Neste trabalho, é abordado o problema da navegação de um veículo submarino autônomo. São propostos estimadores de estado que realizam fusão sensorial baseada em Filtro Estendido de Kalman. Esses estimadores de estado empregam as medidas dos seguintes sensores: uma unidade de medição inercial, um sensor de velocidade por efeito Doppler, um profundímetro e uma bússola. Primeiramente foi projetado um estimador de estados para o AUV Pirajuba, onde a estimação da orientação do veículo é realizada de forma desacoplada à estimação da velocidade e posição do veículo. Em seguida, foram desenvolvidos dois estimadores de estado que estimam orientação, velocidade e profundidade do veículo de forma acoplada. Para o projeto e testes dos estimadores mencionados anteriormente, foi empregada uma base de dados contendo um registro de medições reais dos sensores do veículo submarino autônomo Pirajuba, durante testes de campo no lago de uma represa. Os resultados dos testes validaram os estimadores de estado propostos nesse trabalho. Por último, foi realizada uma análise comparativa dos estimadores de estado mencionados. / This work concerns the navigation problem of an autonomous underwater vehicle. Some state estimators using sensorial fusion were proposed, the sensorial fusion is based in an Extended Kalman Filter. The state estimators are fed by measurements of the following sensors: an inertial measurements unit, a velocity sensor by Doppler effect, a depthmeter and a compass. In the first version of the EKF algorithm, the vehicles attitude estimation was decoupled from the vehicle velocity estimation. The second version considers the coupling between linear velocity and the attitude in the vehicle reference frame, taking the velocity reading for correction of the filter estimates. Finally, in the third version, the coupling between position and attitude is also considered, but the correction of the filters estimates is based on the depth readings. Experiments for supporting the design and validation of the navigation algorithms were based on a database constructed with motion measurements during the AUV maneuvers in the north coast of Sao Paulo, and the Guarapiranga lake in the São Paulo city. This work presents a comparative analysis of those algorithms.

Neste trabalho, foram utilizadas as vantagens da ferramenta matemática de análise temporal e espectral, a transformada wavelet discreta (DWT), além dos coeficientes de predição linear (LPC) e do algoritmo de inteligência artificial, Least Squares Support Vector Machines (LS-SVM), para aplicações em análise de sinais de voz e classificação de vozes patológicas. Inúmeros trabalhos na literatura têm demonstrado o grande interesse existente por ferramentas auxiliares ao diagnóstico de patologias da laringe. Os componentes da DWT forneceram parâmetros de medida para a análise e classificação das vozes patológicas, principalmente aquelas provenientes de pacientes com edema de Reinke e nódulo nas pregas vocais. O banco de dados com as vozes patológicas foi obtido do Departamento de Otorrinolaringologia e Cirurgia de Cabeça e Pescoço do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto (FMRP-USP). Utilizando-se o algoritmo de reconhecimento de padrões, LS-SVM, mostrou-se que a combinação dos componentes da DWT de Daubechies com o filtro LP inverso levou a um classificador de bom desempenho alcançando mais de 90% de acerto na classificação das vozes patológicas. / The main objective of this work was to use the advantages of the time-frequency analysis mathematical tool, discrete wavelet transform (DWT), besides the linear prediction coefficients (LPC) and the artificial intelligence algorithm, Least Squares Support Vector Machines (LS-SVM), for applications in voice signal analysis and classification of pathological voices. A large number of works in the literature has been shown that there is a great interest for auxiliary tools to the diagnosis of laryngeal pathologies. DWT components gave measure parameters for the analysis and classification of pathological voices, mainly that ones from patients with Reinke\'s edema and nodule in the vocal folds. It was used a data bank with pathological voices from the Otolaryngology and the Head and Neck Surgery sector of the Clinical Hospital of the Faculty of Medicine at Ribeirão Preto, University of Sao Paulo (FMRP-USP), Brazil. Using the automatic learning algorithm applied in pattern recognition problems, LS-SVM, results have showed that the combination of Daubechies\' DWT components and inverse LP filter leads to a classifier with good performance reaching more than 90% of accuracy in the classification of the pathological voices.

