3D-in-2D Displays for ATC.

This paper reports on the efforts and accomplishments of the 3D-in-2D Displays for ATC project at the end of Year 1. We describe the invention of 10 novel 3D/2D visualisations that were mostly implemented in the Augmented Reality ARToolkit. These prototype implementations of visualisation and interaction elements can be viewed on the accompanying video. We have identified six candidate design concepts which we will further research and develop. These designs correspond with the early feasibility studies stage of maturity as defined by the NASA Technology Readiness Level framework. We developed the Combination Display Framework from a review of the literature, and used it for analysing display designs in terms of display technique used and how they are combined. The insights we gained from this framework then guided our inventions and the human-centered innovation process we use to iteratively invent. Our designs are based on an understanding of user work practices. We also developed a simple ATC simulator that we used for rapid experimentation and evaluation of design ideas. We expect that if this project continues, the effort in Year 2 and 3 will be focus on maturing the concepts and employment in a operational laboratory settings

Aprendizagem de coordenação em sistemas multi-agente

The ability for an agent to coordinate with others within a system is a valuable property in multi-agent systems. Agents either cooperate as a team to accomplish a common goal, or adapt to opponents to complete different goals without being exploited. Research has shown that learning multi-agent coordination is significantly more complex than learning policies in singleagent environments, and requires a variety of techniques to deal with the properties of a system where agents learn concurrently. This thesis aims to determine how can machine learning be used to achieve coordination within a multi-agent system. It asks what techniques can be used to tackle the increased complexity of such systems and their credit assignment challenges, how to achieve coordination, and how to use communication to improve the behavior of a team. Many algorithms for competitive environments are tabular-based, preventing their use with high-dimension or continuous state-spaces, and may be biased against specific equilibrium strategies. This thesis proposes multiple deep learning extensions for competitive environments, allowing algorithms to reach equilibrium strategies in complex and partially-observable environments, relying only on local information. A tabular algorithm is also extended with a new update rule that eliminates its bias against deterministic strategies. Current state-of-the-art approaches for cooperative environments rely on deep learning to handle the environment’s complexity and benefit from a centralized learning phase. Solutions that incorporate communication between agents often prevent agents from being executed in a distributed manner. This thesis proposes a multi-agent algorithm where agents learn communication protocols to compensate for local partial-observability, and remain independently executed. A centralized learning phase can incorporate additional environment information to increase the robustness and speed with which a team converges to successful policies. The algorithm outperforms current state-of-the-art approaches in a wide variety of multi-agent environments. A permutation invariant network architecture is also proposed to increase the scalability of the algorithm to large team sizes. Further research is needed to identify how can the techniques proposed in this thesis, for cooperative and competitive environments, be used in unison for mixed environments, and whether they are adequate for general artificial intelligence.A capacidade de um agente se coordenar com outros num sistema é uma propriedade valiosa em sistemas multi-agente. Agentes cooperam como uma equipa para cumprir um objetivo comum, ou adaptam-se aos oponentes de forma a completar objetivos egoístas sem serem explorados. Investigação demonstra que aprender coordenação multi-agente é significativamente mais complexo que aprender estratégias em ambientes com um único agente, e requer uma variedade de técnicas para lidar com um ambiente onde agentes aprendem simultaneamente. Esta tese procura determinar como aprendizagem automática pode ser usada para encontrar coordenação em sistemas multi-agente. O documento questiona que técnicas podem ser usadas para enfrentar a superior complexidade destes sistemas e o seu desafio de atribuição de crédito, como aprender coordenação, e como usar comunicação para melhorar o comportamento duma equipa. Múltiplos algoritmos para ambientes competitivos são tabulares, o que impede o seu uso com espaços de estado de alta-dimensão ou contínuos, e podem ter tendências contra estratégias de equilíbrio específicas. Esta tese propõe múltiplas extensões de aprendizagem profunda para ambientes competitivos, permitindo a algoritmos atingir estratégias de equilíbrio em ambientes complexos e parcialmente-observáveis, com base em apenas informação local. Um algoritmo tabular é também extendido com um novo critério de atualização que elimina a sua tendência contra estratégias determinísticas. Atuais soluções de estado-da-arte para ambientes cooperativos têm base em aprendizagem profunda para lidar com a complexidade do ambiente, e beneficiam duma fase de aprendizagem centralizada. Soluções que incorporam comunicação entre agentes frequentemente impedem os próprios de ser executados de forma distribuída. Esta tese propõe um algoritmo multi-agente onde os agentes aprendem protocolos de comunicação para compensarem por observabilidade parcial local, e continuam a ser executados de forma distribuída. Uma fase de aprendizagem centralizada pode incorporar informação adicional sobre ambiente para aumentar a robustez e velocidade com que uma equipa converge para estratégias bem-sucedidas. O algoritmo ultrapassa abordagens estado-da-arte atuais numa grande variedade de ambientes multi-agente. Uma arquitetura de rede invariante a permutações é também proposta para aumentar a escalabilidade do algoritmo para grandes equipas. Mais pesquisa é necessária para identificar como as técnicas propostas nesta tese, para ambientes cooperativos e competitivos, podem ser usadas em conjunto para ambientes mistos, e averiguar se são adequadas a inteligência artificial geral.Apoio financeiro da FCT e do FSE no âmbito do III Quadro Comunitário de ApoioPrograma Doutoral em Informátic

