A evolução de sistemas distribuídos resultou em aumento significativo de complexidade para manutenção e gerenciamento, tornando pouco eficientes técnicas convencionais baseadas em intervenções manuais. Isso motivou pesquisas que deram origem ao paradigma de computação autônoma (Autonomic Computing), que provê aspectos de auto-configuração, auto-recuperação, auto-otimização e auto-proteção a fim de tornar sistemas auto-gerenciáveis. Nesse contexto, esta tese teve como objetivo prover autonomia a ambientes distribuídos, sem a necessidade de mudar o paradigma de programação e as aplicações de usuários. Para isso, propôs-se uma abordagem que emprega técnicas para compreensão e predição de dinâmicas comportamentais de processos, utilizando abordagens de sistemas dinâmicos, inteligência artificial e teoria do caos. Os estudos realizados no decorrer desta pesquisa demonstraram que, ao predizer padrões comportamentais, pode-se otimizar diversos aspectos de computação distribuída, suportando tomadas de decisão autônomas pelos ambientes. Para validar a abordagem proposta, foi desenvolvida uma política de escalonamento distribuído, denominada PredRoute, a qual utiliza o conhecimento sobre o comportamento de processos para otimizar, transparentemente, a alocação de recursos. Experimentos realizados demonstraram que essa política aumenta o desempenho em até 4 ordens de grandeza e apresenta baixo custo computacional, o que permite a sua adoção para escalonamento online de processos / The evolution of distributed systems resulted in a significant growth in management and support complexities, which uncovered the inefficiencies incurred by the usage of conventional management techniques, based in manual interventions. This, therefore, has motivated researches towards the concept of Autonomic Computing, which provides aspects of self-configuration, self-healing, self-optimization and self-protection, aiming at developing computer systems capable of self-management. In this context, this thesis was conceived with the goal of providing autonomy to distributed systems, without changing the programming paradigm or user applications. In order to reach this goal, we proposed an approach which employs techniques capable of modelling and predicting the dynamics of application behavior, using concepts introduced in dynamical systems, artificial intelligence, and chaos theory. The obtained results demonstrated that it is possible to optimize several aspects of distributed computing, providing support for autonomic computing capabilities to distributed environments. In order to validate the proposed approach, a distributed scheduling policy was developed, named PredRoute, which uses the knowledge about the process behavior to transparently optimize the resource allocation. Experimental results demonstrated that this policy can improve the system performance by up to a power of 4, and also requires a considerably low computational cost, which suggests its adoption for online process scheduling in distributed environments

Na área de robótica móvel autônoma é importante que o robô siga uma trajetória livre de obstáculos. Estes podem ser desde obstáculos estáticos, como paredes e cadeiras em um ambiente interno, ou mesmo obstáculos móveis, como pessoas caminhando na calçada e carros passando pela rua, quando consideramos ambientes externos. No caso de um ambiente estático, o problema pode ser resolvido planejando uma trajetória livre de colisões, sendo que não é necessário um replanejamento se todos os obstáculos estáticos foram considerados. Para ambientes onde os obstáculos estão em constante movimento, é necessário um constante replanejamento da trajetória para que se evite colisões. Alternativamente, pode ser verificada a possibilidade de se manter na rota planejada, alterando apenas a velocidade de cruzeiro do robô para que este desvie dos obstáculos móveis. Este trabalho propõe uma metodologia para calcular uma velocidade de cruzeiro para o robô de forma a minimizar a probabilidade de colisão com os obstáculos detectados pelos seus sensores. A escolha da variação de velocidade para o robô considera a sua velocidade atual, e as velocidades estimadas para os obstáculos. A metodologia para resolução deste problema é apresentada considerando incertezas na posição do robô e obstáculos. São apresentados resultados de simulação que exemplificam a aplicação da metodologia. / Following a free path is an important issue in the area of autonomous mobile robotics. The obstacles can be anything from walls and chairs in an indoor environment, or they can also be people walking on the sidewalk and cars moving through the street. In the case of a static environment, the problem can be solved by planning a path free from collisions, thus it is not essential another path planning as all static obstacles were considered. For an environment were the obstacles are constantly moving, it is necessary an unceasing path replanning to avoid possible collisions. Alternatively, keeping the robot on the previously calculated path can be verified modifying the robot\'s traffic velocity to avoid moving obstacles. Our proposal is to calculate a velocity for the robot which minimizes its collision probability with moving obstacles detected by its sensors. Varying the robot\'s velocity takes into account its current velocity and the estimated velocities of obstacles. The methodology for solving this problem is presented regarding uncertainties in robots and obstacles\' positions. Results from simulations that exemplifies an application for the methodology are presented.

