Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Major Automação). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Área de especialização de Sistemas), na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Dr. J. L. Martins de Carvalho

Tese de doutoramento. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Submitted by Diogo Barreiros (diogo.barreiros@ufba.br) on 2017-02-17T16:08:36Z No. of bitstreams: 1 Alexandre_Franco-dissertação-ppgm-versão_final.pdf: 6788743 bytes, checksum: 20c6ef425bc2ba1737ea5676d1f0e468 (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Reis (vanessa.jamile@ufba.br) on 2017-02-21T11:11:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Alexandre_Franco-dissertação-ppgm-versão_final.pdf: 6788743 bytes, checksum: 20c6ef425bc2ba1737ea5676d1f0e468 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-21T11:11:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Alexandre_Franco-dissertação-ppgm-versão_final.pdf: 6788743 bytes, checksum: 20c6ef425bc2ba1737ea5676d1f0e468 (MD5) / Os robôs autônomos móveis são dotados de habilidades para executar tarefas com uma mínima intervenção do homem. Tais tarefas, no entanto, não seriam possíveis de serem realizadas se não fosse introduzida a estes robôs a capacidade da navegação autônoma. / Uma simples tarefa de deslocar o robˆo de um ponto a outro, em um ambiente, requer a execu¸c˜ao de um conjunto de etapas distintas. Em primeiro lugar ´e necess´ario o reconhecimento e a representa¸c˜ao do ambiente. Esta representa¸c˜ao ´e necess´aria para que possa ser feito, na etapa seguinte, um planejamento de trajet´oria entre um local de origem e de destino. A trajet´oria planejada ´e gerada na terceira etapa e o seu rastreamento ´e feito pelo robˆo, por meio de comandos enviados ao seu sistema de atua¸c˜ao, na etapa de mais baixo n´ıvel da navega¸c˜ao, o controle de trajet´oria. Neste trabalho s˜ao propostas t´ecnicas de gera¸c˜ao e controle de trajet´oria para robˆos m´oveis omnidirecionais, apresentando solu¸c˜oes para as duas etapas de mais baixo n´ıvel da navega¸c˜ao. M´etodos de gera¸c˜ao de trajet´oria por fun¸c˜oes cont´ınuas e por interpola¸c˜ao polinomial, s˜ao mostrados, e uma t´ecnica composta por estes dois m´etodos ´e proposta. Esta t´ecnica possibilita um planejamento de trajet´orias por curvas e segmentos de reta, gerando trajet´orias de formas variadas e suaves. S˜ao propostas t´ecnicas de controle de trajet´oria usando leis de controle baseadas na lineariza¸c˜ao por realimenta¸c˜ao de estado com compensadores de ruídos baseados em controladores difusos. O robˆo usado como estudo de caso, o Axebot, um robô omnidirecional com três rodas, ´e apresentado. O desenvolvimento dos modelos cinemático e dinâmico da sua base móvel com inclusão do modelo dinâmico dos seus atuadores ´e mostrado.

Submitted by Marcio Filho (marcio.kleber@ufba.br) on 2017-06-06T13:29:36Z No. of bitstreams: 1 mestrado_luciano.pdf: 1770348 bytes, checksum: 311bfc2531be2f0144b369d6861acb71 (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Reis (vanessa.jamile@ufba.br) on 2017-06-16T15:08:33Z (GMT) No. of bitstreams: 1 mestrado_luciano.pdf: 1770348 bytes, checksum: 311bfc2531be2f0144b369d6861acb71 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-16T15:08:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 mestrado_luciano.pdf: 1770348 bytes, checksum: 311bfc2531be2f0144b369d6861acb71 (MD5) / Cada sub-sistema de um robô móvel possui aspectos próprios, que devem estar integrados a fim de capacitar o robô para a realização de uma tarefa particular. Dentre estes sub-sistemas, o sensoriamento é responsável por construir uma representação dos marcos do ambiente a fim de fornecer informações relevantes para a navegação do robô. Em geral, a construção de uma representação do ambiente possui alto custo computacional, devido a inaptidão nas estimativas de medição dos sensores. A proposta deste trabalho é a construção de um sistema de sensoriamento, baseado em fusão de sensores, de baixo custo computacional. O objetivo do sistema é o reconhecimento e localização espacial de objetos. A abordagem para o sistema se baseia na fusão redundante e complementar de dados dos sensores envolvidos (uma câmera e sensores de distância), utilizando Lógica Difusa. Para a classificação e localização dos objetos na imagem, o método de Máquina de Vetores de Suporte é utilizado e os resultados obtidos apontam para um bom desempenho nestas tarefas, com a utiliza¸c˜ao de apenas uma amostra de treinamento e sem qualquer tipo de processamento de imagem prévio. Ao final do processo, uma descrição dos objetos na cena é enviada para o robô, com informações detalhadas sobre cada objeto detectado no quadro considerado. O sistema de sensoriamento proposto ´e aplicado no ambiente de experimentação de futebol de robôs, cujas regras determinam as restrições para a arquitetura do sistema