O objetivo do presente trabalho é verificar a susceptibilidade do método do papel-filtro a variações em três parâmetros de ensaio: a rugosidade do meio poroso (estrutura da matriz porosa), a extensão do período de exposição do papel-filtro à água intersticial do solo (tempo de equilíbrio) e o grau de deficiência de contacto entre o papel-filtro e a superfície do meio poroso. Para o estudo da rugosidade do meio poroso, três materiais particulados foram empregados. Individualmente, esses materiais apresentam-se mal graduados. A diferença entre eles reside no tamanho médio dos grãos, que para cada um assume um valor característico. A pretexto de uma primeira descrição, seria possível classificá-los como argila (argila caolinítica rosa), areia fina (areia IPT 100, F = 0,15 mm) e areia média (areia IPT 30, F = 0,60 mm). Vale notar que a peculiaridade destas distribuições granulométricas desqualifica esses materiais como elementos representativos para o estudo de solos que ocorrem em problemas reais de engenharia. De fato, para os propósitos do presente trabalho, os solos são instrumentos de investigação, ao passo que o método de aferição de sucção é objeto de estudo. A fim de que o procedimento experimental abrangesse a um só tempo as observações concernentes aos três parâmetros de estudo, concebeu-se um elenco de corpos-de-prova que viabilizou o levantamento concomitante de todas as observações necessárias. Visando a subsidiar as especulações acerca do tempo de equilíbrio, criaram-se grupos de corpos-de-prova (denominados famílias) a serem avaliados periodicamente segundo três intervalos de tempo: sete dias, quatorze dias e vinte e oito dias. A fim de viabilizar a verificação concomitante da influência da rugosidade do meio poroso (ou seja, da estrutura da matriz porosa), previu-se que cada família de corpos-de-prova seria composta por três sub-grupos (designados lotes), representantes dos três materiais empregados na investigação. E, com o intuito de avaliar a influência do grau de deficiência de contacto entre o papel-filtro e o solo, definiu-se cada lote como um conjunto de três corpos-de-prova, cada qual apresentando em uma de suas bases um sulco com diâmetro e profundidade definidos. De corpo-de-prova a corpo-de-prova, para um mesmo lote de uma mesma família, o diâmetro do sulco apresenta variações. Tais variações geram deficits de contacto que valem 20%, 50% e 80% da área do papel-filtro. A profundidade do sulco é a mesma para todos os corpos-de-prova, e é igual à espessura do espaçador empregado nas medições de sucção total (esp = 2mm). Quanto à rugosidade do meio poroso (estrutura da matriz porosa), concluiu-se que o tamanho médio dos grãos, conjugado ao índice de vazios, constiui variável diretamente proporcional aos desvios percentuais de aferição. Ou seja, quanto menor o tamanho médio dos grãos e menor o índice de vazios do material, menores serão os desvios percentuais de aferição de sucção. Quanto à extensão do período de exposição do papel-filtro à água intersticial do solo (tempo de equilíbrio), concluiu-se que o aumento do tempo de interação entre o papel-filtro e o solo pode compensar eventuais dificuldades de acesso da água intersticial ao papel-filtro. Inicialmente, a água atinge o papel-filtro nas regiões onde há contacto efetivo. Então, de maneira progressiva, a água passa a migrar pelo papel-filtro, umedecendo-o uniformemente. Quanto ao grau de deficiência de contacto entre o papel-filtro e a superfície do meio poroso, concluiu-se que a relação desta variável com o desvio percentual de aferição é de proporcionalidade direta. Ou seja, quanto maior a privação de contacto a que for submetido o papel-filtro, tanto mais afastado do valor de sucção matricial plena estará o valor de sucção aferido. Graficamente, isto se observa como um destacamento da curva de retenção levantada para contacto deficiente em relação à curva de retenção levantada para sucção matricial plena. Observou-se também que o destacamento entre as curvas de retenção não ocorreu de maneira uniforme. Para baixos teores de umidade volumétrica, foram maiores os desvios percentuais de aferição. Deste modo, o afastamento entre as curvas deu-se como uma combinação de translação e distorção. / The purpose of this work is to verify the susceptibility of the filter-paper method to variations in three experimental parameters: roughness of porous medium (structure of porous matrix), period of exposition of the filter-paper to pore water (equilibration time) and degree of deficiency in contact between the filter-paper and the porous medium. In order to study roughness of porous medium (structure of porous matrix), three particulate materials have been used. Individually considered, they present a poorly graduated grain size distribution. They differ one from another for their average grain size, which assumes specific values for each material. As a summary description, it would be possible to classify them as kaolin, fine sand (F = 0.15 mm) and coarse sand (F = 0.60 mm). Such peculiar grain size distribution may disqualify these