore, the results of this thesis are able to support the estimation of two-phase flow rates in future work, given that evaluating void fraction is a crucial step for an online multiphase flow rate meter.

<p>Sensor fusion deals with the merging of several signals into one, extracting a better and more reliable result. Traditionally the Kalmanfilter is used for this purpose and the aircraft navigation has benefited tremendously from its use. This thesis considers the merge of two navigation systems, the GPS positioning system and the Saab developed Synthetic Attitude and Heading Reference System (SAHRS). The purpose is to find a model for such a fusion and to investigate whether the fusion will improve the overall navigation performance. The non-linear nature of the navigation equations will lead to the use of the extended Kalman filter and the model is evaluated against both simulated and real data. The results show that this strategy indeed works but problems will arise when the GPS signal falls away.</p>

<p>A lane departure warning system relying exclusively on a camera has several shortcomings and tends to be sensitive to, e.g., bad weather and abrupt manoeuvres. To handle these situations, the system proposed in this thesis uses a dynamic model of the vehicle and integration of relative motion sensors to estimate the vehicle’s position on the road. The relative motion is measured using vision, inertial, and vehicle sensors. All these sensors types are affected by errors such as offset, drift and quantization. However the different sensors are sensitive to different types of errors, e.g., the camera system is rather poor at detecting rapid lateral movements, a type of situation which an inertial sensor practically never fails to detect. These kinds of complementary properties make sensor fusion interesting. The approach of this Master’s thesis is to use an already existing lane departure warning system as vision sensor in combination with an inertial measurement unit to produce a system that is robust and can achieve good warnings if an unintentional lane departure is about to occur. For the combination of sensor data, different sensor fusion models have been proposed and evaluated on experimental data. The models are based on a nonlinear model that is linearized so that a Kalman filter can be applied. Experiments show that the proposed solutions succeed at handling situations where a system relying solely on a camera would have problems. The results from the testing show that the original lane departure warning system, which is a single camera system, is outperformed by the suggested system.</p>

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La utilización de filtros activos paralelo mejora la eficiencia del suministro eléctrico mediante la modificación de las características de la forma de onda de las corrientes de línea. Trabajos de investigación anteriores destacan la complicada estructura de los controladores empleados en este tipo de soluciones y su sensibilidad a la distorsión de la onda de tensión en el punto donde se realiza su conexión. El objetivo fundamental de esta tesis es el desarrollo de un controlador para filtros activos de potencia tolerante a desequilibrios de tensión, huecos de tensión y armónicos de tensión. Objetivo secundario de este trabajo es el diseño de los algoritmos necesarios para el control de un filtro activo de potencia paralelo polifásico mediante una tarjeta basada en un procesador digital de señal. / Shunt active power filters (APF) modify the phase current waveform characteristics, which allow to increase the efficiency of electrical power grids. Previous research works establish the complex structure of controllers applied to APFs and their sensibility to voltage waveform disturbances.The aim of this thesis is the developing of a controller for shunt active power filters with tolerance to voltage unbalances, voltage dips and voltage harmonics. The proposed controller, implemented on a DSP target board, will be tested on a three-phase active power filter.