Search

Introduction. This article proposes a navigation architecture for non-holonomic mobile robots for known positions on the navigation map. This architecture can plan a path from the current point to the destination. Navigation is ensured by the move_base controller package of Robot Operating System (ROS) that guides the robot in the predetermined trajectory. Objectives. This article shows the navigation of a non-holonomic robot using (Adaptive Monte Carlo Localization) AMCL algorithm and ROS for educational and development purposes. Methodology. The developed control is compatible with ROS and some examples are shown using a differential robot developed at the Federal Institute of Espirito Santo. The encoders, wheel and robot speed controllers are read in an embedded NI-MyRio system, which is programmed using LabVIEW. ROS is installed on a Linux ODROID minicomputer, which is part of the robot and is connected via Ethernet to a LiDAR laser sensor and to the NI-MyRio. ROS ability to work in a network environment allows control and supervision of devices through computer network. Results. It was possible to perform the navigation of the mobile robot, making it reach the desired final location. Within the experiments, it was possible to prove the functionality of the AMCL algorithm and the proposed architecture. Conclusion. Through the tests performed with the robot, it was possible to conclude that the navigation objective was successfully completed, validating the system and the applicability of the AMCL algorithm. Introducción. Este artículo propone una arquitectura de navegación para robots móviles no-holonómicos en posiciones conocidas en el mapa de navegación. Esta arquitectura tiene la capacidad de planificar un camino entre el punto actual y el deseado. La navegación es asegurada con el controlador move_base del Robot Operating System (ROS) que garantiza que el robot va a seguir una trayectoria predeterminada. Objectivos. Este artículo muestra la navegación de un robot con AMCL utilizando ROS para fines didácticos y de desarrollo. Metodología. El control desarrollado es compatible con ROS y algunos ejemplos de aplicación de este sistema en un robot diferencial desarrollado en el Instituto Federal do Espírito Santo son presentados. La lectura de los encoders, los controladores de velocidad de las ruedas y del robot están en un sistema embebido de National Instruments, NI My Rio, programado usando LabVIEW. El ROS está instalado en un miniordenador ODROID Linux integrado en el robot que está conectado a través de Ethernet a un sensor láser LiDAR ya NI-MyRio. La capacidad de ROS para trabajar en un entorno de red permite controlar y supervisar equipos a través de computadoras en la misma red. Resultados. Se logró realizar la navegación del robot móvil, haciéndolo llegar a la ubicación final deseada. Además, se logró probar la funcionalidad del algoritmo AMCL y de la arquitectura propuesta. Conclusión. A través de las pruebas realizadas con el robot se concluye que el objetivo de navegación se cumplió con éxito, validando el sistema y la aplicabilidad del algoritmo AMCL. Introdução. Este artigo propõe uma arquitetura de navegação para robôs móveis não Holonômicos em posições conhecidas no mapa de navegação. Esta arquitetura tem a capacidade de planejar um caminho entre o ponto atual e o destino. A navegação é garantida com o controlador move_base do Robot Operating System (ROS) para percorrer uma trajetória pré-determinada. Objetivo. Este artigo mostra a navegação de um robô com AMCL utilizando o ROS para fins didáticos e de desenvolvimento. Metodologia. O controle desenvolvido é compatível com o ROS e são apresentados alguns exemplos da aplicação desse sistema em um robô diferencial desenvolvido no Instituto Federal do Espírito Santo. A leitura dos encoders, os controladores de velocidade das rodas e do robô encontram-se num sistema embarcado da National Instruments, o NI‑MyRio, programado utilizando LabVIEW. O ROS está instalado no Linux no minicomputador ODROID embarcado no robô que está conectado via Ethernet a um sensor laser LiDAR e ao NI-MyRio. A capacidade do ROS em trabalhar em ambiente de rede permite controlar e supervisionar os equipamentos através de computadores na mesma rede. Resultados. Foi possível realizar a navegação do robô móvel, fazendo‑o chegar até a localização final desejada. Dentro dos experimentos, foi possível comprovar a funcionalidade do algoritmo AMCL e da arquitetura proposta. Conclusão. Por meio dos testes realizados com o robô, foi possível concluir que o objetivo de navegação foi concluído com êxito, validando o sistema e a aplicabilidade do algoritmo AMCL.

Introduction. Computational power improvement throughout the time combined with the overall technology advancement has allowed the development and use of robotics for several applications, such as supervision in hazardous places, transportation, vigilance, tourism guiding and, cleaning, among others. The mobile robotics field industry is not yet visible in Brazil, since there is no expressive national manufacturer of a platform for robotics development and programming. Objective. Thus, this article aims to show the development of a mobile robot to be used in internal and external environments for didactic purposes and as a development platform. Methodology. The development of a mobile robot includes hardware and software design, and, in this last group, there are the speed controllers, which are an important part of the robot design and building. In our article, it is implemented a PI controller in an embedded system of National Instruments, called NI-MyRio. This system is programmed in LabVIEW and embeds speed control for the wheels, besides the encoders reading. Additionally, it is connected to an Ethernet network, allowing supervision and control from one or more computers in the same network. Results. It was possible to model the wheels and to configure the PI controller by using such models and the internal control model method. In the experiments, it was possible to prove the functionality of the controllers satisfactorily. Conclusion. In conclusion, using the methodology described above, it was possible to model, build, and evaluate the robot and the controller, fulfilling the project requirements. Introducción. Con el aumento de la capacidad de procesamiento y el desarrollo de la tecnología, la robótica móvil ha sido utilizada en diferentes aplicaciones, como en la supervisión de locales peligrosos, transporte, vigilancia, guía de turistas, limpieza y otros. El crecimiento de esta área todavía no es visible en Brasil, pues no hay grandes fabricantes de plataforma para desarrollo y programación de robots. Objetivo. Este artículo muestra el desarrollo de un robot móvil para uso en ambientes internos y externos para fines didácticos y como una plataforma de desarrollo. Metodología. El desarrollo de un robot móvil implica en elementos de hardware y software, y, en esta última categoría, los controladores de velocidad son partes importantes en la construcción de robot móviles, los cuales son implementados con un controlador PI embebido en un sistema NI-MyRio, de National Instruments. Este sistema es programado em LabVIEW y tiene los controladores de velocidad de las ruedas y, además, puede realizar las lecturas del encoder del robot. El sistema de NI-MyRio está conectado a una red Ethernet, en la cual computadoras conectadas a la misma pueden supervisarlo y controlarlo. Resultados. Se hizo el modelaje matemático de las ruedas y, por medio de estos modelos, se configuró el controlador PI utilizando el método del modelo del control interno. Dentro de los experimentos, se comprobó la funcionalidad de los controladores de forma satisfactoria. Conclusión. Así, se concluye que se logró encontrar el modelo matemático del robot y controlador para que atendiesen a los requisitos del proyecto. Introdução. Com o aumento da capacidade de processamento e o desenvolvimento da tecnologia, a robótica móvel vem sendo usada em diferentes aplicações como na supervisão em locais perigosos, transporte, vigilância, guia de visitantes, limpeza, entre outros. O crescimento desta área ainda não é visível no Brasil, sendo que não existem grandes fabricantes de robôs para desenvolvimento. Objetivo. Desta forma, este artigo visa mostrar o desenvolvimento de um robô móvel para uso em ambientes interno e externo para fins didáticos e como plataforma de desenvolvimento. Metodologia. O desenvolvimento de um robô móvel envolve elementos de hardware e software, incluindo, nesta última categoria, os controladores de velocidade que são partes importantes na construção de robôs móveis, os quais serão implementados com o controlador PI no sistema embarcado da National Instruments, chamado de NI-MyRio. Este sistema é programado no LabVIEW e embarca os controladores de velocidade das rodas, além de realizar a leitura dos encoders do robô. O NI-MyRio está conectado a uma rede Ethernet, o que permite realizar a supervisão dos procedimentos através de um ou mais computadores. Resultados. Foi possível realizar a modelagem matemática das rodas e, a partir destes modelos, configurar o controlador PI utilizando o método do modelo do controle interno. Dentro dos experimentos, foi possível comprovar a funcionalidade dos controladores de forma satisfatória. Conclusão. Desta maneira, pode-se concluir que foi possível a construção e modelagem matemática do robô e do controlador a fim de que tivessem seus requerimentos de projeto satisfeitos.

Além de grande parte de suas fronteiras estarem banhadas pelo oceano Atlântico, o Brasil possui grande número de rios e lagos ao longo de seu território. O constante monitoramento de suas bacias hidrográficas ´e de grande importância uma vez que a ´água pode ser usada para: preservação ambiental, geração de energia, abastecimento urbano, irrigação, transporte, pesca, etc. Desta maneira, a automação e o aprimoramento das técnicas de monitoramento e coleta de dados se mostram grandes aliados na redução de custos e aumento da confiabilidade destes processos. Neste contexto, este trabalho tem por objetivo apresentar a alocação de controle de uma nova topologia de embarcação autônomo de superfície - Autonomous Surface Vessel, Veículo Autônomo de Superfície (ASV) superatuado para o monitoramento de malhas hidroviárias em geral. A técnica de alocação utiliza-se do desacoplamento de sistemas não lineares em m´múltiplos subsistemas linearizados, permitindo um rápido processamento e atendendo `as restrições impostas. O veículo traz como diferencial de aplicação ser menos invasivo nas medições coletadas pelos sensores hídricos e apresentar maior versatilidade para a navegação em diferentes ambientes. Como diferencial construtivo, o mesmo ´e baseado em uma estrutura do tipo catamarã e possui seu conjunto de propulsores posicionados na parte superior dos cascos com direcionamento azimutal em 360 graus, tornando-o um veículo com a capacidade de se movimentar em três graus de liberdade. As t´técnicas implementadas e as características que o diferem das demais topologias são validadas através de simulações e testes reais, onde pode-se observar por meio dos ´índices de performance não intrusivos Integrated Absolute Error, Integral do Erro Absoluto (IAE) e Integrated Squared Error, Integral do Erro Quadrático (ISE) os desempenhos da alocação de controle e controle de posição. In addition to the large part of its borders being bathed by the Atlantic Ocean, Brazil has a great number of rivers and lakes along its territory. The constant monitoring of its hydrographic basins is of great importance since the water can be used for: environmental preservation, energy generation, urban supply, irrigation, transport, fishing, etc. In this way, the automation and improvement of monitoring and data collection techniques proves to be great allies in reducing the cost and increasing the reliability of these processes. In this context, this work aims to present a control allocation of a new surface autonomous vessel topology - ac asv overrun for monitoring waterway networks in general. The allocation technique uses the decoupling of nonlinear systems into multiple linearized subsystems, allowing fast processing and meeting the imposed restrictions. The vehicle has as an application differential being less invasive in the collection collected by water sensors and presenting greater versatility for navigation in different environments. As a constructive differential, it is based on a catamaran-type structure and has its set of thrusters positioned on top of the hulls with azimuthal direction in 360-degrees, making it a vehicle with the capacity to move in three degrees of freedom. The implemented techniques and the characteristics that differ from the other topologies are validated through simulations and real tests, where the performances of the allocation of allocation can be observed through the non-intrusive performance indexes IAE and ISE control and position control.