materials as representative of soils which normally occur in engineering problems. In fact, for the purposes of the present work, soil samples are instruments of investigation, while the method of suction measurement is the object of study. A set of samples was designed in order to make feasible simultaneous gauging of all relevant information. Thus, experimental procedure yielded at once data concerning all three parameters. Three groups of samples (each one assembling 9 elements) were created so that remarks could be made on equilibration time. Each of them is called family, being inspected according to a determined periodicity (7 days, 14 days and 28 days). On their turn, families are composed by smaller groups called branches (each branch gathers three samples, all made of the same material). Branches are intended to make possible the evaluation of the effect of average grain size on the accuracy of the filter-paper technique. Finally, in order to evaluate the role of deficient contact between the filter-paper and the soil, samples of a single branch (thus made of the same material) were designed to present a circular perforation on one of their faces. Within each single branch, from sample to sample, perforation diameter increases to generate growing lack of contact between the filter-paper and the soil sample (lack of contact may assume three different values: 20%, 50% or 80% of the filter-paper surface). Perforation depth doesn\'t vary from sample to sample, always being equal to the thickness of the perforated disk used in total suction measurements (which is 2 mm). As for roughness of porous medium (structure of porous matrix), it has been noticed that both average grain size and void ratio are directly proportional to percent measurement deviation. In other words, the smaller the average grain size and the void ratio, the smaller will be percent measurement deviations. As for period of exposition of the filter-paper to pore water (equilibration time), it has been noticed that extending time for interaction between filter-paper and soil may compensate difficulties interstitial water might have to access filter-paper. At first, water reaches the filter-paper on regions where there is effective contact. Then, progressively, water tends to migrate through the filter-paper, wetting it uniformly. As for degree of deficiency in contact between the filter-paper and the porous medium, it has been noticed that such variable is directly proportional to percent measurement deviations. In other words, the greater the lack of contact between the filter-paper and the soil, the further is suction measurement from its full matric suction equivalent. Graphically, it corresponds to a detachment between the retention curve associated with partial matric suction and the retention curve associated with full matric suction. Additionally, it has been noticed that detachment between retention curves hasn\'t occurred uniformly. For lower volumetric water contents, percent measurement deviations were greater. Hence, detachment occurred as a combination of translation and distortion.

Este trabalho apresenta um método utilizando redes neurais artificiais para a determinação das amplitudes e fases dos componentes harmônicos presentes na corrente de carga monofásica. O número de harmônicos identificados é previamente selecionado. Os hamônicos identificados estão presentes na corrente de cargas não-lineares de um sistema de iluminação onde é considerada a variação no tempo das características da forma de onda desta corrente. Os harmônicos presentes no sistema degradam a qualidade de energia, sendo assim é apresentado um breve estudo sobre este tema e métodos para atenuar a distorção harmônica no sistema. Dentre estes métodos é dado ênfase na aplicação de filtros ativos de potência em paralelo com carga não-linear. O trabalho também apresenta um estudo sobre os mais comumente métodos utilizados na identificação harmônica. Dentre eles está o método baseado em redes neurais artificiais. Este método é validado com base nos dados levantados por meio de simulação e de forma experimental. / In this thesis artificial neural networks are employed in a novel approach to identifying harmonic components of the single-phase nonlinear load current, whose amplitudes and phase angles are subject to unpredictable changes in steady-state. An identified harmonics number is previously selected. These harmonics are present in the non-linear loads current of electrical illumination system. The harmonics in the power system degrade the power quality, then is exhibited a concise study dealing with power quality problems and methods to mitigate the harmonic distortion in the power system. Among these methods emphasis is given in the application of pure active power filters in parallel with the non-linear load. The thesis also shows a study about the more commonly methods used in the harmonic detection. Among them is the method based on artificial neural networks. Simulation and experimental results are presented to validate the proposed approach.