Virtual Reality Games for Motor Rehabilitation

This paper presents a fuzzy logic based method to track user satisfaction without the need for devices to monitor users physiological conditions. User satisfaction is the key to any product’s acceptance; computer applications and video games provide a unique opportunity to provide a tailored environment for each user to better suit their needs. We have implemented a non-adaptive fuzzy logic model of emotion, based on the emotional component of the Fuzzy Logic Adaptive Model of Emotion (FLAME) proposed by El-Nasr, to estimate player emotion in UnrealTournament 2004. In this paper we describe the implementation of this system and present the results of one of several play tests. Our research contradicts the current literature that suggests physiological measurements are needed. We show that it is possible to use a software only method to estimate user emotion

Predictive Techniques for Scene Understanding by using Deep Learning in Autonomous Driving

La conducción autónoma es considerada uno de los más grandes retos tecnológicos de la actualidad. Cuando los coches autónomos conquisten nuestras carreteras, los accidentes se reducirán notablemente, hasta casi desaparecer, ya que la tecnología estará testada y no incumplirá las normas de conducción, entre otros beneficios sociales y económicos. Uno de los aspectos más críticos a la hora de desarrollar un vehículo autónomo es percibir y entender la escena que le rodea. Esta tarea debe ser tan precisa y eficiente como sea posible para posteriormente predecir el futuro de esta misma y ayudar a la toma de decisiones. De esta forma, las acciones tomadas por el vehículo garantizarán tanto la seguridad del vehículo en sí mismo y sus ocupantes, como la de los obstáculos circundantes, tales como viandantes, otros vehículos o infraestructura de la carretera. En ese sentido, esta tesis doctoral se centra en el estudio y desarrollo de distintas técnicas predictivas para el entendimiento de la escena en el contexto de la conducción autónoma. Durante la tesis, se observa una incorporación progresiva de técnicas de aprendizaje profundo en los distintos algoritmos propuestos para mejorar el razonamiento sobre qué está ocurriendo en el escenario de tráfico, así como para modelar las complejas interacciones entre la información social (distintos participantes o agentes del escenario, tales como vehículos, ciclistas o peatones) y física (es decir, la información geométrica, semántica y topológica del mapa de alta definición) presente en la escena. La capa de percepción de un vehículo autónomo se divide modularmente en tres etapas: Detección, Seguimiento (Tracking), y Predicción. Para iniciar el estudio de las etapas de seguimiento y predicción, se propone un algoritmo de Multi-Object Tracking basado en técnicas clásicas de estimación de movimiento y asociación validado en el dataset KITTI, el cual obtiene métricas del estado del arte. Por otra parte, se propone el uso de un filtro inteligente basado en información contextual de mapa, cuyo objetivo es monitorizar los agentes más relevantes de la escena en el tiempo, representando estos agentes filtrados la entrada preliminar para realizar predicciones unimodales basadas en un modelo cinemático. Para validar esta propuesta de filtro inteligente se usa CARLA (CAR Learning to Act), uno de los simuladores hiperrealistas para conducción autónoma más prometedores en la actualidad, comprobando cómo al usar información contextual de mapa se puede reducir notablemente el tiempo de inferencia de un algoritmo de tracking y predicción basados en métodos físicos, prestando atención a los agentes realmente relevantes del escenario de tráfico. Tras observar las limitaciones de un modelo de predicción basado en cinemática para la predicción a largo plazo de un agente, los distintos algoritmos de la tesis se centran en el módulo de predicción, usando los datasets Argoverse 1 y Argoverse 2, donde se asume que los agentes proporcionados en cada escenario de tráfico ya están monitorizados durante un cierto número de observaciones. En primer lugar, se introduce un modelo basado en redes neuronales recurrentes (particularmente redes LSTM, Long-Short Term Memory) y mecanismo de atención para codificar las trayectorias pasadas de los agentes, y una representación simplificada del mapa en forma de posiciones finales potenciales en la carretera para calcular las trayectorias futuras unimodales, todo envuelto en un marco GAN (Generative Adversarial Network), obteniendo métricas similares al estado del arte en el caso unimodal. Una vez validado el modelo anterior en Argoverse 1, se proponen distintos modelos base (sólo social, incorporando mapa, y una mejora final basada