Introdução: A hipertensão arterial sistêmica (HAS) é uma doença que pode determinar lesões em diversos órgãos inclusive nos olhos. As doenças vasculares oculares constituem a grande maioria das causas de cegueira na atualidade e a HAS tem contribuição importante nesta estatística. A variabilidade da pressão arterial tem sido implicada na gênese de uma série de lesões de órgãos-alvo. Na tentativa de compreender melhor a patogênese das doenças vasculares oculares testamos a hipótese de que não apenas os efeitos da HAS, mas também a variabilidade da pressão arterial (PA) poderia determinar lesão de órgão-alvo (ocular). Materiais e Métodos: A desnervação sino-aórtica (DSA), um modelo experimental de aumento da variabilidade da pressão arterial foi utilizado nos experimentos. Foram obtidas medidas da pressão intraocular e a partir destas medidas, a pressão de perfusão ocular. Foram analisados marcadores de estresse oxidativo (8-OHdG e nitrotirosina),VEGF e receptores AT1 na retina de animais normotensos e hipertensos com e sem DSA aguda (12 e 24 horas) e crônica (10 semanas). Resultados: Os animais desnervados apresentaram aumento da variabilidade da PA sem modificar a PA basal e redução da sensibilidade do barorreflexo. Houve aumento da modulação simpática vascular e da pressão de perfusão ocular (PPO), nos animais hipertensos, com aumento adicional da PPO nos hipertensos e desnervados crônicos.Observou-seestresse oxidativo retiniano nos animais desnervados agudos e noshipertensos desnervados crônicos, além do aumento da expressão de receptores AT1 da Angiotensina II nos animais hipertensos. Os níveis de VEGF retinianos dos animais desnervados crônicos, apresentaram comportamento inverso aos níveis de Caspase-3. Conclusão: Tais resultados indicam que só a HAS, mas também a variabilidade da PA podem determinar variações na pressão de perfusão ocular, assim como também podem induzir dano oxidativo às células retinianas. Além disso, pode-se sugerir efeito neuroprotetor retiniano do VEGF / Introduction: High blood pressure (HBP) is a disease that can determine lesions in many organs including the eyes. The ocular vascular diseases constitute the vast majority of causes of blindness and hypertension has important contribution in this statistic. Blood pressure variability has been implicated in the genesis of a series of end-organ damage. In an attempt to better understand the pathogenesis of ocular vascular diseases, we hypothesized that not only the effects of hypertension, but also the variability of blood pressure (BPV) could determine target end-organ damage (ocular). Materials and Methods: Sino-aortic denervation (SAD), an experimental model of increased blood pressure variability was used in the experiments. The intraocular pressure measurements were performed and from these measurements the ocular perfusion pressure was estimated. Oxidative stress markers (8-OHdG and nitrotyrosine), VEGF and AT1 receptor in rat retinas were analyzed inacute and chronic hypertensive and normotensiveSAD rats and in controls. Results: Denervated animals showed increased BP variability without altering the basal BP, while presenting reduced baroreflex sensitivity.There was an increase in sympatheticvascular modulation and in OPP,in hypertensive animals, that was additionally in chronic denervated hypertensive animals.Acute denervated and chronic hypertensive denervated animals showed retinal oxidative stress as well as hypertensive animals presented increased expression of AT1 receptors of angiotensin II. The levels of retinal VEGF of chronically denervated animals showed inverse behavior of levels of Caspase-3 Conclusion: These results suggest that, apart from the arterial hypertension, BP variability not only determines changes in ocular perfusion pressure, but also induces oxidative damage to retinal cells. Furthermore, one can suggest retinal neuroprotective effect of VEGF

Navegação autônoma é um tópico abrangente cuja atenção por parte da comunidade de robôs móveis vemaumentando ao longo dos anos. O problema consiste em guiar um robô de forma inteligente por um determinado percurso sem ajuda humana. Esta dissertação apresenta um sistema de navegação para ambientes abertos baseado em visão estéreo. Uma câmera estéreo é utilizada na captação de imagens do ambiente e, utilizando o mapa de disparidades gerado por um método estéreo semi-global, dois métodos de detecção de obstáculos são utilizando para segmentar as imagens em regiões navegáveis e não navegáveis. Posteriormente esta classificação é utilizada em conjunto com um método de desvio de obstáculos, resultando em um sistema completo de navegação autônoma. Os resultados obtidos por está dissertação incluem a