O presente trabalho consiste na elaboração de uma metodologia envolvendo técnicas computacionais para proporcionar informações provenientes de avaliação de qualidade de equipamentos mamográficos. A investigação conduzida levou em conta, além da necessária determinação de parâmetros operacionais - como tensão de pico (kVp), corrente de tubo, ponto focal, dose, tempo de exposição, camada semi-redutora -, a influência das características do digitalizador usado no processo de digitalização das imagens a ser avaliadas pelo esquema computacional, seja esse um sistema de aquisição digital direta ou indireta. Dessa forma, foi elaborado um protocolo de pré-processamento da imagem para compensar os efeitos do digitalizador antes da avaliação dos parâmetros de qualidade através dela. Simultaneamente ao desenvolvimento dos softwares necessários ao esquema, foi projetado e desenvolvido um simulador radiográfico para servir como instrumento para obtenção tanto das imagens a ser processadas pelo modelo computacional, como dos dados referentes aos parâmetros operacionais. O sistema foi desenvolvido tomando um mamógrafo calibrado e um instrumento de precisão como referências e testado em outros equipamentos mamográficos em operação em clínicas e hospitais. Os resultados foram consistentes com as análises comparativas utilizando as referências, o que podem fazer do sistema uma ferramenta útil na avaliação de qualidade em mamografia. / The present work consists on developing a computational methodology to provide information regarding to mammographic equipment quality evaluation. This investigation have taken into account, beyond the required operational parameters, such as kVp, electrical current, focal point, dose, exposition time, half-value layer, the influence of the film digitizer utilized for digitization process on the images to be evaluated by the computational scheme, either this a system of direct or indirect digital acquisition. Like so, it was elaborated an image pre-processing protocol to compensate the digitization effect on digital image, before the evaluation of quality control parameters through itself. Simultaneously to the development of the necessary software to the system, a radiographic phantom was developed to be used for achievement of either the images to be processed by the computational model, as operational parameters data. The system was developed taking calibrated mammographic equipment and a precise measurement instrument as references, besides, it was tested in other mammographic equipment in operation on clinics and hospitals. Results had shown consistent with the comparative analyses using those references, which can turn this system a useful tool for evaluation of mammography quality.

Na literatura de controle, os controladores preditivos disponíveis apresentam aplicações limitadas em processos com características integradoras. Uma dessas limitações está relacionada às propriedades estabilizantes que surgem da lei de controle quando o sistema é colocado em malha fechada. O principal objetivo dessa dissertação é desenvolver um algoritmo de controle preditivo, nominalmente estável, baseado num horizonte de predição infinito das saídas do sistema. Para essa finalidade, uma representação existente em variáveis de estado é analisada e estendida para ser capaz de ser aplicável para processos estáveis e integradores, com tempo morto. Dois métodos distintos que garantem a estabilidade de sistemas integradores foram desenvolvidos com um MPC de horizonte infinito. Para o caso de realimentação de estado, a estabilidade nominal do MPC proposto foi provada para os dois métodos e a eficiência dos controladores foi verificada através de exemplos da literatura de controle. Um dos controladores foi também aplicado em um processo de destilação de uma refinaria de petróleo. O algoritmo desenvolvido foi estendido para o caso de realimentação das saídas com a inclusão do filtro de Kalman para a estimativa dos estados do modelo. A aplicação do controlador em um sistema com diferentes tempos mortos entre as variáveis integradoras foi também estudada. / In the control literature, the available predictive controllers show limitations to be applied in processes that have integrating behavior. One of these limitations is related to the stabilizing properties of the resulting control law when the system is in closed loop. The main objective of this work is to develop a nominal stable control algorithm based on infinite prediction of system outputs. For this purpose an existing state space representation is explored and extended in order to be able to be applied to stable and integrating process with dead time. Two distinct methods to assure stability of integrating systems were developed for the infinite horizon MPC. For the case of state feedback, nominal stability of the resulting MPC was proved for the two methods and the efficiency of the controllers was verified through examples of the control literature. One of the controllers was also applied to an industrial distillation process of a petroleum refinery. The developed algorithm was extended to the output feedback operation with the inclusion of a Kalman filter for estimation of the model states. The application of the controller to a system with different dead times between integrating variables was also studied.