Estratégias de controle para robôs móveis, utilizando visão computacional, permitem o aumento das aplicações desses, tais como nos setores industriais, agrícolas, empresas de energia, hobbies, dentre outros. Visando as aplicabilidades de tais robôs em ambientes externos, esta dissertação visa contribuir com o problema de seguimentos de caminhos visuais por Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT). A técnica de controle escolhida neste trabalho foi o Controle Preditivo Não-Linear (do inglês, Non-Linear Model Predictive Control) (NMPC) combinado com um Controle Proporcional Integral e Derivativo (PID), utilizado como um filtro para relaxamento das variáveis de controle do NMPC. O sistema será posto à prova em circuitos de seguimentos por cores, e todo controle foi feito utilizando informações visuais obtidos pela câmera e pelo espaço de cores Hue Saturation Value (HSV). Foram feitos testes com circuitos possuindo falhas nos segmentos e algumas soluções para isso foram propostas. Testes simulados e práticos foram realizados para as obtenções de resultados, com o intuito de comparação das técnicas de controle escolhidas. As comparações foram obtidas através de um PID exclusivo, NMPC exclusivo e NMPC+PID uma técnica hibrida. Dentre as técnicas utilizadas o controle NMPC obteve um desempenho adequado quando posto em conjunto com um PID (NMPC+PID). Nowadays, control strategies utilizing UAVs and cameras are used in several industrial applications and for example in agricultural, energy companies, hobbies, and many others. So indoors and outdoors environments are part of these applications. The main objective of this thesis is to propose a control strategy applied to UAVs using line-following and computer vision. In this way, this paper presents a Non-linear Model Predictive Control (NMPC) combined with a PID controller aiming to provide smooth control actions. To evaluate the model, the system was put into a circuit with colored segments and controlled by visual information utilizing the HSV colors. The authors perform simulations and real tests, in environments containing flaws in the visual segments. The control scheme presented in this work has a better performance when compared to the NMPC standalone or classic control strategies such as PID.

Coal-fired power plants required constant control of the amount of coal stored in their stock.This guarantees the supply of the plant and maintains the production of energy. Techniques suchas photogrammetry can solve this problem. However, they have disadvantages compared to lasermapping. The correct control and operation of these systems are essential to properly updatethe plant’s inventory. This work presents the development of a graphical operator interface forthe high-precision three-dimensional aerial mapping system. The developed system has thehardware to rebuild and map the coal yard of UTE Pecém through a point cloud to control theinventory.The aerial system features a LiDAR (Light Detection and Ranging) sensor for acquiring thepoint cloud. It also uses a RTK (Real-Time Kinematic) positioning system to increase thepositioning accuracy of the system, which also influences the reconstruction of the point cloud.This equipment is coupled to an UAV (Unmanned Aerial Vehicle) with an on-board computerfor data processing and communication with the mobile interface.The entire operation of the aerial mapping system is done through a graphical user interface.The interface was developed for mobile devices usingAndroidand written inJava. The mobileinterface presents real-time information from the three-dimensional mapping system. Theinterface has the purpose of facilitating the operation of the UAV and providing informationfrom the aircraft to the operator in the field.At the end of the work, experiments to validate the operation of the system through the interfaceare presented. Experiments to map the coal storage location with the developed system are alsodemonstrated Usinas termoelétricas a carvão necessitam do constante controle da quantidade de carvão armazenada em seu estoque. Isto garante o abastecimento da usina e mantém a produção de energia. Técnicas como fotogrametria podem solucionar este problema, porém, apresentam algumas desvantagens quando comparado com um mapeamento a laser. O correto controle e operação destes sistemas é imprescindível para atualizar corretamente o inventário de estoque da usina. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma interface gráfica de operação para sistema aéreo de mapeamento tridimensional de alta precisão. O sistema desenvolvido tem a finalidade de reconstruir e mapear o pátio de carvão da UTE Pecém através de nuvem de pontos para controle do inventário. O sistema aéreo apresenta um sensor LiDAR (Light Detection and Ranging) para aquisição da nuvem de pontos. Utiliza também o sistema de posicionamento RTK (Real-Time Kinematic) para aumentar a precisão do posicionamento do sistema, o que também influencia na reconstrução da nuvem de pontos. Estes equipamentos são acoplados em um VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado) junto de um computador de bordo para processamento dos dados e comunicação com a interface móvel. Toda a operação do sistema de mapeamento aéreo é feita através de uma interface gráfica. A interface foi desenvolvida para dispositivos móveis Android e escrita na linguagem de programa- ção Java. A interface móvel apresenta informações em tempo real do sistema de mapeamento tridimensional. A interface tem como finalidade facilitar a operação do VANT e viabilizar informações da aeronave para o operador em campo. Ao final do trabalho são apresentados experimentos testes de validação da operação do sistema através da interface. Também são demonstrados experimentos de mapeamento do local de armazenamento de carvão com o sistema desenvolvido. Palavras-chave: . Não tripulados. Interface Gráfica. VANT multi-rotor autônomo. Android

Programa de Pós-Graduação em Instrumentação, Controle e Automação de Processos de Mineração. Departamento de Engenharia de Controle e Automação, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto. A robótica móvel, desde o seu surgimento, sempre foi uma área que despertou o interesse e atenção de pesquisadores. Hoje, graças ao avanço tecnológico, robôs moveis estão cada vez mais disponíveis. Movida pela transformação digital, a indústria viu também a possibilidade de utilizar robôs móveis em suas instalações. Dentre as áreas industriais que apresentam grande importância para a economia brasileira, destaca-se a mineração. Diferentemente de outros ambientes, a mineração apresenta um universo desafiador aos robôs, dificultando o seu desenvolvimento. Este trabalho esta inserido neste contexto e é desenvolvido sobre três estudos de caso aplicados a mineração: (i) a necessidade de rastrear o minério de cobre ao longo da cadeia de produção, (ii) a necessidade de reconstruir ambientes confinados e (iii) a necessidade de inspecionar dutos da cadeia de produção. Foram propostas soluções para cada uma dessas necessidades: (i) desenvolvimento de hardware e software para melhorar o controle de rastreabilidade de minério de cobre por meio de lançamentos de etiquetas eletrônicas RFID, (ii) estudo investigativo em fotogrametria para executa-la em espaços confinados visando a reconstrução 3D do ambiente e (iii) a construção e avaliação de sistema computacional deep learning para a identificação de falhas precoces na tubulação de rejeitos da Usina do Salobo. Ao final de cada estudo de caso, considerações finais são apresentadas demonstrando os resultados obtidos. Mobile robotics, since its inception, has always been a focus of interest and attention of researchers. Today, thanks to technological advancement, mobile robots are increasingly available. Driven by the digital transformation, the industry also saw the possibility of using mobile robots in its facilities. Among the industrial areas that are of great importance to the Brazilian economy, mining stands out. Unlike other environments, mining presents a challenging universe for robots, making their development difficult. This work is inserted in this context and is developed on three case studies applied to mining: (i) the need to track copper ore along the production chain, (ii) the need to reconstruct confined environments, and (iii) the need to inspect pipelines in the production chain. Solutions were proposed for each of these needs: (i) hardware and software development to improve copper ore traceability control through the launch of RFID electronic tags, (ii) investigative study in photogrammetry to perform it in confined spaces aiming at the 3D reconstruction of the environment and (iii) the construction and evaluation of a deep learning computational system for the identification of early failures in the tailings pipe of the Salobo Plant. At the end of each case study, final considerations are presented demonstrating the results obtained.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2020. O estudo realizado neste trabalho tem como objetivo implementar te ́cnicas de aprendizagem por demonstrac ̧a ̃o usando redes neurais artificiais aplicadas em controle de trajeto ́ria de um roboˆ com trac ̧a ̃o diferencial. Em particular, deseja-se imitar trajeto ́rias que um usua ́rio ensina ao roboˆ mo ́vel usando exclusivamente um controle reativo de desvio de obsta ́cuos a partir da medic ̧a ̃o de distaˆncia com sensores ultrassônicos (entradas do modelo) e um controle de velocidade a partir das velocidades linear e angular que o usua ́rio imprime ao roboˆ (sa ́ıdas desejadas). Dois me ́todos de validac ̧a ̃o das te ́cnicas de aprendizagem foram usadas neste trabalho, a primeira usando um roboˆ virtual e a segunda um proto ́tipo f ́ısico de baixo custo. Durante a validac ̧a ̃o por simulac ̧a ̃o, várias trajeto ́rias foram realizadas no simulador EyeSim com aux ́ılio da engine Unit3D. O simulador permite construir ambientes estruturados e compor uma base de dados com a informac ̧a ̃o dos sensores de medic ̧a ̃o de distaˆcia e as velocidades linear e angular do roboˆ estimadas a partir do modelo cinema ́tico e dos encoders das rodas. Já o proto ́tipo f ́ısico foi construído com microcontroladores Arduino para um controle de baixo nível, assim como para realizar a comunicac ̧a ̃o via bluetooth para controle via aplicativo. Adicionalmente, foi utilizado para aquisic ̧a ̃o dos dados dos sensores ultrassoˆnicos e dos encoders, assim como para armazenar os dados e enviar para nuvem. O robô físico foi treinado em ambientes estruturados estáticos e dinâmicos com obstáculo móvel. Apo ́s a coleta dos dados, as redes neurais do tipo perceptron multicamadas foram treinadas no software Weka, usando o algoritmo de backpropagatipon. Depois das redes neurais serem treinadas, elas foram inseridas nos roboˆs (simulado e f ́ısico), observando o comportamento da trajeto ́ria realizada no processo de imitação e coleta de novos dados. Utilizando linguagem R foram feitas análises dos dados coletados nos experimentos simulados; foi utilizado também o Matlab, o qual realizou regressões lineares dos dados de treinamento, validação e teste das saídas entregues e esperadas pela rede. Esses resultados das regressões mostram o grau de eficiente na aprendizagem obtendo 99% de eficiência no robô simulado até 85% no robô físico. The study carried out in this work aims to implement demonstration learning techniques using artificial neural networks applied to control the trajectory of a robot with differential traction. In particular, the aim is to imitate the paths that a user teaches the mobile robot using exclusively a reactive control of deviation of obstacles from the distance medication with ultrasonic sensors (model inputs) and a speed control based on the linear and angular speeds that the user prints to the robot (desired outputs). Two methods of validating the learning techniques were used in this work, the first using a virtual robot and the second a low-cost physical prototype. During the validation by simulation, several paths were performed in the EyeSim simulator with the aid of the Unit3D engine. The simulator allows you to build structured environments and compose a database with information from the distance medication sensors and the linear and angular speeds of the robot estimated from the cinematic model and wheel encoders. The physical prototype was built with Arduino microcontrollers for low level control, as well as for communicating via bluetooth for application control. Additionally, it was used to acquire data from ultrasonic sensors and encoders, as well as to store data and send it to the cloud. The physical robot was trained in static and dynamic structured environments with a mobile obstacle. After data collection, multilayer perceptron neural networks were trained in the Weka software, using the backpropagatipon algorithm. After the neural networks were trained, they were inserted in the robots (simulated and physical), observing the behavior of the path taken in the process of imitation and collection of new data. Using R language, analyzes of the data collected in the simulated experiments were performed; Matlab was also used, which performed linear regressions of the training, validation and test data of the outputs delivered and expected by the network. These regression results show the degree of efficiency in learning, obtaining 99% efficiency in the simulated robot up to 85% in the physical robot.