avaliação de dois métodos estéreo, esta sendo favorável ao método estéreo empregado (semi-global). Foram feitos testes visando avaliar a qualidade e custo computacional de dois métodos para detecção de obstáculos, um baseado em plano e outro baseado em cone. Tais testes deixaram claras as limitações de ambos os métodos e levaram a uma implementação paralela do método baseado em cone. Utilizando uma unidade de processamento gráfico, a versão paralelizada do método baseado em cone atingiu um ganho no tempo computacional de aproximadamente dez vezes. Por fim, os resultados demonstrarão o sistema completo em funcionamento, onde a plataforma robótica utilizada, um veículo elétrico, foi capaz de desviar de pessoas e cones alcançando seu objetivo seguramente / Autonomous navigation is a broad topic that has received increasing attention from the community of mobile robots over the years. The problem is to guide a robot in a smart way for a certain route without human help. This dissertation presents a navigation system for open environments based on stereo vision. A stereo camera is used to capture images of the environment and based on the disparity map generated by a semi-global stereo method, two obstacle detection methods are used to segment the images into navigable and non-navigable regions. Subsequently, this classification is employed in conjunction with a obstacle avoidance method, resulting in a complete autonomous navigation system. The results include an evaluation two stereo methods, this being favorable to the employed stereo method (semi-global). Tests were performed to evaluate the quality and computational cost of two methods for obstacle detection, a plane based one and a cone based. Such tests have left clear the limitations of both methods and led to a parallel implementation of the cone based method. Using a graphics processing unit, a parallel version of the cone based method reached a gain in computational time of approximately ten times. Finally, the results demonstrate the complete system in operation, where the robotic platform used, an electric vehicle, was able to dodge people and cones reaching its goal safely

Na área de robótica móvel autônoma é importante que o robô siga uma trajetória livre de obstáculos. Estes podem ser desde obstáculos estáticos, como paredes e cadeiras em um ambiente interno, ou mesmo obstáculos móveis, como pessoas caminhando na calçada e carros passando pela rua, quando consideramos ambientes externos. No caso de um ambiente estático, o problema pode ser resolvido planejando uma trajetória livre de colisões, sendo que não é necessário um replanejamento se todos os obstáculos estáticos foram considerados. Para ambientes onde os obstáculos estão em constante movimento, é necessário um constante replanejamento da trajetória para que se evite colisões. Alternativamente, pode ser verificada a possibilidade de se manter na rota planejada, alterando apenas a velocidade de cruzeiro do robô para que este desvie dos obstáculos móveis. Este trabalho propõe uma metodologia para calcular uma velocidade de cruzeiro para o robô de forma a minimizar a probabilidade de colisão com os obstáculos detectados pelos seus sensores. A escolha da variação de velocidade para o robô considera a sua velocidade atual, e as velocidades estimadas para os obstáculos. A metodologia para resolução deste problema é apresentada considerando incertezas na posição do robô e obstáculos. São apresentados resultados de simulação que exemplificam a aplicação da metodologia. / Following a free path is an important issue in the area of autonomous mobile robotics. The obstacles can be anything from walls and chairs in an indoor environment, or they can also be people walking on the sidewalk and cars moving through the street. In the case of a static environment, the problem can be solved by planning a path free from collisions, thus it is not essential another path planning as all static obstacles were considered. For an environment were the obstacles are constantly moving, it is necessary an unceasing path replanning to avoid possible collisions. Alternatively, keeping the robot on the previously calculated path can be verified modifying the robot\'s traffic velocity to avoid moving obstacles. Our proposal is to calculate a velocity for the robot which minimizes its collision probability with moving obstacles detected by its sensors. Varying the robot\'s velocity takes into account its current velocity and the estimated velocities of obstacles. The methodology for solving this problem is presented regarding uncertainties in robots and obstacles\' positions. Results from simulations that exemplifies an application for the methodology are presented.