Coordenação de robôs móveis é um tópico importante de pesquisa dado que existem tarefas que podem ser desenvolvidas de forma mais eficiente e com menor custo por um grupo de robôs do que por um só robô. Nesta dissertação é apresentado um estudo sobre coordenação de robôs móveis para o problema de navegação em ambientes externos. Para isso, foi desenvolvido um sistema de localização utilizando os dados de odometria e do receptor GPS, e um sistema de desvio de obstáculos para planejar a trajetória livre de obstáculos. Os movimentos coordenados foram realizados em função de um líder e qualquer robô da formação pode assumir a liderança. A liderança é assumida pelo robô que ultrapassar a distância mínima a um obstáculo. Movimentos estáveis são gerados através de uma lei de controle descentralizada baseada nas coordenadas dos robôs. Para garantir a estabilidade da formação quando há alternância de líder ou remoção de robôs, foi feito controle tolerante a falhas para um grupo de robôs móveis. O controle tolerante a falhas é baseado em controle H \'INFINITO\' por realimentação da saída de sistemas lineares sujeitos a saltos Markovianos para garantir a estabilidade da formação quando um dos robôs é perdido durante o movimento coordenado. Os resultados do sistema de localização mostram que o uso de filtro robusto para a fusão de dados produz uma melhor estimativa da posição do robô móvel. Os resultados também mostram que o sistema de desvio de obstáculos é capaz de gerar uma trajetória livre de obstáculos em ambientes desconhecidos. E por fim, os resultados do sistema de coordenação mostram que o grupo de robôs mantém a formação desejada percorrendo a trajetória de referência na presença de distúrbios ou quando um robô sai da formação. / Coordination of mobile robots is an important topic of research because there are tasks that may be too difficult for a single robot to perform alone, these tasks can be performed more efficiently and cheaply by a group of mobile robots. This dissertation presents a study on the coordination of mobile robots to the problem of navigation in outdoor environments. To solve this problem, a localization system using data from odometry and GPS receiver, and an obstacle avoidance system to plan the collision-free trajectory, were developed. The coordinated motions are performed by the robots that follow a leader, and any robot of the formation can assume the leadership. The leadership is assumed by a robot when it exceeds the threshold distance to an obstacle. Stable motions are generated by a decentralized control law based on the robots coordinates. To ensure the stability formation when there is alternation of leader or one of the robots is removed, we made a fault tolerant control for a group of mobile robots. The fault tolerant approach is based on output feedback H \'INFINITE\' control of Markovian jump linear systems to ensure stability of the formation when one of the robots is lost during the coordinated motion. The results of the localization system show that the use of robust filter for data fusion produces a better estimation of the mobile robots position. The results also show that the obstacle avoidance system is capable of generating a path free from obstacles in unknown environments. Finally, the results of the coordination system show that the group of robots maintain the desired formation along the reference trajectory in the presence of disturbance or removal of one of them.