Submitted by Maísa Soares dos Santos Lopes (msslopes@gmail.com) on 2017-09-21T17:02:08Z No. of bitstreams: 1 Tese Maisa Soares dos Santos Lopes.pdf: 2806833 bytes, checksum: 799fe0aebdcf700a36267af77992048a (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Reis (vanessa.jamile@ufba.br) on 2017-10-02T15:36:38Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Tese Maisa Soares dos Santos Lopes.pdf: 2806833 bytes, checksum: 799fe0aebdcf700a36267af77992048a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-02T15:36:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese Maisa Soares dos Santos Lopes.pdf: 2806833 bytes, checksum: 799fe0aebdcf700a36267af77992048a (MD5) / Programação de computadores é uma habilidade importante que os profissionais da área de Tecnologia de Informação devem possuir. Entretanto, o estudo de programação é considerado difícil e pouco atraente para a maioria dos alunos. Apesar dos vários estudos desenvolvidos na tentativa de melhorar esta situação, ainda existe necessidade de recursos educacionais que motivem e estimulem os alunos. Esta tese tem como objetivo propor uma arquitetura modular para um ambiente dinâmico voltado ao ensino aprendizagem de programação, baseada na integração de aprendizagem colaborativa suportada por computador, robótica móvel e laboratório remoto. A arquitetura proposta possibilita a contextualização do ensino e a utilização de estratégia de planejamento, codificação e teste de soluções de problemas e pode ser aplicada na educação à distância ou de forma complementar ao ensino tradicional. Para verificar a viabilidade da arquitetura, optou-se pela construção de um protótipo, denominado de LaraPC, um ambiente virtual de aprendizagem otimizado com suporte à experimento de robótico remoto, programação colaborativa, interação síncrona entre os usuários e ferramenta para análise de problema. Para compor o LaraPC, foi desenvolvido o ambiente para programação e controle de um robô móvel que integra um laboratório remoto e uma ferramenta de programação online onde é possível realizar atividades práticas individualmente ou em grupo. Os testes empíricos e de inspeção serviram de validação experimental do trabalho. Os resultados mostram que o conjunto de soluções adotadas comprova a capacidade da arquitetura em atender aos requisitos identificados e que, embora a validação de utilização ainda não esteja completa, o sistema é um ambiente com potencial para envolver e motivar os alunos na aprendizagem de programação.

FREIRE, A. L. A Dmensão temporal no projeto de classificadores de padrões para navegação de robôs móveis: um estudo de caso. 167 f. 2009. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2009. / Submitted by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2016-02-22T18:42:16Z No. of bitstreams: 1 2009_dis_alf.pdf: 22540747 bytes, checksum: aae0bc4e218c45fd11e8bbd7db517c2d (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa(mmarlene@ufc.br) on 2016-02-25T13:44:26Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2009_dis_alf.pdf: 22540747 bytes, checksum: aae0bc4e218c45fd11e8bbd7db517c2d (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-25T13:44:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2009_dis_alf.pdf: 22540747 bytes, checksum: aae0bc4e218c45fd11e8bbd7db517c2d (MD5) Previous issue date: 2009-09-29 / This work reports results of an investigation on the degree of influence that the inclusion of short-term memory mechanisms has on the performance of neural classifiers when applied to robot navigation tasks. In particular, we deal with the well-known strategy of navigating by “wall-following”. For this purpose, four neural architectures (Logistic Perceptron, Multilayer Perceptron, Mixture of Experts and Elman network) are used to associate different sensory input patterns with four predetermined action categories. All stages of the experiments - data acquisition, selection and training of the architectures in a simulator and their execution on a real mobile robot - are described. The obtained results suggest that the wall-following task, formulated as a pattern classification problem, is nonlinearly separable, a result that favors the MLP network if no memory of input patterns are taken into account. If short-term memory mechanisms are used, then even a linear network is able to perform the same task successfully. / Este trabalho investiga o grau de influência que a inclusão de mecanismos de memória de curta duração (MCD) exercem sobre o desempenho de classificadores neurais quando aplicados em tarefas de navegação de robôs. Em particular, trata da navegação do tipo Wall Following. Para este fim, quatro conhecidas arquiteturas neurais (Perceptron Logístico, Perceptron Multicamadas, Mistura de Especialistas e rede de Elman) são usadas com o intuito de associar diferentes padrões de leituras sensoriais com quatro classes de ações pré-determinadas. Todas as etapas dos experimentos - aquisição dos dados, seleção e treinamento das arquiteturas em simulador, além da execução das mesmas em robô móvel real (SCITOS G5) - são descritas em detalhes. Os resultados obtidos sugerem que a tarefa de seguir paredes, formulada como um problema de classificação de padrões, é não-linearmente separável, resultado este que favorece a rede MLP quando os classificadores são treinados sem MCD. Contudo, se mecanismos de MCD são usados, então até mesmo uma rede linear é capaz de executar a tarefa de interesse com sucesso.