en Transformer encoder, redes convolucionales 1D y mecanismo de atención cruzada para la fusión de características) precisos y eficientes basados en el modelo de predicción anterior, introduciendo dos nuevos conceptos. Por un lado, el uso de redes neuronales gráficas (particularmente GCN, Graph Convolutional Network) para codificar de una forma potente las interacciones de los agentes. Por otro lado, se propone el preprocesamiento de trayectorias preliminares a partir de un mapa con un método heurístico. Gracias a estas entradas y una arquitectura más potente de codificación, los modelos base serán capaces de predecir distintas trayectorias futuras multimodales, es decir, cubriendo distintos posibles futuros para el agente de interés. Los modelos base propuestos obtienen métricas de regresión del estado del arte tanto en el caso multimodal como unimodal manteniendo un claro compromiso de eficiencia con respecto a otras propuestas. El modelo final de la tesis, inspirado en los modelos anteriores y validado en el más reciente dataset para algoritmos de predicción en conducción autónoma (Argoverse 2), introduce varias mejoras para entender mejor el escenario de tráfico y decodificar la información de una forma precisa y eficiente. Se propone incorporar información topológica y semántica de los carriles futuros preliminares con el método heurístico antes mencionado, codificación de mapa basada en aprendizaje profundo con redes GCN, ciclo de fusión de características físicas y sociales, estimación de posiciones finales en la carretera y agregación de su entorno circundante con aprendizaje profundo y finalmente módulo de refinado para mejorar la calidad de las predicciones multimodales finales de un modo elegante y eficiente. Comparado con el estado del arte, nuestro método logra métricas de predicción a la par con los métodos mejor posicionados en el Leaderboard de Argoverse 2, reduciendo de forma notable el número de parámetros y operaciones de coma flotante por segundo. Por último, el modelo final de la tesis ha sido validado en simulación en distintas aplicaciones de conducción autónoma. En primer lugar, se integra el modelo para proporcionar predicciones a un algoritmo de toma de decisiones basado en aprendizaje por refuerzo en el simulador SMARTS (Scalable Multi-Agent Reinforcement Learning Training School), observando en los estudios como el vehículo es capaz de tomar mejores decisiones si conoce el comportamiento futuro de la escena y no solo el estado actual o pasado de esta misma. En segundo lugar, se ha realizado un estudio de adaptación de dominio exitoso en el simulador hiperrealista CARLA en distintos escenarios desafiantes donde el entendimiento de la escena y predicción del entorno son muy necesarios, como una autopista o rotonda con gran densidad de tráfico o la aparición de un usuario vulnerable de la carretera de forma repentina. En ese sentido, el modelo de predicción ha sido integrado junto con el resto de capas de la arquitectura de navegación autónoma del grupo de investigación donde se desarrolla la tesis como paso previo a su implementación en un vehículo autónomo real

Proceedings of the ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics 2015

This volume contains the full papers accepted for presentation at the ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics 2015 held in the Barcelona School of Industrial Engineering, Universitat Politècnica de Catalunya, on June 29 - July 2, 2015. The ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics is an international meeting held once every two years in a European country. Continuing the very successful series of past conferences that have been organized in Lisbon (2003), Madrid (2005), Milan (2007), Warsaw (2009), Brussels (2011) and Zagreb (2013); this edition will once again serve as a meeting point for the international researchers, scientists and experts from academia, research laboratories and industry working in the area of multibody dynamics. Applications are related to many fields of contemporary engineering, such as vehicle and railway systems, aeronautical and space vehicles, robotic manipulators, mechatronic and autonomous systems, smart structures, biomechanical systems and nanotechnologies. The topics of the conference include, but are not restricted to: ● Formulations and Numerical Methods ● Efficient Methods and Real-Time Applications ● Flexible Multibody Dynamics ● Contact Dynamics and Constraints ● Multiphysics and Coupled Problems ● Control and Optimization ● Software Development and Computer Technology ● Aerospace and Maritime Applications ● Biomechanics ● Railroad Vehicle Dynamics ● Road Vehicle Dynamics ● Robotics ● Benchmark ProblemsPostprint (published version