Um sistema combinado anaeróbio-aeróbio composto de um filtro anaeróbio ascendente seguido de reator aeróbio de lodos ativados em batelada, foi continuamente alimentado com água residuária sintética da indústria de polpa celulósica não branqueada, durante o período de trezentos e sessenta e três dias, com o objetivo de verificar o desempenho dos reatores operados sob condições termofílicas. Os reatores foram inoculados com lodo mesofílico com gradual adaptação para a condição termofílica e operados em duas fases distintas. A primeira e segunda fases contemplam os períodos em que os reatores foram operados em temperatura termofílica de 55 e 65 graus Celsius, respectivamente. O filtro anaeróbio trabalhou com tempo de detenção hidráulica de 48 horas em fluxo contínuo e o reator aeróbio operado em bateladas seqüenciais (RBS) com tempos de ciclo de 12, 18 e 24 horas. A melhor eficiênica de remoção de DQO do sistema combinado anaeróbio-aeróbio foi de 65%, devida, em maior parte ao reator anaeróbio. O filtro anaeróbio operado em temperatura de 55 e 65 graus demonstrou eficiência na capacidade de retenção de biomassa termofílica, evitando a perda no efluente. O RBS, quando operado em temperatura de 55 graus e tempo de ciclo de 18 horas, demonstrou melhor eficiência para pós-tratamento de água residuária sintética. Os resultados gerais mostram uma melhor eficiência dos reatores operados em temperatura de 55 graus Celsius. / A combined anaerobic-aerobic system, composed of an upflow anaerobic filter followed by an aerobic reactor of activated sludge in batch, was continuously feed with synthetic wastewater from unbleached cellulose pulp plant during a period of three hundred and sixty three days, aiming to verify the performance of the reactors operating under thermophilic conditions. The reactors were inoculated with mesophilic sludge having a gradual adaptation to the thermophilic condition and they were operated in two distinct phases. The first and second phases contemplate the periods in which the reactors were operated in a thermophilic temperature of 55 and 65 Celsius degrees, respectively. The anaerobic filter worked with hydraulic detention time of 48 hours in a continuous flow, and the aerobic reactor was operated in a sequencing batch (SBR) with a cycle time of 12, 18 and 24 hours. The best efficiency of the combined anaerobic-aerobic system to remove DQO was 65% due to, in most part, the anaerobic reactor. The anaerobic filter, operating in temperatures of 55 and 65 degrees, has demonstrated efficiency in the capacity to retain thermophilic biomass, avoiding effluent lost. The SBR reactor, when operated in temperature of 55 degrees and a cycle time of 18 hours, has demonstrated better efficiency in the post-treatment of synthetic wastewater. The general results have showed a better efficiency of the reactors operating in a thermophilic temperature of 55 Celsius degrees.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-03-15T12:52:14Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese_Jarley_Nobrega_CORRIGIDA.pdf: 12392055 bytes, checksum: 30d9ff36e7236d22ddc3a16dd942341f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-15T12:52:14Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese_Jarley_Nobrega_CORRIGIDA.pdf: 12392055 bytes, checksum: 30d9ff36e7236d22ddc3a16dd942341f (MD5) Previous issue date: 2015-08-24 / Em aplicações de aprendizagem de máquina, é comum encontrar situações onde o conjunto de entrada não está totalmente disponível no início da fase de treinamento. Uma solução conhecida para essa classe de problema é a realização do processo de aprendizagem através do fornecimento sequencial das instâncias de treinamento. Entre as abordagens mais recentes para esses métodos, encontram-se as baseadas em redes neurais do tipo Single Layer Feedforward Network (SLFN), com destaque para as extensões da Extreme Learning Machine (ELM) para aprendizagem sequencial. A versão sequencial da ELM, chamada de Online Sequential Extreme Learning Machine (OS-ELM), utiliza uma solução recursiva de mínimos quadrados para atualizar os pesos de saída da rede através de uma matriz de covariância. Entretanto, a implementação da OS-ELM e suas extensões sofrem com o problema de multicolinearidade entre os elementos da matriz de covariância. Essa tese introduz um novo método para aprendizagem sequencial com capacidade para tratar os efeitos da multicolinearidade. Chamado de Kalman Learning Machine (KLM), o método proposto utiliza o filtro de Kalman para a atualização sequencial dos pesos de saída de uma SLFN baseada na OS-ELM. Esse trabalho também