Orientador: Prof. Dr. Luis Alberto Martinez Riascos / According to the Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) in the sense of 2010, motor disability was the second kind of deficiency that most affected people, where 13.265.599 people claimed to have limited mobility, representing 7,0% of brazilian people. Many of these people are wheelchair users and suffer constantly by needing help from others to go up and down stairs in environments that contain no ramps, as in many schools, universities, houses, hospitals, bus stations and transportation facilities. In this work, several kind of locomotion mechanisms in the mobile robotics that can be used in the assistive technology will be studied. Firstly, an analysis will be made, pointing out the pros and cons of each one, regarding the execution of the obstacles overcoming function, with the least energy consumption. The epicyclic mechanism, very used not only in the mobile robotics but in other areas, was identified to be the most suitable to the application. Its structure was projected, improved and adapted to the wheelchair. Then, through a multicorp analysis with the Euler-Lagrange equation and the virtual work principle, the development of a model to represent the dynamic behavior of the system was possible. Because of that, the estimation of energetic efficiency in comparison to other wheelchair already available in the market (as the tracked wheelchairs which executes the same function), and also the identification of a situation that could jeopardize the wheelchair user (as during downhills obstacles overcoming), was possible. Therefore, the need of a speed controller implementation to guarantee the wheelchair user stability in theses situations was shown. The control system has shown satisfactory results, meeting the performance specifications, with control signals always in the operation range of work of the actuator. The wheelchair with epicyclic locomotion system has been shown to be superior to the tracked wheelchair in many aspects as: terrain adaptability, vibration, energy consumption, etc, what makes it a promising competitor in the area of assistive technology devoted to the obstacles overcoming. / Tese ( doutorado)- Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2017. / Segundo o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) no Censo 2010, a deficiência motora foi o segundo tipo de deficiência que mais incidiu sobre a população, onde 13.265.599 pessoas declararam ter dificuldade de locomoção, representando 7,0% da população brasileira. Muitas destas pessoas são cadeirantes e sofrem por constantemente precisar de ajuda externa para subir ou descer escadas em ambientes que não contém rampas, como em muitas escolas, universidades, casas, hospitais, shoppings, estações rodoviárias e meios de transporte. Neste trabalho, serão estudados diversos mecanismos de locomoção da área da robótica móvel que podem ser utilizados na área de tecnologia assistiva. Primeiramente, haverá uma análise, indicando os prós e contras de cada um, no que se refere a executar a função de superar obstáculos através de uma cadeira de rodas, com o menor consumo de energia. O mecanismo epicíclico, muito utilizado não só no campo darobóticamóvel, mas em outras áreas, foi identificado como o mais adequado à aplicação. Sua estrutura foi projetada, melhorada e adaptada à cadeira de rodas. Através de uma análise multicorpos com as equações de Euler-Lagrange e o princípio do trabalho virtual, foi possível desenvolver um modelo que representasse o comportamento dinâmico do sistema. Com isso foi possível estimar sua eficiência energética frente a outras cadeiras já disponíveis no mercado (como as cadeiras do tipo esteira que executam a mesma função), e identificar situações que pudessem por em risco o cadeirante (como na superação de obstáculos durante descidas). Mostrou-se, portanto, a necessidade de implementação de um controlador de velocidade para garantia de estabilidade ao cadeirante nestas situações. O sistema de controle mostrou ser estável, atendendo as especificações de desempenho, com sinais de controle sempre dentro dos limites do atuador. As cadeiras com sistema epicíclico mostraram-se superiores às do tipo esteira, em muitos aspectos tais como: adaptabilidade ao terreno, vibração, consumo de energia, etc, o que a torna uma concorrente promissora na área de tecnologia assistiva dedicada à superação de obstáculos.