Submitted by Katia Abreu (katia.abreu@unioeste.br) on 2021-04-26T12:09:35Z No. of bitstreams: 2 Matheus_Luiz_Wilhelm_2020.pdf: 11266281 bytes, checksum: 494ffab4b5758cee916afd0e61c59ba2 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Made available in DSpace on 2021-04-26T12:09:35Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Matheus_Luiz_Wilhelm_2020.pdf: 11266281 bytes, checksum: 494ffab4b5758cee916afd0e61c59ba2 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2020-12-14 The mathematical models of Wheeled Mobile Robots (WMRs) are characterized as Nonlinear Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems and, depending on the configuration of the robot wheels, it may have nonholonomic constraints. The motion control of the robot, which aims to determine the forces/torques necessary to move the WMR, is developed considering those characteristics of the WMRs, so that the robot performs tasks with the desired performance. The mathematical model of an WMR contains the kinematic equation of its structure and it can also include its dynamic equation, which includes mass and moment of inertia into the mathematical model of the vehicle. One of the approaches used in motion control, and applied in several works, is the feedback linearization, which consists of transforming a nonlinear system, fully or partially, into a linear system through nonliner state feedback. In this work a prototype with open architecture of the Differential Wheeled Mobile Robot (DWMR) is developed, which consists of a mechatronic system, for the implementation and testing of motion control systems. In addition, techniques are applied for the transformation of control signals into signals suitable for the prototype actuators, as well as for obtaining of the state variables using information from the prototype sensors. As one of the contributions of the work, a technique is developed in which, different from most works in the area, the obtainment of the duty cycle related to the PWM signal, used to regulate the voltage applied to the prototype actuators through H-bridge drivers, is performed in function the calculated voltage in the actuators and the angular speed of the wheels measured by sensors. In this work, the Raspberry Pi is adopted as the prototype processing unit and the simulations and practical experiments are performed using Matlab/Simulink tools, which support integration with Raspberry. In order to evaluate the prototype, two control strategies are selected to be tested, both based on feedback linearization. The first control system considers only the DWMR kinematic model and the second, on the other hand, considers both kinematic and dynamic models. The exposed control problem con sists of trajectory tracking. The simulations and tests with the prototype are performed for two different trajectories. The results obtained with the prototype are satisfactory because they have low tracking errors for both control systems implemented. The DWMR built, even in a first version and composed, in part, of common devices and algorithms, proves to be quite viable for the implementation and testing of motion control strategies of WMRs. Os modelos matemáticos dos Robôs Móveis com Roda (RMRs) são caracterizados como sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (do inglês, Multiple-Input Multiple-Output -MIMO) não lineares e, dependendo da configuração das rodas do robô, podem apresentar restrições não holonômicas. O controle de movimento do robô, que tem como propósito determinar as forças/torques necessários para o movimento do RMR, é desenvolvido considerando essas características dos RMRs, de modo que o robô realize tarefas com o desempenho desejado.O modelo matemático de um RMR compreende a equação cinemática de sua estrutura e pode incluir, também, sua equação dinâmica, a qual insere massa e momento de inércia no modelo matemático do veículo. Uma das estratégias utilizadas no controle de movimento, e empregada em vários trabalhos, é a realimentação linearizante, que consiste em transformar um sistema não linear, completa ou parcialmente, em um sistema linear a partir de uma realimentação não linear de estados. Neste trabalho é desenvolvido um protótipo com arquitetura aberta de Robô Móvel com Rodas Diferencial (RMRD), o qual consiste em um sistema mecatrônico, para a implementação e teste de sistemas de controle de movimento. Além disso, são aplicadas técnicas para a transformação de sinais de controle em sinais adequados para os atuadores do protótipo, bem como para a obtenção das variáveis de estado a partir das informações dos sensores do protótipo. Como uma das contribuições do trabalho, é desenvolvida uma técnica diferente da maioria dos trabalhos da área, na qual o cálculo do duty cycle relativo ao sinal PWM, utilizado para regular a tensão aplicada aos atuadores do protótipo por meio de drivers ponte-H, é realizado em função da tensão calculada nos atuadores e da velocidade angular das rodas medida por sensores. Neste trabalho, adota-se o Raspberry Pi como a unidade de processamento do protótipo e as simulações e experimentos práticos são realizados utilizando as ferramentas Matlab/Simulink, que oferecem suporte para integração com o Raspberry. Com o objetivo de avaliar o protótipo, são selecionadas duas estratégias de controle para serem testadas, ambas embasadas na realimentação linearizante. O primeiro sistema de controle considera somente o modelo cinemático do RMRD e o segundo, por sua vez, considera ambos modelos cinemático e dinâmico. O problema de controle abordado consiste no seguimento de trajetória. As simulações e ensaios com o protótipo são realizados para duas trajetórias diferentes. Os resultados obtidos com o protótipo são satisfatórios, pois apresentam baixos erros de seguimento para ambos sistemas de controle implementados. O RMRD construído, apesar de se encontrar em uma primeira versão e utilizar, em parte, dispositivos e algoritmos comuns, mostra-se bastante viável para a implementação e teste de estratégias controle de movimento de RMRs.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Propomos neste trabalho uma metodologia para estimação do desempenho e comparação de sistemas de controle para veleiros autônomos. Um dos problemas que mais dificulta a pesquisa em robótica móvel na atualidade é a ausência de metodologia padrão e plataformas para distribuição/verificação das implementações e resultados obtidos. Nossa solução consiste em definir uma metodologia para comparação formada por três partes: escopo, métricas e cenários. O escopo define quais partes do sistema são comparáveis e também cria uma forma compreensiva de definir o sistema de navegação básico de um veleiro autônomo. Métricas quantitativas devem ser extraídas dos dados obtidos durante o experimento no cenário e serão usadas para uma avaliação de características esperadas de um sistema de controle, como estabilidade, consumo energético, robustez e eficácia, resultando em uma primeira classificação do sistema de controle. Uma implementação inicial desta metodologia é feita usando o ambiente Ardupilot, onde várias técnicas de controle e métricas foram implementadas e testes em simulação foram realizados. O sistema pode ser gradativamente ampliado com a adição de mais técnicas de controle e métricas. Propomos neste trabalho uma metodologia para estimação do desempenho e comparação de sistemas de controle para veleiros autônomos. Um dos problemas que mais dificulta a pesquisa em robótica móvel na atualidade é a ausência de metodologia padrão e plataformas para distribuição/verificação das implementações e resultados obtidos. Nossa solução consiste em definir uma metodologia para comparação formada por três partes: escopo, métricas e cenários. O escopo define quais partes do sistema são comparáveis e também cria uma forma compreensiva de definir o sistema de navegação básico de um veleiro autônomo. Métricas quantitativas devem ser extraídas dos dados obtidos durante o experimento no cenário e serão usadas para uma avaliação de características esperadas de um sistema de controle, como estabilidade, consumo energético, robustez e eficácia, resultando em uma primeira classificação do sistema de controle. Uma implementação inicial desta metodologia é feita usando o ambiente Ardupilot, onde várias técnicas de controle e métricas foram implementadas e testes em simulação foram realizados. O sistema pode ser gradativamente ampliado com a adição de mais técnicas de controle e métricas.

A auto-localização é uma das tarefas básicas e fundamentais para a execução de outras tarefas em aplicações da robótica móvel, de veículos autônomos e de realidade virtual aumentada. As câmeras têm recebido destaque no processo de auto-localização pelo seu custo acessível, menor consumo de energia, pela riqueza de informação e pela capacidade de gerar um resultado equiparável a sensores mais caros. Dentre os métodos de localização visual, a Odometria Visual (VO) baseada em características tem obtido maior notoriedade por demandar menor poder computacional, tornando-se uma boa alternativa para sistemas embarcados. Isso deve-se a natureza das informações utilizadas, uma vez que, a pose (posição e orientação) da câmera é estimada buscando uma consistência geométrica na correspondência de características esparsas extraídas das imagens. Por outro lado, estes métodos tendem a ser sensíveis a erros resultantes de falsas correspondências entre as características extraídas. O presente trabalho vem contribuir com essa área propondo uma metodologia de correspondência circular que funde estratégias já conhecidas na área de Visão Computacional. O processo combina a métrica de similaridade INSAD (\textit{Illumination Normalized Sum of Absolute Differences}), para realizar a correspondência de pontos entre o mesmo par estéreo, e o algoritmo de KLT (\textit{Kanade-Lucas-Tomasi feature tracker}), a fim de determinar as correspondências entre pontos de frames consecutivos. Em ambas as abordagens, são impostas as restrições da geometria epipolar de modo a obter uma correspondência rápida e acurada. A metodologia proposta foi avaliada no banco de dados do KITTI e comparado com outros métodos presentes na literatura. Os resultados experimentais demonstram que além de contribuir na diminuição do acúmulo de erros ao longo do tempo, a metodologia proposta contribui para uma convergência mais rápida do processo de otimização. Adicionalmente, os resultados demonstram que mesmo não utilizando métodos de otimização global, metodologia proposta gera resultados competitivos à métodos que fazem uso de tais técnicas. Self-localization is one of the key tasks for applications such as robotics, self-driving cars, and augmented reality. The cameras have been broadly used because of their affordable cost, lower energy consumption, rich information, and the ability to provide results comparable to more expensive sensors. Among the visual localization methods, the feature-based Visual Odometry (VO) has attracted substantial attention, due to their low computation demand which makes them suitable for embedded systems. This is due to the nature of the information used since the pose of the camera is estimated based on a geometric consistency of feature matching. On the other hand, these methods tend to be more sensitive to errors resulting from bad correspondence. In this present work is proposed a correspondence methodology based on a circular matching procedure, which fuses well-known strategies in Computer Vision in order to enhance the quality of feature matching. The process combines the INSAD (Illumination Normalized Sum of Absolute Differences) metric, for stereo feature matching, and the KLT algorithm (Kanade-Lucas-Tomasi feature tracker) for feature tracking between consecutive frames. In both approaches is imposed the constraints of the epipolar geometry, in order to obtain a fast and accurate feature matching. The proposed methodology was evaluated in the KITTI dataset and against other methods. Experimental results demonstrate that the proposed method contributes to faster convergence and achieves high local accuracy. Furthermore, even without global optimizations, the proposed method demonstrated to be accurate for long term tracking, compared to other methods.