propõe uma abordagem para a estimativa dos parâmetros do filtro, com o objetivo de diminuir a complexidade computacional do treinamento. Além disso, uma extensão do método chamada de Extended Kalman Learning Machine (EKLM) é apresentada, voltada para problemas onde a natureza do sistema em estudo seja não linear. O método proposto nessa tese foi comparado com alguns dos mais recentes e efetivos métodos para o tratamento de multicolinearidade em problemas de aprendizagem sequencial. Os experimentos executados mostraram que o método proposto apresenta um desempenho melhor que a maioria dos métodos do estado da arte, quando medidos o de erro de previsão e o tempo de treinamento. Um estudo de caso foi realizado, aplicando o método proposto a um problema de previsão de séries temporais para o mercado financeiro. Os resultados confirmaram que o KLM consegue simultaneamente reduzir o erro de previsão e o tempo de treinamento, quando comparado com os demais métodos investigados nessa tese. / In machine learning applications, there are situations where the input dataset is not fully available at the beginning of the training phase. A well known solution for this class of problem is to perform the learning process through the sequential feed of training instances. Among most recent approaches for sequential learning, we can highlight the methods based on Single Layer Feedforward Network (SLFN) and the extensions of the Extreme Learning Machine (ELM) approach for sequential learning. The sequential version of the ELM algorithm, named Online Sequential Extreme Learning Machine (OS-ELM), uses a recursive least squares solution for updating the output weights through a covariance matrix. However, the implementation of OS-ELM and its extensions suffer from the problem of multicollinearity for the hidden layer output matrix. This thesis introduces a new method for sequential learning in which the effects of multicollinearity is handled. The proposed Kalman Learning Machine (KLM) updates sequentially the output weights of an OS-ELM based network by using the Kalman filter iterative procedure. In this work, in order to reduce the computational complexity of the training process, a new approach for estimating the filter parameters is presented. Moreover, an extension of the method, named Extended Kalman Learning Machine (EKLM), is presented for problems where the dynamics of the model are non linear. The proposed method was evaluated by comparing the related state-of-the-art methods for sequential learning based on the original OS-ELM. The results of the experiments show that the proposed method can achieve the lowest forecast error when compared with most of their counterparts. Moreover, the KLM algorithm achieved the lowest average training time when all experiments were considered, as an evidence that the proposed method can reduce the computational complexity for the sequential learning process. A case study was performed by applying the proposed method for a problem of financial time series forecasting. The results reported confirm that the KLM algorithm can decrease the forecast error and the average training time simultaneously, when compared with other sequential learning algorithms.

Submitted by Patricia Barros (patricia.barros@ufes.br) on 2017-04-13T13:58:14Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) dissertacao Rodrigo Ferreira Berriel.pdf: 18168750 bytes, checksum: 52805e1f943170ef4d6cc96046ea48ec (MD5) / Approved for entry into archive by Patricia Barros (patricia.barros@ufes.br) on 2017-04-13T14:00:19Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) dissertacao Rodrigo Ferreira Berriel.pdf: 18168750 bytes, checksum: 52805e1f943170ef4d6cc96046ea48ec (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-13T14:00:19Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) dissertacao Rodrigo Ferreira Berriel.pdf: 18168750 bytes, checksum: 52805e1f943170ef4d6cc96046ea48ec (MD5) / FAPES / A detecção e análise da faixa de trânsito são tarefas importantes e desafiadoras em sistemas avançados de assistência ao motorista e direção autônoma. Essas tarefas são necessárias para auxiliar veículos autônomos e semi-autônomos a operarem com segurança. A queda no custo dos sensores de visão e os avanços em hardware embarcado impulsionaram as pesquisas relacionadas a faixa de trânsito –detecção, estimativa, rastreamento, etc. – nas últimas duas décadas. O interesse nesse tópico aumentou ainda mais com a demanda por sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS) e carros autônomos. Embora amplamente estudado de forma independente, ainda