The population growth associated with natural resources shortage, food demand increasing and the lack of manpower for agricultural activities generate important challenges to agriculture and engineering. The challenges imply the improvement of productivity with fewer resources, This scenario is consisted parameters that generally are in opposite directions. This work presents the development of a rover to agriculture (R2A) to support agriculturescouting tasks, the tasks will be in the future important tools to improve the productivity and enable the use of less agricultural supplies. The research presents the development of a rover for agriculture (R2A) to support scouting tasks; tasks that in the future will improve productivity and allowed the use of less agricultural supplies. The study begins with a bibliographic review of Robots for agriculture, Rovers, and agricultural Rovers developed by different research institutions. After the review is presented the work methodology based on mechanic and mechatronic design methodologies; in the development of the methodology are presented the general crop characteristics, the proposed of scouting tasks, the benchmarking developing mathematical models, CAD (Computer Aided Design ) models, simulations and tests in order to know the different features of the Rovers and agricultural robots. Using the knowledge gained in the course of work is proposed the concept of a rover for agriculture R2A, the concept is compared in simulations, and developed the detailed design using CAE tools (Computer Aided Engineering) after it built a prototype and tested. As results are presented comparative simulations of R2A, their mathematical modeling, R2A simulations in ideally conditions highlighting their skills, and finally R2A tests and comparison are presented. / O crescimento populacional associado à escassez de recursos naturais, a crescente demanda alimentar e a falta de mão de obra para as actividades agrícolas geram importantes desafios para a agricultura e a engenharia. Os desafios implicam a melhoria da produtividade com menos recursos. O cenário é constituido por parâmetros que geralmente estão em direções opostas. O trabalho apresenta o desenvolvimento de um rover para agricultura (R2A) para suportar tarefas de Scouting, tarefas que no futuro melhorarão a produtividade e permitirão o uso de menos subministros agrícolas. O estudo começa pela revisão bibliográfica de Robôs para agricultura, Rovers e Rovers agrícolas desenvolvidos por diferentes instituições de pesquisa. Apos a revisão é apresentada a metodologia do trabalho baseada nas metodologias de projeto mecânico e mecatrônico; no desenvolvimento da metodologia são apresentadas as caraterísticas das culturas de maneira geral, a proposta de tarefas de Scouting, o benchmarking desenvolvendo modelos matemáticos, modelos CAD (Computer Aided Design) simulações e testes com o intuito de conhecer as diferentes caraterísticas dos Rovers e Robôs agrícolas. Usando o conhecimento no decorrer do trabalho é proposto o conceito do rover para agricultura R2A, o conceito é comparado em simulações, e feito o projeto detalhado usando ferramentas CAE (Computer Aided Enginnerring), após é construído o protótipo, e testado. Como resultados são apresentadas simulações comparativas do R2A, a sua modelagem matemática, simulações do R2A em condições ideais, destacando as suas capacidades, e finalmente são apresentados os testes e comparações do R2A.

A detecção e reconhecimento de objetos é uma tarefa fundamental em aplicações relacionadas à navegação autônoma de robôs móveis e veículos inteligentes. Com a evolução tecnológica nos sistemas sensoriais, surgiram equipamentos capazes de detectar e representar os elementos presentes no ambiente de forma tridimensional, em estruturas chamadas nuvem de pontos. Os sensores 3D geralmente capturam um grande volume de pontos em curtos intervalos de tempo, o que demanda técnicas robustas para processamento dessa informação além de tolerância a eventuais ruídos nos dados. Uma abordagem frequentemente utilizada na área de Visão Computacional para redução de dimensionalidade é a extração de features robustas, armazenando um subconjunto de informações representativas e simplificadas do conjunto de dados. Esta tese apresenta uma metodologia de classificação de objetos em nuvens de pontos 3D através da extração de features 3D globais. Foi desenvolvido um novo descritor 3D invariante à escala, translação e rotação denominado 3D-CSD (3D-Contour Sample Distances) para representação da superfície dos objetos presentes no ambiente, e utilizado um método de aprendizado supervisionado para reconhecimento de padrões. Os experimentos realizados envolveram o uso de Redes Neurais Artificiais para o reconhecimento de diferentes classes de objetos, avaliando e validando a metodologia proposta. Os resultados obtidos demostraram a viabilidade da aplicação desta abordagem para o reconhecimento de objetos em sistemas de percepção 3D. / Objects detection and recognition is a critical task in applications for mobile robots and intelligent vehicles autonomous navigation. With the advent of many 3D sensors, environment elements can be detected and represented in three-dimensional mode, in structures known as point clouds. 3D sensors usually capture a large amount of points at high rates, requiring robust techniques to process this information and also deal with noise on input data. A common approach in the Computer Vision field for dimensionality reduction is the use of robust features extraction techniques. This way, only a subset with representative and simplified information from the dataset is processed. This thesis presents a methodology for objects recognition in 3D point clouds using global 3D features extraction. A novel 3D descriptor invariant to scale, translation and rotation named 3D-CSD (3D-Contour Sample Distances) was developed to represent the objects surface, and a supervised learning method used for pattern recognition. The experiments were performed using Artificial Neural Networks for the recognition of different classes of objects, evaluating and validating the proposed methodology. Obtained results demonstrated the feasibility of this approach application for object recognition in 3D perception systems.