O contínuo aumento da complexidade no controle de sistemas robóticos, bem como a aplicação de grupos de robôs auxiliando ou substituindo seres humanos em atividades críticas tem gerado uma importante demanda por soluções mais robustas, flexíveis, e eficientes. O desenvolvimento convencional de algoritmos especializados, constituídos de sistemas baseados em regras e de autômatos usados para coordenar estes conjuntos físicos em um ambiente dinâmico é um desafio extremamente complexo. Diversos modelos de desenvolvimento existem, entretanto, muitos desafios da área da robótica móvel autônoma continuam em aberto. Esta tese se insere no contexto da busca por soluções inteligentes a serem aplicadas em robôs móveis autônomos com o objetivo de permitir a operação destes em ambientes dinâmicos. Buscamos, com a investigação e aplicação de estratégias inteligentes por meio de aprendizado de máquina no funcionamento dos robôs, a proposta de soluções originais que permitam uma nova visão sobre a operação de robôs móveis em três dos desafios da área da robótica móvel autônoma, que são: localização, navegação e operações com grupos de robôs. As pesquisas sobre localização e coordenação de grupos apresentam investigação e propostas originais, buscando estender o estado da arte, onde apresentam resultados inovadores. A parte sobre navegação tem como objetivo principal ser um elo entre os conceitos de localização e coordenação de grupos, sendo o foco o desenvolvimento de um veículo autônomo com maior implicação em avanços técnicos. Relacionado com a coordenação de grupos de robôs, fizemos a escolha de trabalhar sobre uma aplicação modelada como o problema de combate a incêndios florestais. Buscamos desenvolver um ambiente de simulação realístico, onde foram avaliadas quatro técnicas para busca de iii estratégias de formação do grupo: Algoritmos Genéticos, Otimização por Enxame de Partículas, Hill Climbing e (iv) Simulated Annealing. Com base nas diversas avaliações realizadas pudemos mostrar quais das técnicas e conjuntos de parâmetros permitem a obtenção de resultados mais acurados que os demais. Além disso, mostramos como uma heurística baseada em populações anteriores pode auxiliar na tolerância a falhas da operação. Relacionado com a tarefa de navegação, apresentamos o desenvolvimento de um veículo autônomo de grande porte funcional para ambientes externos. Buscamos aperfeiçoar uma arquitetura para navegação autônoma, baseada em visão monocular e com capacidade de seguir pontos esparsos de GPS. Mostramos como a simulação e os usos de robôs de pequeno porte auxiliaram no desenvolvimento do veículo de grande porte e apresentamos como as redes neurais podem ser aplicadas nos modelos de navegação autônoma. Na investigação sobre localização, mostramos um método utilizando informação obtida de redes sem fio para prover informação de localização para robôs móveis. As informações obtidas da rede sem fio são utilizadas para aprendizado da posição de um robô móvel por meio de uma rede neural. Diversas avaliações foram realizadas buscando entender o comportamento do sistema com diferentes números de pontos de acesso, com uso de filtros, com diferentes topologias. Os resultados mostram que o modelo usando redes sem fio pode ser um possível método prático e barato para localização de robôs móveis. Esta tese aborda temas relevantes e propostas originais relacionadas com os objetivos propostos, apresentando métodos que provenham autonomia na coordenação de grupos e nas atividades individuais dos mesmos. A busca por altos graus de eficiência na resolução de tarefas em ambientes dinâmicos ainda é um campo que carece de soluções e de um aprofundamento nas pesquisas. Sendo assim, esta pesquisa buscou agregar diversos avanços científicos na área de pesquisa de robôs móveis autônomos e coordenação de grupos, por meio da aplicação de estratégias inteligentes / The constant increasing of the complexity in the control of robotic systems, as well as the application of groups of robots assisting or replacing human beings in critical activities has generated a significant demand for more robust, flexible and efficient solutions. The conventional development of specialized algorithms consisted of rule-based systems and automatas, used to coordinate these physical sets in a dynamic environment is an extremely complex challenge. Although several models of development of robotic issues are currently in use, many challenges in the area remain open. This thesis is related to the search for intelligent strategies to be applied in autonomous mobile robots in order to allow practical operations in dynamic environments. We seek, with the investigation of intelligent strategies by means of the use of machine learning in the robots, to propose original solutions to allow contributions in three challenges of the robotic research