há necessidade de estudos que propõem uma solução combinada para os vários problemas relacionados a faixa do veículo, tal como aviso de saída de faixa (LDW), detecção de troca de faixa, classificação do tipo de linhas de divisão de fluxo (LMT), detecção e classificação de inscrições no pavimento, e detecção da presença de faixas ajdacentes. Esse trabalho propõe um sistema de análise da faixa do veículo (ELAS) em tempo real capaz de estimar a posição da faixa do veículo, classificar as linhas de divisão de fluxo e inscrições na faixa, realizar aviso de saída de faixa e detectar eventos de troca de faixa. O sistema proposto, baseado em visão, funciona em uma sequência temporal de imagens. Características das marcações de faixa são extraídas tanto na perspectiva original quanto em images mapeadas para a vista aérea, que então são combinadas para aumentar a robustez. A estimativa final da faixa é modelada como uma spline usando uma combinação de métodos (linhas de Hough, filtro de Kalman e filtro de partículas). Baseado na faixa estimada, todos os outros eventos são detectados. Além disso, o sistema proposto foi integrado para experimentação em um sistema para carros autônomos que está sendo desenvolvido pelo Laboratório de Computação de Alto Desempenho (LCAD) da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Para validar os algorítmos propostos e cobrir a falta de base de dados para essas tarefas na literatura, uma nova base dados com mais de 20 cenas diferentes (com mais de 15.000 imagens) e considerando uma variedade de cenários (estrada urbana, rodovias, tráfego, sombras, etc.) foi criada. Essa base de dados foi manualmente anotada e disponilizada publicamente para possibilitar a avaliação de diversos eventos que são de interesse para a comunidade de pesquisa (i.e. estimativa, mudança e centralização da faixa; inscrições no pavimento; cruzamentos; tipos de linhas de divisão de fluxo; faixas de pedestre e faixas adjacentes). Além disso, o sistema também foi validado qualitativamente com base na integração com o veículo autônomo. O sistema alcançou altas taxas de detecção em todos os eventos do mundo real e provou estar pronto para aplicações em tempo real. / Lane detection and analysis are important and challenging tasks in advanced driver assistance systems and autonomous driving. These tasks are required in order to help autonomous and semi-autonomous vehicles to operate safely. Decreasing costs of vision sensors and advances in embedded hardware boosted lane related research – detection, estimation, tracking, etc. – in the past two decades. The interest in this topic has increased even more with the demand for advanced driver assistance systems (ADAS) and self-driving cars. Although extensively studied independently, there is still need for studies that propose a combined solution for the multiple problems related to the ego-lane, such as lane departure warning (LDW), lane change detection, lane marking type (LMT) classification, road markings detection and classification, and detection of adjacent lanes presence. This work proposes a real-time Ego-Lane Analysis System (ELAS) capable of estimating ego-lane position, classifying LMTs and road markings, performing LDW and detecting lane change events. The proposed vision-based system works on a temporal sequence of images. Lane marking features are extracted in perspective and Inverse Perspective Mapping (IPM) images that are combined to increase robustness. The final estimated lane is modeled as a spline using a combination of methods (Hough lines, Kalman filter and Particle filter). Based on the estimated lane, all other events are detected. Moreover, the proposed system was integrated for experimentation into an autonomous car that is being developed by the High Performance Computing Laboratory of the Universidade Federal do Espírito Santo. To validate the proposed algorithms and cover the lack of lane datasets in the literature, a new dataset with more than 20 different scenes (in more than 15,000 frames) and considering a variety of scenarios (urban road, highways, traffic, shadows, etc.) was created. The dataset was manually annotated and made publicly available to enable evaluation of several events that are of interest for the research community (i.e. lane estimation, change, and centering; road markings; intersections; LMTs; crosswalks and adjacent lanes). Furthermore, the system was also validated qualitatively based on the integration with the autonomous vehicle. ELAS achieved high detection rates in all real-world events and proved to be ready for real-time applications.