Submitted by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2021-02-01T11:09:31Z No. of bitstreams: 1 DM_FredericoTeixeira_2020_MEEC.pdf: 51733694 bytes, checksum: 00d200a97646a25f93b849ed3dd4d8a5 (MD5) Approved for entry into archive by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2021-02-01T11:10:11Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DM_FredericoTeixeira_2020_MEEC.pdf: 51733694 bytes, checksum: 00d200a97646a25f93b849ed3dd4d8a5 (MD5) Made available in DSpace on 2021-02-01T11:10:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DM_FredericoTeixeira_2020_MEEC.pdf: 51733694 bytes, checksum: 00d200a97646a25f93b849ed3dd4d8a5 (MD5) Previous issue date: 2020

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2019. O presente trabalho propõe uma abordagem distribuída para o problema do SLAM visual. A arquitetura de- senvolvida com uma abordagem de múltiplos mapas, baseada no ORB-SLAM2, pretende resolver o problema da perda de referência. Este problema ocorre durante o rastreamento quando o robô não consegue mais se loca- lizar no ambiente e precisa esperar passar por um local já mapeado para voltar a executar o SLAM visual. Isso pode acontecer quando o robô muda abruptamente de direção e a nova imagem obtida não possui características visuais em comum com os locais mapeados anteriormente. Como, nesse caso, o único sensor que está obtendo informações do ambiente é a câmera, o robô não é mais capaz de se localizar ou de continuar o mapeamento, uma vez que não consegue encaixar a nova imagem capturada no mapa que está sendo construído. Com o intuito de solucionar esse problema, o sistema desenvolvido neste trabalho propõe a construção de uma nova instância de mapa quando ocorre a perda de referência durante o rastreamento. Além disso, o sistema apresen- tado está estruturado de modo que a execução do SLAM visual é realizada paralelamente ao gerenciamento das instâncias de mapas construídas. Ademais, a implementação do sistema proposto utilizando o ROS garantiu uma flexibilidade para configurar a execução do SLAM com a quantidade de robôs que o usuário desejar, sem que seja necessário realizar modificações significativas no algoritmo apresentado. The present work proposes a distributed approach to the visual SLAM problem. The developed architecture with a multi-map approach based on ORB-SLAM2 aims to solve the problem of reference loss. This problem occurs during tracking when the robot can no longer locate itself in the environment and needs to wait until it goes through a previously mapped location in order to run visual SLAM again. This happens when the robot abruptly changes direction and the new image obtained has no visual characteristics in common with previously mapped locations. That happens because in this case the only sensor that is getting environmental information is the camera and the robot is no longer able to locate itself or continue mapping since it cannot fit the new captured image into the map being built. In order to solve this problem, the system presented in this paper proposes the construction of a new map instance when reference loss occurs during tracking. In addition, the presented system is structured so that visual SLAM is executed in parallel with the management of the built map instances. Besides, the implementation of the proposed system using ROS provided flexibility to configure SLAM execution with as many robots as desired without significant modifications to the presented algorithm.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES A diminuição dos custos de fabricação de componentes eletrônicos, o surgimento de novas tecnologias e áreas de pesquisa, e a necessidade de mão de obra de baixo custo vêm impulsionando a construção de robôs móveis e favorecendo sua disseminação em vários setores, principalmente no setor industrial. Entre os robôs móveis, os Veículos Guiados Automaticamente (AGV - Automated Guided Vehicle em inglês) estão ganhando espaço no setor industrial por diminuírem custos e aumentarem a produtividade. Os AGVs são robôs utilizados para locomover equipamentos e peças no chão de fábrica e não necessitam de supervisão humana. O desenvolvimento de um controlador Fuzzy em conjunto com controladores Proporcional Integral Derivativo (PID), a utilização de câmera digital e a aplicação de técnicas de visão computacional podem ser utilizadas para auxiliar AGVs nos deslocamentos, evitando colisões e divergências das marcações de trajeto. Com base nos fatos apresentados, o objetivo deste trabalho é estudar e implementar um sistema de controle de direção e velocidade baseado em controladores Fuzzy e PID para um robô móvel experimental. Neste robô serão utilizados uma câmera digital e técnicas de visão computacional para detectar percursos a serem seguidos. A metodologia empregada consiste em desenvolver um algoritmo que capture as imagens e, a partir de técnicas de processamento de imagem, entregue uma imagem segmentada por binarização que permita encontrar o centro da trilha a ser seguida. Estas informações são tratadas em um controlador Fuzzy que determina a direção do robô ao variar a velocidade de cada roda. Controladores PID são utilizados para garantir a velocidade individual dos motores e consequentemente das rodas. Por fim, são utilizadas noções básicas de odometria para recriar o trajeto percorrido pelo robô e assim comparar com o trajeto real. Dessa forma, o controlador Fuzzy em conjunto com os controladores PID foram capazes de controlar o robô durante toda trajetória, favorecendo seu alinhamento com o centro da trilha The decrease in manufacturing costs of electronics components, the emergence of new technologies and research areas, and the need for cheaper labor have been driving the construction of mobile robots and favoring their spread in several sectors, particularly in the industrial sector. Among mobile robots, Automated Guided Vehicles (AGV) are gaining ground in the industrial sector by lowering costs and increasing productivity. AGVs are robots used to move equipment and parts to the factory floor and do not require human supervision. The development of a Fuzzy controller in conjunction with Proportional-Integral-Derivative (PID) controllers, the use of a digital camera and the application of computer vision techniques can be used to assist AGVs in the displacements, avoiding collisions and divergences in the waypoints. Based on the facts presented, the objective of this work is to study and implement a control and speed control system based on Fuzzy and PID controllers for an experimental mobile robot. In this robot will be used a digital camera and computer vision techniques to detect paths to be followed. The methodology consists in developing an algorithm that captures the images and, based on image processing techniques, delivers an image segmented by binarization that allows finding the center of the track to be followed. This information is provided in a Fuzzy controller that determines the direction of the robot by varying the speed of each wheel. PID controllers are used to ensure the individual speed of the motors and thus the wheels. Finally, basic notions of odometry are used to recreate the path traveled by the robot and thus compare with the real path. In this way, the Fuzzy controller in conjunction with the PID controllers were able to control the robot during the entire trajectory, favoring its alignment with the center of the track

Resumen: Las tareas de agricultura de precisión abren un campo importante para integrar desarrollos de la robótica móvil. La planificación de trayectorias es una opción para los sistemas de remoción de maleza. A partir de un sistema de procesamiento de imagen en 3D, quien determina la ubicación de la maleza, se planea el movimiento de la herramienta encargada de erradicarla. Esta forma parte del sistema de posicionamiento XYZ, embarcado en una plataforma móvil llamada Ceres_AgroBot (Robot creado para labores de agricultura), quien se desplaza por el cultivo y realiza la inspección-remoción. Este artículo presenta la solución para encontrar la trayectoria que debe seguir la herramienta que remueve la maleza del cultivo, sin colisionar con las plantas de interés. Se soporta en la implementación de un algoritmo de búsqueda basado en la técnica A* para la determinación del camino en el espacio 3D con obstáculos. En ocasiones, la trayectoria encontrada produce movimientos que causan desplazamientos y acciones bruscas en los actuadores, por lo que se presenta también la manera de integrar el alisado de la trayectoria por la técnica de Bézier, tal que la curva se ajuste a una dinámica apropiada de los elementos que conforman el sistema de remoción. Abstract: The ground and aerial robotics, is being put into operation of agribusiness. Precision agriculture tasks have opened a dominant field to integrate the developments of mobile robotics. Trajectory planning is an option for weed removal systems from a 3D image processing system. This system determines the location of the weed (not treated here) and plans the movement of the tool to eradicate it. This tool is called end effector and it is integrated into a positioning system XYZ. This one is found on a mobile platform called Ceres_AgroBot (Robot created for agricultural work), who moves through the crop and performs inspection-removal. The article treated here presents a solution to find the trajectory that must follow the tool that removes the weeds from the crop, without colliding with the plants of interest. It is based on the implementation of a search algorithm supported on the A*, technique for determining the path in 3D space with obstacles. As inputs are: the rest point of the tool ( q start ), the coordinate of the weed ( q target ) and the coordinates of the objects. Sometimes the trajectory found produces movements that cause sudden displacements and strong actions in the actuators, so it is also presented, the way to integrate the smoothing of the trajectory by the Bezier techniques, such that the curve is adjusted to a dynamic continuous and appropriate to the elements that make up the removal system. Resumo: A robótica terrestre e aérea está sendo voltada para o funcionamento dá agroindústria. Tarefas de agricultura de precisão tem aberto um campo dominante para integrar os desenvolvimentos da robótica móvel. O planejamento de trajetórias é uma opção para os sistemas de remoção de ervas daninhas. Partindo de um sistema de processamento de imagens em 3D, quem determina a locação das ervas daninhas (não tratado aqui), é planejado o movimento da ferramenta encarregada de remove-las (conhecido como efetuador final). Esta ferramenta é parte do sistema de posicionamento XYZ, embarcado numa plataforma móvel chamada de Ceres_AgroBot (Robô criado para tarefas de agricultura), quem se desloca pelo cultivo e executa a inspeção - remoção. Este artigo apresenta a solução para encontrar a trajetória a seguir pela ferramenta que remove as ervas daninhas do cultivo, sem colidir com as plantas de interesse. É baseado na implementação de um algoritmo de busca baseado na técnica A* para a determinação do caminho no espaço 3D com obstáculos. Como entrada está o ponto de repouso da ferramenta ( q start ), a coordenada da erva daninha ( q target ) e as coordenadas dos objetos. Ás vezes a trajetória encontrada produz movimentos que causam deslocamentos abruptos e ações fortes nos atuadores, pelo que se apresenta também a maneira de integrar o suavizado da trajetória pelas técnicas de Bezier, de modo que a curva seja ajustada a uma dinâmica continua e apropriada aos elementos que compõem o sistema de remoção.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Esse trabalho apresenta uma metodologia para a concepção de missões autônomas utilizando robôs móveis com tração diferencial em ambientes internos. As missões consistem em deslocar o robô até uma posição objetivo partindo de uma pose inicial. Para que as missões ocorram com sucesso, são implementados algoritmos de localização e planejamento de caminhos. Para localização, foi utilizado Filtro de Kalman Estendido (do inglês, Extended Kalman Filter EKF) para fundir a odometria com visão computacional. A visão é responsável por encontrar marcadores artificiais conhecidos como Ar codes que são alocados no ambiente. O planejamento é caracterizado por uma forma híbrida que corresponde a união de um método deliberativo e reativo. No Planejamento deliberativo, foi proposto e utilizado o método Direct-DRRT* cuja base é oriunda do RRT (Rapidly Exploring Random Tree). Além do RRT, esse planejador também apresenta características de dois outros métodos já presentes na literatura: RRT* e DRRT. O planejador deliberativo enviará para o reativo um conjunto de sub-objetivos que conecta a posição em que o robô se encontra até o objetivo final. O planejamento reativo é aplicado durante a missão e é o responsável pelo desvio de obstáculos dinâmicos que não foram mapeados. No Reativo, é utilizado o método dos Campos Potenciais Artificiais (CPA), que também se comporta como o controlador do robô durante a navegação. Para encontrar os obstáculos, utilizou-se o sensor de profundidade Asus Xtion, pois, a partir das imagens geradas por esse sensor, é possível encontrar as distâncias que os bloqueios se encontram. As informações desse sensor também será de grande valia na atualização do mapa. O sistema é integrado através da framework ROS (Robot Operating System). Todos os algoritmos foram implementados por meio da linguagem de programação Python. Os resultados do trabalho foram apresentados por meio do simulador Gazebo e testes práticos a partir da plataforma P3DX. Foram analisados o comportamento do robô em alguns problemas que podem ocorrer durante a navegação, como o sequestro e aparecimento mínimos locais. Ao final desse trabalho, apresentou-se a melhoria nos resultados do planejador de caminhos Direct-DRRT*, onde foi possível constatar a queda no tempo para obter um caminho, a quantidade de iterações, de nós e do comprimento do caminho em comparação aos outros métodos. No que tange à localização, essa dissertação obteve significativas melhoras comparado com o método que utiliza somente a odometria. Além desse resultado, esse trabalho também obteve sucesso em apresentar uma solução para a implementação de missões autônomas. This work presents a design methodology for autonomous missions using mobile robots with differential traction in indoor environments. The missions consist of moving the robot to a goal position starting from an initial pose. For missions success, it is necessary to implement localization and path planning algorithms. For localization, Extended Kalman Filters (EKF) used to fuse odometry with computational vision. The view is responsible for finding artificial markers known as Ar codes that are presented in the environment. The planning is characterized by a hybrid form that corresponds to the union of a deliberative and reactive methods. In the Deliberative Planning, the Direct-DRRT * method, whose base is derived from the Rapidly Exploring Random Tree (RRT), is proposed and used. In addition to the RRT, this planner also presents characteristics of two other methods already presented in the literature, i.e. RRT * and DRRT. The deliberative planner sends to the reactive a set of sub-objectives that connects the initial position to the final goal. Reactive planning is applied during the mission and it is responsible for the dynamic obstacles avoidance that have not been mapped. In the reactive, the Artificial Potential Fields (APF) method is used, which also behaves as the robot controller during navigation. To find the obstacles, we use the sensor Asus Xtion, due to the possibility to find the distances that the locks are in the images generated by this sensor. All the algorithms were implemented through the programming language Python. The results of the work were presented through the simulator Gazebo and practical tests using the P3DX platform. We analyzed the robot behavior in some problems that may occur during navigation, such as kidnapped and local minimum appearance. At the end, the improvement in the results of the Direct-DRRT * path planner is also presented. It is possible to verify the decrease in the time to obtain a path, the number of iterations of nodes and the path length in comparison to other methods. Regarding the location, this dissertation has obtained significant improvements when compared to the methods that use only odometry. Besides, the work was also successful in presenting a solution for the autonomous missions implementation.