area: localization, navigation and coordination of groups of robots. The investigations about localization and groups of robots show novel and original proposals, where we sought to extend the state of the art. The navigation part has as its major objective to be a link between the subjects of localization and navigation, being its aim to help the deployment of a autonomous vehicle implying in greater technical advances. Related to the robotic group coordination, we have made the choice to work on an application modeled as a wildfire combat operation. We have developed a simulation environment in which we have evaluated four techniques to obtain strategies for the group formation: genetic algorithms, particle swarm optimization, hill climbing and simulated annealing. The v results showed that we can have very different accuracy with different techniques and sets of parameters. Furthermore, we show how a heuristic based on the use of past populations can assist in fault tolerant operation. Related to the autonomous navigation task, we present the development of a large autonomous vehicle capable of operating in outdoor environments. We sought to optimize an architecture for autonomous navigation based on monocular vision and with the ability to follow scattered points of GPS.We show how the use of simulation and small robots could assist in the development of large vehicle. Furthermore, we show how neural networks can be applied as a controller to autonomous navigation systems. In the investigation about localization, we presented a method using wireless networks to provide information about localization to mobile robots. The information gathered by the wireless network is used as input in an artificial neural network which learns the position of the robot. Several evaluations were carried out in order to understand the behavior of the proposed system, as using different topologies, different numbers of access points and the use of filters. Results showed that the proposed system, using wireless networks and neural networks, may be a useful and easy to use solution for localization of mobile robots. This thesis has addressed original and relevant topics related to the proposed objectives, showing methods to allow degrees of autonomy in robotic operations. The search for higher degrees of efficiency in tasks solving in dynamic environments is still a field that lacks solutions. Therefore, this study sought to add several scientific contributions in the autonomous mobile robots research area and coordination of groups, by means of the application of intelligent strategies

Submitted by CRISTIANE APARECIDA TINETTI null (ctinetti@hotmail.com) on 2018-04-05T13:30:37Z No. of bitstreams: 1 PMEC Final Mestrado.abril 2018.pdf: 926029 bytes, checksum: 0347e748c8554bf20d7f959d10d40aaf (MD5) / Approved for entry into archive by Satie Tagara (satie@marilia.unesp.br) on 2018-04-05T18:21:43Z (GMT) No. of bitstreams: 1 tinetti_ca_me_mar.pdf: 926029 bytes, checksum: 0347e748c8554bf20d7f959d10d40aaf (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-05T18:21:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tinetti_ca_me_mar.pdf: 926029 bytes, checksum: 0347e748c8554bf20d7f959d10d40aaf (MD5) Previous issue date: 18-02-23 / Não recebi financiamento / O texto que se apresenta é decorrente da pesquisa realizada sobre a instituição da função do Professor Mediador Escolar e Comunitário - PMEC, ocorrida de 2009 a 2017 no Estado de São Paulo e legitimada pela Resolução SE-1, de 20 de janeiro de 2011, que dispõe acerca das atribuições do Professor Mediador Escolar e Comunitário (PMEC) de acordo com o Sistema de Proteção Escolar (SPE). Os objetivos são a recuperação de aspectos históricos da criação da função e a análise de aspectos relacionados à prática desse profissional, relacionando o contexto de sua atuação com as possibilidades de mediação, bem como, ao papel desempenhado por esse profissional na construção da autonomia e protagonismo de docentes, alunos e funcionários das Unidades Escolares. A metodologia consta de estudos bibliográficos, documental e de levantamento de dados, por meio de entrevistas semiestruturadas e dissertativas, aplicadas junto aos PMECs que atuam nas escolas estaduais do município de Marília, Garça e Vera Cruz. A fundamentação teórica está referenciada em estudiosos vinculados ao materialismo histórico e dialético, nas contribuições e conceituações apontadas por Judy H. Mullet e Lorraine Stutzman Amstutz, em suas pesquisas realizadas sobre as Disciplinas Restaurativas para Escolas, bem como nas concepções da Cultura de Paz, que têm sido formuladas de modo mais compreensível e acessível a partir da Resolução da Assembleia Geral da ONU 53/243 de setembro de 1999. A hipótese é que o conhecimento das vivências correlacionadas ao dia a dia da função do Professor Mediador Escolar e Comunitário e de sua formação acadêmica contribuem na configuração da função, que requer formação integral e com conhecimentos específicos. Todavia, destaca-se que há valor na formação acadêmica deste sujeito. Como resultados da pesquisa, pode-se relatar que a formação na graduação em Pedagogia, Letras, em Psicologia, ou mesmo uma licenciatura curricular, ao menos nesse sentido, é incompleta ou fragmentada para a atuação efetiva frente às necessidades do ambiente escolar e dos seus estudantes e docentes, sendo importante o desenvolvimento de competências específicas durante este período de experiência do profissional. Os estudos teóricos indicam a necessidade de formação integral, ampliada e contínua desses professores mediadores, de forma que contribuam de maneira consistente e consciente, destacando formação cidadã e autônoma para os atores do ambiente escolar (discentes e docentes), pois, esses estarão atuando continuamente nos diversos ambientes da sociedade e acredita-se que essas vivências ocorridas no espaço da escola podem contribuir para atitudes colaborativas de cidadãos participativos e protagonistas. Constata-se em relação à tomada de decisão do Governo Estadual de São Paulo de realizar uma redução, no final do ano de 2016, do número de professores que estavam atuando na função de PMEC’s nas escolas estaduais. Como resultados da pesquisa, pode-se relatar que a formação na graduação em pedagogia ou em psicologia é insuficiente para a atuação efetiva nas necessidades do ambiente escolar de docentes e dos seus alunos, pensamos, por exemplo, na existência da Pós-Graduação em Mediação de Conflitos, ofertada por uma das frentes da Sociedade Brasileira de Inteligência Emocional. / The text presented is pinned down research carried out over the institution of the role of the School and Community Mediator Teacher - SCMT, held from 2009 to 2017 in the State of São Paulo and legitimized by the SE-1 Resolution, from January 20th, 2011, which provides for the School and Community Mediator Teacher (SCMT)'s attributions in accordance with the School Protection System (SPS). The objectives are both historical rescue of the role's creation and analysis on the aspects regarding the practice of this professional, relating the context of its playing with the possibilities of mediation; as well as the role played by this professional within the construction of the School Units teachers', students' and employees' autonomy and protagonism. The methodology has been settled down bibliographical studies and qualitative data collection, by means of semi-structured and essay questions applied to the SCMTs who already act in the state schools from Marília, Garça and Vera Cruz. The theoretical foundation is referenced by scholars who regard the historical and dialectical materialism, the attributions and conceptualizations pointed out by Judy H. Mullet e Lorraine Stutzman Amstutz, in their research performed over the Restorative Disciplines for Schools, as well as over the conceptions of Culture of Peace, which have been formulated in a more apprehensible and accessible way from the United Nations Organization's General Assembly 53/243 Resolution on, from September, 1999, which was titled: Declaration and Programme of Action on a Culture of Peace. The hypothesis is that the knowledge of the experiences correlated to the School and Community Mediator Teacher's day-to-day role and its academic education contribute to the setting of the function, which demands full formation and with specific pieces of knowledge, however, it is stood out that there is value on this subject's academic education. As a result from the research, it can be stated that the undergraduate forming in Pedagogy, Letters, Psychology, or even in a curricular license, only in this sense, is incomplete or fragmented for the effective acting on the needs of the school environment and its students and teachers, turning out to be important the development of specific competences throughout this period of professional experience. The theoretical studies indicate the need of these mediator teachers' full, extended and continuous formation, in a way they contribute in a consistent and conscious manner, standing out the citizen and autonomous formation for the school environment actors (students and teachers), once these will continuously be acting in several of the society's environments and it is believed that such experiences taken off the school space might contribute for collaborative attitudes of participative and protagonist citizens. It is still out to inform over the decision-making of São Paulo State Government towards cutting down, at the end of 2016, the number of teachers who had been acting as SCMTs in the state schools. As a result of the research, it can be said that the training in undergraduate pedagogy or psychology is insufficient to effectively act on the needs of the school environment of teachers and their students, we think, for example, of the existence of Post-Graduation in Mediation of Conflicts, offered by one of the fronts of the Brazilian Society of Emotional Intelligence.