Este projeto estuda a viabilidade da aplicação de um sistema autónomo de limpeza baseado num robô autónomo e móvel em ambientes industriais, utilizando como caso concreto as instalações da Renault CACIA, em Aveiro. Inicialmente foi realizada a pesquisa dos sistemas desta natureza disponı́veis no mercado, com recurso a folhetos de produtos, feiras/exposições e contacto a fornecedores, tendo como base as caracterı́sticas requeridas pela Renault CACIA. De seguida foram estudados os componentes de hardware e software presentes neste tipo de sistemas, de forma a avaliar os vários robôs e determinar a sua compatibilidade com a situação proposta. De forma a testar experimentalmente o tipo de componentes e algoritmos envolvidos no mapeamento e na navegação autónoma de um robô móvel, foram realizados testes práticos de mapeamento e navegação na nave industrial da Renault CACIA, com recurso ao robô móvel Turtlebot 2. Por fim, para analisar o controlo do robô, implementar e avaliar alguns tipos de trajetórias do robô numa operação de limpeza industrial, foi desenvolvida uma simulação em ROS/Gazebo que utiliza o modelo do Turtlebot 2 em navegação semi-autónoma nos corredores da nave industrial da Renault CACIA, implementando dois tipos distintos de trajetória e regresso autónomo à base de carregamento de bateria mais próximo. This project studies the viability of applying an autonomous cleaning system based on a mobile robot in industrial environments, using as a concrete case the installations of Renault CACIA, in Aveiro. Initially, research was carried out on the systems available on the market, based on the characteristics required by Renault CACIA, using product brochures, fairs/exhibitions and contacting suppliers. After this, the hardware and software components present in this type of systems were studied, in order to evaluate these robots and determine their compatibility with the proposed situation. In order to experimentally test the type of components and algorithms involved in mapping and autonomous navigation of a mobile robot, practical tests of mapping and navigation in the industrial warehouse of Renault CACIA were carried out, using the Turtlebot 2 mobile robot. Finally, in order to analyze, implement and evaluate some types of robot trajectories in an industrial cleaning operation, a simulation was developed in ROS/Gazebo that uses the Turtlebot 2 model in semi-autonomous navigation in the corridors of the industrial warehouse at Renault CACIA, implementing two different types of trajectories and the autonomous return to the nearest battery charging base. Mestrado em Engenharia de Automação Industrial

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia A evolução tecnológica dos últimos anos, nomeadamente o aparecimento de processadores cada vez mais potentes e energeticamente mais eficientes e o crescimento das tecnologias móveis e de interacção homem-máquina, associados aos avanços na inteligência artificial e à crescente automatização, tornam a robótica uma das áreas em maior expansão na actualidade. São notórios os avanços realizados na robótica cirúrgica e de manipulação bem como na robótica móvel, quer a nível de robôs de assistência como a nível de robótica de serviços e industrial. No entanto vários problemas continuam a ser alvo de investigação, nomeadamente a interacção dos robôs com o meio envolvente, ou seja, a capacidade de percepção. Assim vários investigadores têm-se debruçado na tentativa de dar aos robôs maior capacidade de percepção nomeadamente ao nível da “visão”, bem como no desenvolvimento de algoritmos de navegação mais eficientes. Nesta dissertação é feita uma renovação total da interface web de interacção com o robô, tendo sido criadas novas funcionalidades, tais como, uma barra de navegação dinâmica, dois modos de funcionamento e respectiva gestão, e uma opção de controlo manual. São ainda realizadas melhorias ao algoritmo de navegação, nomeadamente, correcção da condição de paragem e correcção na mudança de sequência de navegação. É ainda implementado o controlo das velocidades das rodas do robô, processamento das leituras dos sensores de proximidade de infravermelhos e auto-localização. The technological evolution of recent years, namely the emergence of increasingly powerful and energy efficient processors and the growth of mobile technologies and human-machine interaction, combined with advances in artificial intelligence and increasing automation, make robotics one of the areas of greatest expansion. The advances in chirurgical, manipulation and in mobile robotics, both at the level of ro-bot assistance and at the level of service and industrial robotics, are remarkable. However, several problems continue to be investigated, namely the interaction of the robots with the environment, that is, the capacity of perception. Thus, several researchers have been trying to give robots great-er ability to perceive, particularly at the level of "vision", as well as the development of more effi-cient navigation algorithms. In this dissertation it was made a total renewal of the web interface of interaction with the robot, and were created new functionalities, such as a dynamic navigation bar, two modes of operation and respective management, and a manual control option. Improvements were made to the navigation algorithm, namely correction of the stopping condition and correction in the navi-gation sequence change. It were also implemented the control of the robot wheel speeds, pro-cessing of readings of the infrared proximity sensors and auto localization.

Mobile robotics is being used in different education contexts, such as basic, middle, and high-level education. A literature review showed that 197 papers have been published in this area of knowledge over the past 10 years. Nowadays, Latin America faces a serious problem due to the low student enrollment in engineering programs, where, depending on the country, the ratio of graduate engineers can be 1 per 4500 to 1 per 10 000 people. In Colombia, the SPADIES program of the Ministry of Education affirms that the lack of motivation and interaction with real artifacts relating theory and practice is an important aspect for dropout. In this paper, a platform composed by a set of programmable mobile robots, and a WEB-responsive software tool for programming at different levels of knowledge was implemented. The set of mobile robots included sensors such as proximity, trajectory, light, inertial, and vision; also, communication and user interaction tools, such as Bluetooth and colored LEDs-ring, and a mechanical support for an erasable marker were included. The WEB-responsive tool supports graphical programming for novice; Python programming, for middle; and ANSI-C, for advanced learners. This platform consolidates a hands-on tool to introduce students to STEM concepts. Results are reported in the context of platform functionality, using all three programming environments, and beta tests with real users. Resumen La robótica móvil es utilizada en diferentes niveles educativos, tales como básica, intermedia y universitaria. Una revisión del estado del arte desarrollado por Benitti mostró que 197 artículos científicos han sido publicados en esta área del conocimiento en los 10 últimos años. Actualmente, América Latina enfrenta serios problemas relacionados con el número de estudiantes de Ingeniería matriculados; dependiendo del país, existe una relación del ingeniero por 4500 a 10 000 personas. En Colombia, el programa SPADIES, del Ministerio de Educación, afirma que la falta de motivación e interacción con artefactos reales que relacionen teoría y práctica es un importante aspecto de deserción. En este trabajo fue implementada una plataforma compuesta por un conjunto de robots móviles programables y una herramienta software WEB responsiva para programar a diferentes niveles de conocimiento. El conjunto de robots móviles incluyó sensores de proximidad, trayectoria, luz, inerciales y visión; también, herramientas de comunicación y de interacción con el usuario, tales como Bluetooth y un anillo coloreado de LEDs, y un soporte mecánico para un marcador borrable. La herramienta WEB responsiva soporta programación gráfica, para novatos; programación en Python, para usuarios intermedios, y programación en ANSI-C, para usuarios avanzados. Esta plataforma consolida una herramienta práctica para introducir a los estudiantes en los conceptos STEM. Los resultados son reportados en el contexto de la funcionalidad de la plataforma, usando todos los tres ambientes de programación, y en pruebas beta con usuarios reales. Resumo A robótica móvel é utilizada em diferentes níveis educativos, tais como básico, intermediário e universitário. Uma revisão do estado da arte desenvolvida por Benitti mostrou que 197 artigos científicos têm sido publicados nesta área do conhecimento nos 10 últimos anos. Atualmente, a América Latina enfrenta sérios problemas relacionados com o número de estudantes de Engenharia matriculados; dependendo do país, existe uma relação de 1 engenheiro por 4500 a 10000 pessoas. Na Colômbia, o programa SPADIES, do Ministério de Educação, afirma que a falta de motivação e interação com artefatos reais que relacionem teoria e prática é um importante aspecto de deserção. Neste trabalho foi implementada uma plataforma composta por um conjunto de robôs móveis programáveis e uma ferramenta software WEB responsiva para programar em diferentes níveis de conhecimento. O conjunto de robôs móveis incluiu sensores de proximidade, trajetória, luz, inerciais e visão; também, ferramentas de comunicação e de interação com o usuário, tais como Bluetooth e um anel colorido de LEDs, e um suporte mecânico para um marcador borrável. A ferramenta WEB responsiva suporta programação gráfica, para principiantes; programação em Python, para usuários intermediários, e programação em ANSI-C, para usuários avançados. Esta plataforma consolida uma ferramenta prática para introduzir aos estudantes nos conceitos STEM. Os resultados são reportados no contexto da funcionalidade da plataforma, usando todos os três ambientes de programação, e em provas beta com usuários reais.

O planejamento de rotas é um recurso importante para agentes móveis, permitindo-lhes encontrar caminhos ideais entre os pontos desejados. Neste contexto, caminhos ideais podem ser entendidos como trajetórias que melhor atingem um objetivo, minimizando a distância percorrida ou o tempo gasto, por exemplo. As técnicas tradicionais tendem a considerar um modelo global do ambiente, no entanto, os problemas reais de planejamento de rotas usualmente estão no âmbito de ambientes desconhecidos ou parcialmente desconhecidos. Portanto, aplicações como essas geralmente são restritas a abordagens subótimas que planejam um caminho inicial baseado em informações conhecidas e, em seguida, modificam o caminho localmente ou até planejando novamente todo o caminho à medida que o agente descobre novos obstáculos ou características do ambiente. Sendo assim, mesmo as estratégias tradicionais de planejamento de caminhos sendo amplamente utilizadas em ambientes parcialmente conhecidos, suas soluções subótimas se tornam ainda piores quando o tamanho ou a resolução da representação do ambiente aumentam. Por isso, neste trabalho apresentamos o CGPlan (Constructive Genetic Planning), uma nova abordagem evolutiva baseada no Algoritmo Genético Compacto (cGA) que almeja um planejamento eficiente de caminho em ambientes conhecidos e desconhecidos. O CGPlan foi avaliado em ambientes simulados com crescente complexidade e comparado a técnicas comuns utilizadas para o planejamento do caminho, como o A*, o algoritmo BUG2, o RRT (Rapidly-Exploring Random Tree) e o planejamento evolutivo do caminho usando clássico Algoritmo Genético. Os resultados mostraram uma grande eficiência da proposta e indicam uma nova abordagem confiável para o planejamento de rotas de agentes móveis com poder computacional limitado e restrições em tempo real no hardware. between desired points. These optimal paths can be understood as trajectories that best achieves an objective, e.g. minimizing the distance travelled or the time spent. Most of usual path planning techniques assumes a complete and accurate environment model to generate optimal paths. But many of the real world problems are in the scope of Local Path Planning, i.e. working with partially known or unknown environments. Therefore, these applications are usually restricted to sub-optimal approaches which plan an initial path based on known information and then modifying the path locally or re-planning the entire path as the agent discovers new obstacles or environment features. Even though traditional path planning strategies have been widely used in partially known environments, their sub-optimal solutions becomes even worse when the size or resolution of the environment's representation scale up. Thus, in this work we present the CGPlan (Constructive Genetic Planning), a new evolutionary approach based on the Compact Genetic Algorithm (cGA) that pursue efficient path planning in known and unknown environments. The CGPlan was evaluated in simulated environments with increasing complexity and compared with common techniques used for path planning, such as the A*, the BUG2 algorithm, the RRT (Rapidly-Exploring Random Tree) and the evolutionary path planning based on classic Genetic Algorithm. The results shown a great efficient of the proposal and thus indicate a new reliable approach for path planning of mobile agents with limited computational power and real-time constraints on on-board hardware. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES

Trabalho final de mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica Na presente dissertação aborda-se o desenvolvimento de um robô móvel demonstrativo das funcionalidades necessárias ao combate a incêndios. Em resumo, o robô deve ter a capacidade de explorar um ambiente desconhecido, com vista a detetar a zona de incêndio e extinguir o foco de incêndio por meios mecânicos. Para tal, recorreu-se a um sistema de navegação autónomo sustentado na fusão sensorial entre um sensor rangefinder e a odometria. Pretende-se que este sistema conduza um robô móvel através de um labirinto (que simula uma habitação) explorando-o na totalidade, ao mesmo tempo que evita embater nas paredes e noutros obstáculos. Para além da navegação, existem outros sistemas importantes no robô, como o sistema de deteção da chama e o sistema para a sua extinção. O primeiro utiliza como sensor uma câmara termográfica que permite detetar a presença da chama. No sistema de extinção, é utilizada uma ventoinha que será acionada com base na informação recebida por parte da câmara termográfica. Abstract: The present dissertation addresses the development of a mobile robot that is demonstrative of the features needed for firefighting. In short, the robot should be able to explore an unfamiliar environment, with the goal of detecting the zone of fire and extinguishing the fire outbreak by mechanical means. To this end, we developed an autonomous navigation system based on the sensory fusion of a rangefinder sensor and odometry. This system is intended to drive a mobile robot through a maze (which simulates a housing) to fully explore it, while avoiding the walls and other obstacles. Besides navigation, there are other important systems in the robot, namely the flame detection and the extinction systems. The first uses a thermal camera as the sensor to detect the existenceof a flame. The extinguishing system comprises, a fan that is triggered by the information of the thermal camera. N/A

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.

Submitted by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2018-09-19T15:31:09Z No. of bitstreams: 1 DM_JoseOliveira_2017_MEEC.pdf: 44525418 bytes, checksum: e89d9f4b33cca2c08c055618630ceb97 (MD5) Approved for entry into archive by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2018-09-19T15:33:21Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DM_JoseOliveira_2017_MEEC.pdf: 44525418 bytes, checksum: e89d9f4b33cca2c08c055618630ceb97 (MD5) Made available in DSpace on 2018-09-19T15:33:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DM_JoseOliveira_2017_MEEC.pdf: 44525418 bytes, checksum: e89d9f4b33cca2c08c055618630ceb97 (MD5) Previous issue date: 2017

Trabalho final de mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica A presente dissertação apresenta uma solução para um robô móvel com navegação baseada em visão para ser aplicado em máquinas-ferramenta. Para tal, foi utilizado um protótipo de um robô de tracção diferencial de pequena escala onde um instrumento de escrita simula a actuação da máquinaferramenta. O protótipo dispõe ainda de uma câmara equipada com uma lente olho de peixe controlada por uma placa Raspberry Pi. Com o objectivo de imprimir uma determinada trajectória desejada com rigor, começou-se por desenvolver um algoritmo de planeamento onde se discretizou a dita trajectória. Seguidamente, foi definido o modelo cinemático do protótipo o qual, juntamente com o planeamento, permitiram desenvolver o anel de controlo para os motores onde se incorporou também um controlador PID. Com as leituras dos encoders das rodas, foi possível efectuar a localização baseada em odometria, a qual não apresentou rigor suficiente devido ao deslize das rodas e erros de modelação. Recorrendo à calibração da câmara através de uma toolbox implementada em ambiente MATLAB, obteve-se os parâmetros intrínsecos da câmara. Com estes foi então possível transformar as imagens obtidas pela câmara para que fosse retirada a deformação imposta pela lente de olho de peixe. Assim, foi possível estabelecer uma relação entre píxel e metro. Para a localização baseada em visão, foram utilizadas três referências (beacons) colocadas em posições conhecidas e a partir das quais foi calculada a postura do robô relativamente às mesmas. Esta avaliação utiliza apenas duas referências em vez das três que normalmente são utilizadas na triangulação, utilizando distâncias para o cálculo da localização em vez de ângulos. Esta informação juntamente com os dados da odometria são introduzidos num filtro de Kalman estendido com o objectivo de reduzir o desvio da estimativa baseada apenas na odometria. Por fim, a viabilidade da conjugação dos dois métodos de localização, quando aplicados em ambientes industriais, é discutida. Abstract: The present dissertation presents a vision based mobile robot system to be applied in machine tools. The prototype under study is a small scale differential drive robot where an incorporated writing tool simulates the action of the machine tool. Besides that, the robot has a fish-eye camera controlled by a Raspberry Pi board. The first step in devising a system for printing with enough precision was the development of a planning algorithm that produces a discretized trajectory. The next step was the definition of the kinematic model of the prototype which, when combined with the planning, allowed the development of a PID controller loop for the motors. Using the encoders readings a robot position estimate is computed, although the precision is not sufficient due to wheel slippage and modelling errors. The camera calibration was achieved using an open-source MATLAB toolbox, which produced the camera’s intrinsic parameters. With these parameters in hand, it was possible to transform the images obtained by the camera so that the deformation caused by the lens was removed. Once undistorted images are available, it is possible to take reliable measures on them. For the purpose of vision based localization, three active beacons were placed in known positions in the world, inside the robot’s viewing area. This computation relies only on two beacons instead of three, as is commonly used in triangulation, since the robot’s pose is computed using distances instead of bearings. This information is combined with the odometry estimate in an exteded Kalman filter with the goal of reducing the error that the odometry is unable to handle. To conclude, the viability of the conjugation between the two approaches to localization, when applied in industrial scenarios, is discussed. N/A

Agência Nacional do Petróleo - ANP Esse trabalho tem como objetivo o estudo de técnicas de visão computacional para o reconhecimento de gestos humanos, bem como sua aplicação ao controle de robôs móveis. São analisados os desafios e propostas algumas soluções para o desenvolvimento de uma interface simples, a qual permita o reconhecimento e a interpretação dos gestos gerados pela mão humana, no intuito de controlar os movimentos de um robô. Neste contexto, foi desenvolvido um programa em C++ para captar as imagens geradas por uma câmera de alta definição e, a partir da informação extraída das imagens, definir qual movimento seria realizado pelo robô. Para auxiliar a tarefa de reconhecimento e processamento da imagem captada foram utilizadas funções da biblioteca OpenCV. Os resultados obtidos com a interface desenvolvida confirmam e demonstram a viabilidade de aplicação desta tecnologia. The main objective of this work was to enable the recognition of human gestures through the development of a computer program. The program created captures the gestures executed by the user through a camera attached to the computer and sends it to the robot command referring to the gesture. They were interpreted in total ve gestures made by human hand. The software (developed in C ++) widely used the computer vision concepts and open source library OpenCV that directly impact the overall e ciency of the control of mobile robots. The computer vision concepts take into account the use of lters to smooth/blur the image noise reduction, color space to better suit the developer's desktop as well as useful information for manipulating digital images. The OpenCV library was essential in creating the project because it was possible to use various functions/procedures for complete control lters, image borders, image area, the geometric center of borders, exchange of color spaces, convex hull and convexity defect, plus all the necessary means for the characterization of imaged features. During the development of the software was the appearance of several problems, as false positives (noise), underperforming the insertion of various lters with sizes oversized masks, as well as problems arising from the choice of color space for processing human skin tones. However, after the development of seven versions of the control software, it was possible to minimize the occurrence of false positives due to a better use of lters combined with a well-dimensioned mask size (tested at run time) all associated with a programming logic that has been perfected over the construction of the seven versions. After all the development is managed software that met the established requirements. After the completion of the control software, it was observed that the overall e ectiveness of the various programs, highlighting in particular the V programs: 84.75 %, with VI: 93.00 % and VII with: 94.67 % showed that the nal program performed well in interpreting gestures, proving that it was possible the mobile robot control through human gestures without the need for external accessories to give it a better mobility and cost savings for maintain such a system. The great merit of the program was to assist capacity in demystifying the man set/machine therefore uses an easy and intuitive interface for control of mobile robots. Another important feature observed is that to control the mobile robot is not necessary to be close to the same, as to control the equipment is necessary to receive only the address that the Robotino passes to the program via network or Wi-Fi.

Esta dissertação descreve a implementação de um robô guia capaz de efetuar navegação autónoma dentro de um ambiente interior. O seu objetivo principal será navegar autonomamente dentro de um edifício previamente conhecido pelo robô, guiando uma pessoa até um destino escolhido pela mesma através de uma interface tátil que oferece vários destinos pré-definidos. O projeto firmou-se no estudo e documentação das diversas partes constituintes de um robô existente no mercado, o TurtleBot, e a modificação do mesmo de forma a servir o propósito pretendido, mantendo uma arquitetura modular e utilizando a plataforma de middleware ROS (Robot Operating System). O robô desenvolvido é um conjunto de subsistemas, nomeadamente base robótica, sistema de visão e perceção, sistema de navegação e interface homem-máquina. Pode ser facilmente estendido e modificado para servir outros propósitos, nomeadamente para a integração com sistemas de domótica num conceito de vida assistida por ambientes inteligentes (AAL – ambient assisted living) dentro da missão a que a unidade de I&D VITA.IPT se propõe. O robô é capaz de navegar autonomamente num ambiente interior, interagindo com o utilizador, apresentando ao mesmo, por exemplo, uma lista de pontos objetivos pré-definidos e feedback do estado da navegação. O robô foi testado em dois cenários reais diferentes com obstáculos dinâmicos. Os resultados experimentais de navegação validaram todos os seus níveis de funcionalidade, mostrando que a plataforma poderá servir de base a várias aplicações em diversos contextos.