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Considering path planning problem for autonomous robots, the objective is to find a list of steps to be applied to obtain a path between the initial point and the goal. This work aims the investigation and implementation of cellular automata (CA) based models to path-planning. In an initial phase, a comparative study was conducted among the cellular automata-based methods to path-planning published in the literature. Subsequently, two published works were chosen to be implemented in simulation environments to verify the actual applicability of the proposed methods. The first model starts from an image captured from the environment and it applies a CA to perform the calculation of distances between free cells and the goal. The second model uses robot sensors to identify its neighborhood and it applies CA transition rules to determine the next movements. Some limitations which prevented the robots obtain good results in simulation were identified and improvements to the original models were applied. At the end, both new models exhibited better behaviors than their precursors in several scenarios. Aiming to validate our results, two simulation environments were employed (V-REP and Webots) and some experiments with e-puck robots were performed. / No problema do planejamento de caminhos para robôs autônomos, o objetivo é encontrar uma lista de passos a serem aplicados para se obter um caminho entre o ponto inicial e a meta. Este trabalho visa a investigação e implementação de modelos baseados em autômatos celulares (ACs) para o planejamento de caminhos. Em uma fase inicial, foi realizado um estudo comparativo entre os métodos de planejamento de caminhos baseados em autômatos celulares publicados na literatura. Posteriormente, foram escolhidos dois trabalhos publicados que foram implementados em ambientes de simulação para se verificar a real aplicabilidade dos métodos propostos. O primeiro modelo parte de uma imagem capturada do ambiente de navegação e utiliza um AC para fazer o cálculo das distâncias entre as células livres e a meta. O segundo modelo utiliza os sensores do robô para identificar sua vizinhança a cada instante e utiliza regras de transição de ACs para determinar os próximos movimentos. Algumas limitações que impossibilitaram que os robôs obtivessem bons resultados em simulação foram identificadas e melhorias foram aplicadas aos modelos originais. Ao final, os dois novos modelos propostos exibiram um melhor desempenho do que seus precursores em diversos cenários. Para validar nossos resultados, dois ambientes de simulação foram empregados (V-REP e Webots), além da execução de alguns experimentos com robôs e-puck. / Mestre em Ciência da Computação

A navegação autônoma é um dos problemas fundamentais na área da robótica móvel. Algoritmos capazes de conduzir um robô até o seu destino de maneira segura e eficiente são um pré-requisito para que robôs móveis possam executar as mais diversas tarefas que são atribuídas a eles com sucesso. Dependendo da complexidade do ambiente e da tarefa que deve ser executada, a programação de algoritmos de navegação não é um problema de solução trivial. Esta tese trata do desenvolvimento de sistemas de navegação autônoma baseados em técnicas de aprendizado supervisionado. Mais especificamente, foram abordados dois problemas distintos: a navegação de robôs/- veículos em ambientes urbanos e a navegação de robôs em ambientes não estruturados. No primeiro caso, o robô/veículo deve evitar obstáculos e se manter na via navegável, a partir de exemplos fornecidos por um motorista humano. No segundo caso, o robô deve identificar e evitar áreas irregulares (maior vibração), reduzindo o consumo de energia. Nesse caso, o aprendizado foi realizado a partir de informações obtidas por sensores. Em ambos os casos, algoritmos de aprendizado supervisionado foram capazes de permitir que os robôs navegassem de maneira segura e eficiente durante os testes experimentais realizados / Autonomous navigation is a fundamental problem in the field of mobile robotics. Algorithms capable of driving a robot to its destination safely and efficiently are a prerequisite for mobile robots to successfully perform different tasks that may be assigned to them. Depending on the complexity of the environment and the task to be executed, programming of navigation algorithms is not a trivial problem. This thesis approaches the development of autonomous navigation systems based on supervised learning techniques. More specifically, two distinct problems have been addressed: a robot/vehicle navigation in urban environments and robot navigation in unstructured environments. In the first case, the robot/vehicle must avoid obstacles and keep itself in the road based on examples provided by a human driver. In the second case, the robot should identify and avoid unstructured areas (higher vibration), reducing energy consumption. In this case, learning was based on information obtained by sensors. In either case, supervised learning algorithms have been capable of allowing the robots to navigate in a safe and efficient manner during the experimental tests

O número de acidentes veiculares têm aumentado mundialmente e a principal causa associada a estes acidentes é a falha humana. O desenvolvimento de veículos autônomos é uma área que ganhou destaque em vários grupos de pesquisa do mundo, e um dos principais objetivos é proporcionar um meio de evitar estes acidentes. Os sistemas de navegação utilizados nestes veículos precisam ser extremamente confiáveis e robustos o que exige o desenvolvimento de soluções específicas para solucionar o problema. Devido ao baixo custo e a riqueza de informações, um dos sensores mais utilizados para executar navegação autônoma (e nos sistemas de auxílio ao motorista) são as câmeras. Informações sobre o ambiente são extraídas por meio do processamento das imagens obtidas pela câmera, e em seguida são utilizadas pelo sistema de navegação. O objetivo principal desta tese consiste do projeto, implementação, teste e otimização de um comitê de Redes Neurais Artificiais utilizadas em Sistemas de Visão Computacional para Veículos Autônomos (considerando em específico o modelo proposto e desenvolvido no Laboratório de Robótica Móvel (LRM)), em hardware, buscando acelerar seu tempo de execução, para utilização como classificadores de imagens nos veículos autônomos desenvolvidos pelo grupo de pesquisa do LRM. Dentre as contribuições deste trabalho, as principais são: um hardware configurado em um FPGA que executa a propagação do sinal em um comitê de redes neurais artificiais de forma rápida com baixo consumo de energia, comparado a um computador de propósito geral; resultados práticos avaliando precisão, consumo de hardware e temporização da estrutura para a classe de aplicações em questão que utiliza a representação de ponto-fixo; um gerador automático de look-up tables utilizadas para substituir o cálculo exato de funções de ativação em redes MLP; um co-projeto de hardware/software que obteve resultados relevantes para implementação do algoritmo de treinamento Backpropagation e, considerando todos os resultados, uma estrutura que permite uma grande diversidade de trabalhos futuros de hardware para robótica por implementar um sistema de processamento de imagens em hardware. / The number of vehicular accidents have increased worldwide and the leading associated cause is the human failure. Autonomous vehicles design is gathering attention throughout the world in industry and universities. Several research groups in the world are designing autonomous vehicles or driving assistance systems with the main goal of providing means to avoid these accidents. Autonomous vehicles navigation systems need to be reliable with real-time performance which requires the design of specific solutions to solve the problem. Due to the low cost and high amount of collected information, one of the most used sensors to perform autonomous navigation (and driving assistance systems) are the cameras.Information from the environment is extracted through obtained images and then used by navigation systems. The main goal of this thesis is the design, implementation, testing and optimization of an Artificial Neural Network ensemble used in an autonomous vehicle navigation system (considering the navigation system proposed and designed in Mobile Robotics Lab (LRM)) in hardware, in order to increase its capabilites, to be used as image classifiers for robot visual navigation. The main contributions of this work are: a reconfigurable hardware that performs a fast signal propagation in a neural network ensemble consuming less energy when compared to a general purpose computer, due to the nature of the hardware device; practical results on the tradeoff between precision, hardware consumption and timing for the class of applications in question using the fixed-point representation; a automatic generator of look-up tables widely used in hardware neural networks to replace the exact calculation of activation functions; a hardware/software co-design that achieve significant results for backpropagation training algorithm implementation, and considering all presented results, a structure which allows a considerable number of future works on hardware image processing for robotics applications by implementing a functional image processing hardware system.