O transporte de objetos utilizando robôs tem ganhado atenção por parte de pesquisadores e grandes empresas, principalmente por acrescentar à atividade características como precisão e agilidade, além de garantir melhoras de eficiência. Este trabalho tem por objetivo demonstrar um conjunto de técnicas utilizadas para a coordenação de uma equipe de agente robóticos heterogêneos, tendo como missão o transporte de objetos utilizando suas capacidades físicas e computacionais. O problema é tratado em três etapas: (i) planejamento de caminhos para os objetos, (ii) planejamento e alocação de tarefas entre os agentes, (iii) coordenação e execução. Foram executados experimentos quantitativos, demonstrando a efetividade do método, além de testes simulados e reais, que ilustram a manipulação dos objetos. Desta maneira, é demonstrado uma metodologia capaz de executar de forma completa a missão de transporte, aprimorando-a através do uso de agentes inteligentes. The application of autonomous systems can be observed in various scenarios, such as surveillance, search and rescue, tracking and mapping, apart from these, transportation and manipulation of objects is a kind of mission that has gained attention from researchers and large companies, mainly by adding to the activity features like precision, speed and control, in addition to ensuring overall efficiency improvements to the system. This work demonstrated a set of techniques used to coordinate a team of heterogeneous robotic agents, whose mission is to transport objects using their physical and computational skills. The process of transport and manipulate is handled in three stages: (i) object path planning, in which a plan is created based on metrics of energy use and cost of time; (ii) planning and task allocation between the available agents for transportation, making the distribution of tasks in order to minimize the total utility of the system; (iii) coordination and execution, in which agents perform transport synchronously. Were performed quantitative experiments, demonstrating the effectiveness of the method valued in several different scenarios, as well as simulated and real tests, illustrating the manipulation of objects by robotic agents themselves. Thus, it is shown a methodology capable of performing a full transport mission, improving it through the use of intelligent agents.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores (área de especialização em Microtecnologias e Automação, Controlo e Robótica), The aim of this work is to develop a person following system that also allows safe navigation for a service robot designed to unknown environments. The person following system provides the detection of people based on Laser Range Finder data. The detection process of the target person begins with the implementation of a segmentation technique. The segments obtained are classified based on their geometric characteristics. Each segment is represented by a characteristic point which defines its position in the real world. The tracking of the target person is done using heuristics based on a region of interest. A following algorithm in which the robot preserves socially acceptable distances while navigating safely was implemented. At the end, the proposed person following system is verified through simulations in various conditions and proved to be robust in following people, even in case of momentary occlusions., O objetivo desta dissertação é desenvolver um sistema de seguimento de pessoas e navegação segura para um robô de serviço destinado a ambientes desconhecidos. Desenvolveuse um sistema de seguimento que permite a deteção de pessoas a partir das leituras de um Laser Range Finder. O processo de deteção da pessoa alvo baseia-se numa técnica de segmentação. Os segmentos obtidos são classificados com base nas suas características geométricas. Cada segmento é representado por um ponto característico que define a sua posição no mundo real. O seguimento-estático da pessoa alvo é feito recorrendo a heurísticas, baseadas numa região de interesse de procura. Foi implementado um algoritmo de seguimento onde o robô preserva distâncias de seguimento socialmente aceitáveis enquanto navega de forma segura. No final, o sistema de seguimento proposto foi verificado através de simulações em diversas condições e mostrou-se robusto no seguimento de pessoas, mesmo no caso de oclusões momentâneas.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra In recent years, with the emergence of new digital platform as tablets and smartphones, the graphical interface has become increasingly sophisticated and easy to use. The various approach that may have to develop an interface, this thesis was chosen WEB technology, it is cross-platform and allows the communication between fairly wide systems. In this thesis the implementation of an interface is designed to manage a database and control an autonomous robot guide and courier, using a vision-based autonomous navigation using SDM, implemented on GPU, which saves the captured images to along a route taught to the robot by a human operator. The robot is able to navigate autonomously in a real environment and stray away from obstacles if they exist. Management database is possible to manage users, tasks and missions performed by the robot. It is also an objective of this thesis project and develop a structure that assigns a more physical and near a cicerone to the robot aspect, as well as the introduction of a tablet, fixed to the robot body, to send command instructions. Easily sends these instructions to the robot by developing a system of communication via socket, allowing you to send and receive checks through a wi-fi connection, so the robot can be controlled directly from your tablet or distant future. All these characteristics allow implement various tasks, be they guide or messenger, the robot in an easy and appealing way for ordinary users. The set of all these applications and developed and tested in inluding DEEC, tasks allows the robot to autonomously guide and scroll pathways that delivers messages or objects inside buildings.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

Com o avanço no desenvolvimento e utilização de veículos autônomos, faz-se necessário a investigação de técnicas capazes de gerar soluções eficientes para os diversos desafios relacionados à utilização desses veículos. Dentre eles, a utilização de veículos com restrições de movimentos (não-holonômicos), a visita a posições não específicas (regiões), regiões de interesse determinadas dinamicamente ao longo do tempo e a utilização de múltiplos veículos. Este trabalho aborda o problema do planejamento de caminhos eficientes para um grupo de veículos com restrições de movimentos cujo objetivo é visitar regiõesde interesse determinadas dinamicamente no ambiente. Neste trabalho, assume-se que os veículos são homogêneos e se deslocam com velocidade constante. Dessa forma, o objetivo final consiste em minimizar o tempo total para se visitar todas as regiões. A primeira parte da tese aborda o problema considerando o caso onde apenas um veículo é utilizado. Com base em determinadas características observadas nos melhores caminhos obtidos a partir de um algoritmo evolutivo proposto, é apresentada uma heurística determinística. Ao final, é discutida a estratégia online utilizada para tratar a inserção dinâmica de novas regiões ao caminho. Em seguida, é apresentada a metodologia proposta para o caso com múltiplos veículos. Para o caso estático, são apresentados dois métodos, o primeiro consiste na utilização de duas técnicas já existentes na literatura, e o segundo é baseado em um algoritmo memético. Finalmente, todos os métodos discutidos são agregados a um algoritmo de leilão descentralizado With the advance in the development and use of autonomous vehicles, it is necessary the development of techniques capable of generating efficient solutions to the many challenges related to the use of such vehicles. Among them, we can mention the use of vehicles with constrained motion (nonholonomic), visit to non-specific positions (regions), regions of interest determined dynamically over time and theuse of multiple vehicles. This work addresses the problem of efficient planning paths for a group of vehicles with movement restrictions, whose goal is to visit certain regions of interest dynamically determined in the environment. It is assumed that all vehicles are homogeneous and move with constant velocity. Therefore, the ultimate goal is to minimize the total time necessary to visit all regions. The first part addresses the problem by considering the case where only one vehicle is used. Based on certain characteristics observed in the best paths obtained from a proposed evolutionary algorithm, a deterministic heuristic is presented. Finally,we discuss the online strategy used to treat dynamic insertion of new regions to the path. Then, the proposed methodology is presented for the case with multiple vehicles. For the static case two methods are shown, the first one comprised the use of two existing techniques from the literature, and the second one is based on a memetic algorithm. Finally, all methods discussed are aggregated to a decentralized auction algorithm

Neste trabalho, um dos problema a resolver é a localização de um robô móvel num espaço desconhecido e estruturado. Este problema pode ser resolvido por um sistema que realize a Odometria Visual. A Odometria Visual é uma área da visão por computador que pode ser aplicada à robótica móvel, e tem como principal objectivo estimar a pose de um agente (por exemplo um robô móvel) através do uso de câmaras. Além disso, surge como uma alternativa à odometria usual (por encoders) e não depende das características das rodas e irregularidades do piso. Nesta dissertação é apresentado um algoritmo de Odometria Visual e efetuada uma avaliação do seu desempenho. O algoritmo em questão denomina-se RGB-D SLAM, está implementado no sistema ROS e requer o uso de câmaras RGB-D. Uma plataforma experimental constituída por um robô móvel e um sensor Kinect é utilizada para executar diferentes percursos experimentais em ambientes interiores, com a finalidade de avaliar o desempenho do algoritmo. O algoritmo é avaliado de acordo com o erro da trajectória, obtido entre a trajectória realmente percorrida pela plataforma (ground truth) e a trajectória estimada. Para analisar este erro mais detalhadamente foram criadas métricas de avaliação de erro em Matlab. As conclusões do trabalho são retiradas com base nos resultados dos percursos, desta forma é possível saber quais os percursos onde o algoritmo apresenta o melhor desempenho. Além disto, são descritos os componentes da plataforma e também todo o processo da Odometria Visual. In this work, one of the problems to solve is the localization of the mobile robot in an unknown and structured space. This problem can be solve by a system with realizes the Visual Odometry. The Visual Odometry is an area of computer vision which can be applied to mobile robotics, and it has got as main objective to estimate the pose of an agent (for example a mobile robot) through the use of cameras. Besides that, it emerges as an alternative to conventional odometry (by encoders) and that doesn’t depend from the characteristics of the wheels and irregularities of the floor. In this thesis it is presents an alghorithm of Visual Odometry. At the same time it is realized an evaluation of its performance. The alghorithm, in evidence, is called RGB-D SLAM. This alghoritm is implemented in ROS and requires the use of RGB-D cameras. An experimental platform consists of a mobile robot and a Kinect sensor which is used to perform different experimental paths in indoor environments, with the purpose of evaluating the performance of the algorithm. The algorithm is evaluated according to the error of trajectory, obtained between the trajectory actually traveled by the platform (ground truth) and the estimated trajectory. To analyze this error with more details, were created error metrics for evaluation in Matlab. The conclusions of this work are reported based on the results of paths, so it is possible to know which paths the algorithm presents the best performance. Moreover, are described the platform components and also all the process of Visual Odometry

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações Esta dissertação aborda o tema da navegação cooperativa em robótica móvel. Dentro deste vasto assunto, dá-se especial ênfase à comunicação entre os vários veículos robóticos e entre estes e o nó de processamento central (PC) onde é executado o algoritmo de navegação cooperativa. São apresentadas soluções alternativas em termos de protocolo de comunicações, tendo em vista os objectivos do presente trabalho. O projecto envolveu o desenvolvimento de um veículo robótico autónomo munido de sensores de distância (infravermelhos e ultra-sons), bússola digital, sensores de odometria (encoders) e actuadores (motores DC e servomotor), todos eles ligados a um microcontrolador Arduino. É adoptado o protocolo ZigBee para a comunicação entre todos os nós do sistema cooperativo, incluindo o nó de processamento central. A construção e teste do veículo é descrita e documentada em detalhe (incluindo registos fotográficos). Exploram-se os tópicos da percepção, localização e actuação em robots móveis, e propõem-se soluções para controlo de motores e seguimento de trajectórias. O trabalho envolve o estudo de diversos sensores e motores, bem como arquitecturas para a programação de robots, nomeadamente a arquitectura baseada em comportamentos hierarquizados em níveis de prioridade. Neste contexto, são apresentados e descritos detalhadamente os comportamentos implementados. Foram realizados testes parcelares, nomeadamente de caracterização e calibração dos sensores, configuração e desempenho das comunicações e afinação do controlo das rodas motrizes, seguidos de teste de funcionamento global. Para este efeito, definiu-se uma tarefa de aquisição de dados sensoriais ao longo de um percurso com etapas previamente definidas. Esses dados são transmitidos ao PC e utilizados por um algoritmo de localização 2D baseado num filtro de partículas. Os resultados deste teste são analisados em detalhe. São discutidos possíveis caminhos de evolução em trabalho futuro. This dissertation addresses the topic of cooperative navigation in mobile robotics. Within this vast subject, particular emphasis is placed on the communication among the various robotic vehicles and between these and the central processing node (PC) executing the cooperative navigation algorithm. Alternative communication protocols are presented in the context of the envisaged implementation. An autonomous robotic vehicle was developed in the course of the project, equipped with range sensors (infra-red and ultra-sonic), a digital compass, odometers (encoders) and actuators (DC and servo motors), all connected to an Arduino micro-controller. The ZigBee protocol is adopted for communication among all the nodes in the cooperative system, including the central processing node. The construction and testing of this vehicle is described and documented in detail (including photos). The work explores the topics of perception, localisation and actuation in mobile robots and proposes solutions for motor control and path following. Various sensors and actuators are studied, as well as robot programming architectures, especially behaviour-based programming using hierarchical priority levels. The behaviours actually implemented on the robotic vehicle are presented and described in detail. Following partial tests for sensor characterisation and calibration, configuration and performance assessment of the communication links and wheel motor drive adjustment, a global operation test was carried out. For this purpose, a sensor data acquisition task was defined over a pre-defined path comprising several different stages. The data are transmitted to the PC to feed a 2D localization algorithm based on a particle filter. The test results are analysed in detail. Possible future work threads are discussed.

Made available in DSpace on 2015-04-27T11:55:55Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013Bitstream added on 2015-04-27T12:08:21Z : No. of bitstreams: 1 ISSN2238-1295-2013-02-01-27-38.pdf: 939395 bytes, checksum: 720a969ed4fbb830183c0dff5eef7e02 (MD5) A utilização de robôs móveis na agricultura mostra-se importante em tarefas de cultivo e na aplicação de agrotóxicos em quantidades mínimas para reduzir a poluição do meio ambiente. Neste artigo apresentamos o desenvolvimento de um sistema para controlar a navegação de um robô móvel autônomo por caminhos em plantações. O controle da direção do robô é realizado com base em imagens das trilhas as quais, após um processamento prévio, para extração de características, são submetidas a uma máquina de vetores de suporte para a definição da rota a ser seguida. O objetivo do projeto no qual este trabalho se insere é o controle do robô em tempo real, para tanto, o sistema será embarcado em hardware. Neste trabalho, relata-se a implementação de uma máquina de vetores de suporte a qual apresentou uma precisão em torno de 93% da rota adequada The use of mobile robots in the agriculture turns out to be interesting in tasks of cultivation and application of pesticides in minute quantities to reduce environmental pollution. In this paper we present the development of a system to control an autonomous mobile robot navigation through tracks in plantations. Track images are used to control robot direction by preprocessing them to extract image features, and then submitting such characteristic features to a support vector machine to find out the most appropriate route. As the overall goal of the project to which this work is connected is the robot control in real time, the system will be embedded onto a hardware platform. However, in this paper we report the software implementation of a support vector machine, which so far presented around 93% accuracy in predicting the appropriate route. Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Departamento de Ciência da Computação e Estatística, Instituto de Biociências Letras e Ciências Exatas de São José do Rio Preto, Sao Jose do Rio Preto, Rua Cristóvão Colombo, 2265, Jd. Nazareth, CEP 15054-000, SP, Brasil Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Departamento de Ciência da Computação e Estatística, Instituto de Biociências Letras e Ciências Exatas de São José do Rio Preto, Sao Jose do Rio Preto, Rua Cristóvão Colombo, 2265, Jd. Nazareth, CEP 15054-000, SP, Brasil

In this paper we describe a robot that has been developed to participate in the Portuguese Robotics National Contest - ROBÓTICA 2003 – Festival Nacional de Robótica, with a particular emphasis on the vision system. This work stands out as the current top evolutionary phase of a continuous effort in the area of mobile robotics that has been carried out by the DET since 1996, with the permanent involvement of both teachers and under-graduated students.This robot is built on top of a distributed architecture, basedon a CAN network, and uses a Vision System with three WebCams. The core of the robot global control is a Laptop PC running the Linux operating system. The distributed solution grants the overall control Laptop full access to the robot sensorial information and actuators nodes., Neste artigo é apresentada uma breve descriçãode um robot desenvolvido para participar no ROBÓTICA2003 – Festival Nacional de Robótica (Portugal), sendo dadauma ênfase particular ao sistema de visão. Este trabalho culmina, em 2003, um processo dedesenvolvimento evolutivo na área da robótica móvel, no qual o DET tem, desde 1996, investido um esforçosignificativo com o envolvimento permanente de docentes ede alunos não graduados. O robot descrito é baseado numaarquitectura distribuída, assente num barramento CAN(Controller Area Network), e utiliza um sistema de visãoapoiado em três WebCam’s. O controlo global está centradonum computador portátil a correr o sistema operativoLinux, o qual tem acesso, na mesma filosofia distribuída, atoda a informação sensorial e de actuação do robot.

Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Área de Especialização de Automação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Submitted by Manuel Brandão (msa@eu.ipp.pt) on 2014-01-08T11:30:32Z No. of bitstreams: 1 DM_Rui Serra_2012_MEEC.pdf: 5658188 bytes, checksum: 5cd3eafa0a418a7735bfceaf4c7e3043 (MD5) Made available in DSpace on 2014-01-08T11:30:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DM_Rui Serra_2012_MEEC.pdf: 5658188 bytes, checksum: 5cd3eafa0a418a7735bfceaf4c7e3043 (MD5) Previous issue date: 2012

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

Submitted by Manuel Brandão (mbrandao@estsp.ipp.pt) on 2014-06-05T14:07:45Z No. of bitstreams: 1 DM_NunoNunes_2012_MEEC.pdf: 28413098 bytes, checksum: e80774f21fbf3b04c4b43b2b67c87581 (MD5) Made available in DSpace on 2014-06-05T14:07:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DM_NunoNunes_2012_MEEC.pdf: 28413098 bytes, checksum: e80774f21fbf3b04c4b43b2b67c87581 (MD5) Previous issue date: 2012

Dissertação submetida à Universidade do Minho para obtenção de grau de Mestre em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores, Desde 1997 que a equipa de futebol robótico do Laboratório de Automação e Robótica do Departamento de Electrónica Industrial da Universidade do Minho participa na Middle Size League [1]. Com o crescente nível de exigência desta liga, surge a necessidade de construir uma nova geração de robôs. Este trabalho consiste na especificação e desenvolvimento dos seguintes módulos de software: visão, controlo de movimento, e camada de decisão. O objectivo do módulo de visão é fornecer informação sobre o ambiente envolvente de cada robô, como por exemplo a posição de obstáculos e da bola. O módulo de controlo de movimento tem como objectivo determinar quais os comandos a enviar para os actuadores de forma a realizar uma tarefa de jogo, como por exemplo ir atrás da bola ou desviar-se de obstáculos. Por fim, no módulo da camada de decisão pretende-se seleccionar quais as acções que um robô deve realizar em função da informação conhecida. A extracção de informação do ambiente através do módulo de visão é baseada maioritariamente na cor dos objectos. O controlo do movimento baseia-se numa arquitectura híbrida de comportamentos, em que cada um destes especifica uma acção a realizar no ambiente. O conceito de papel é utilizado no módulo da camada de decisão, e serve para especificar, para uma dada situação, quais os comportamentos a utilizar., The Laboratory Automation and Robotics robotic soccer team participates actively on the Middle Size League [1] since 1997. This team belongs to the Department of Industrial Electronics from the University of Minho. With the growing level of demand in this league, there was the need to build a new generation of robots This work describes the solutions and developments of the following software modules: vision, movement control and decision layer. The aim of the vision module consists of providing information of each robot surrounding environment, like the obstacles and ball position. The motion control module is responsible for determining the commands to send to the actuators to accomplish a certain game task, like going after the ball or avoiding obstacles. Finally, the decision layer module is intended to select the actions the robot must perform based on known surrounding information. The environment information gathering is carried out using a vision module based largely on the objects colours. The motion control is based on a behaviours hybrid architecture, where each behaviour specifies the action to perform on the environment. The role concept is used on the decision layer module, and is used to specify which behaviours to use for a given situation.

Submitted by Diogo Barreiros (diogo.barreiros@ufba.br) on 2017-02-09T18:12:58Z No. of bitstreams: 1 Protótipo de um Robô Móvel de Baixo Custo para uso Interdisciplinar em cursos superiores de Engen_0.pdf: 14279186 bytes, checksum: d37d30b93b1e424aa3133d4a879fa2bf (MD5) Approved for entry into archive by Vanessa Reis (vanessa.jamile@ufba.br) on 2017-02-10T12:28:13Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Protótipo de um Robô Móvel de Baixo Custo para uso Interdisciplinar em cursos superiores de Engen_0.pdf: 14279186 bytes, checksum: d37d30b93b1e424aa3133d4a879fa2bf (MD5) Made available in DSpace on 2017-02-10T12:28:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Protótipo de um Robô Móvel de Baixo Custo para uso Interdisciplinar em cursos superiores de Engen_0.pdf: 14279186 bytes, checksum: d37d30b93b1e424aa3133d4a879fa2bf (MD5) Atualmente é crescente o uso de novas tecnologias para auxiliar o processo de ensino e aprendizagem em diversas partes do mundo. Neste contexto, a Robótica Educacional tem mostrado notáveis progressos em diversos contextos educacionais. Apesar da utilidade e da versatilidade dessa ferramenta educacional, ela ainda não é utilizada em larga escala em nosso país. O presente trabalho descreve o projeto e a implementação de um kit de robótica educacional de baixo custo voltado às Universidades brasileiras, em especial, aos cursos de engenharia e computação. Para alcançar tais objetivos, foram realizados estudos comparativos entre diferentes kits robóticos comercializados no mercado no intuito de mensurar os custos associados e avaliar os recursos de hardware e software necessários ao desenvolvimento do projeto para uso efetivo em sala de aula. A análise desses requisitos norteou a concepção e o desenvolvimento do kit de robótica educacional denominado Tesla. Este trabalho fornece uma descrição completa de todos os componentes de hardware e software e um manual passo a passo acerca da construção e programação do robô Tesla

A navegação segura é uma tarefa fundamental para os veículos autônomos, os quais necessitam de uma interação completa com o meio em que estão inseridos. Saber se localizar no mundo, planejar seu movimento, perceber o ambiente e desviar de possíveis obstáculos, são apenas algumas das etapas que devem ser realizadas pelo veículo. Este trabalho aborda o problema de navegação segura de um carro autônomo. Para tanto, é utilizado um planejamento de movimento por meio de campos vetoriais de velocidade aliado ao Método da Janela Dinâmica para o desvio de obstáculos não modelados. Basicamente, o campo vetorial é associado a um controlador cujas saídas são validadas pelo Método da Janela Dinâmica e aplicadas como entradas de controle do carro. Para auxiliar na navegação, técnicas de localização por fusão sensorial e percepção do ambiente por uma grade ocupação local foram incorporadas à solução. A validação da metodologia apresentada foi realizada em um ambiente de simulação, onde sensores a laser e visuais foram avaliados, e posteriormente implementada no CADU (Carro autônomo desenvolvido na Universidade Federal de Minas Gerias) que utiliza visão estéreo para a percepção dos obstáculos. Os resultados, para ambos os casos, controlaram o veículo em um ambiente não estruturado. Neles, o veículo foi capaz de se guiar pelo campo vetorial e desviar de obstáculos em seu caminho. Espera-se que a incorporação de mais sensores e um sistema localização mais preciso permita que o carro navegue por ambientes mais complexos utilizando a metodologia proposta neste trabalho. Safe navigation is fundamental for autonomous vehicles. That requires a complete interaction with its surroundings. Self localization, motion planning, environment perception and obstacle avoidance, are important steps that must be realized by the vehicle. This work presents a safe navigation approach for a car-like robot. It uses a path planning algorithm based on Velocity Vector Fields combined together with a Dynamic Window Approach for unmodeled obstacle avoidance. Basically, the vector field is associated to a controller whose outputs are validated by the Dynamic Window Approach and applied as control inputs for the car. To assist the navigation, some known technics have been incorporated to the final solution, such as a sensor fusion system for localization and a local occupancy grid for environment perception. The methodology of this work was validated in a simulation system, where lasers and visual sensors were evaluated, and posteriorly applied to CADU (a car-like robot developed in the Federal University of Minas Gerais) that uses a stereo vision camera for obstacles detection. The results, for both cases, controlled the vehicle in an unstructured environment. The vehicle was able to track the vector field and avoid obstacles in its way. It is expected that more sensors and a better localization system would allow the car to navigate around more complex places using the methodology presented in this work.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010