Modeling and Simulation in Engineering

This book provides an open platform to establish and share knowledge developed by scholars, scientists, and engineers from all over the world, about various applications of the modeling and simulation in the design process of products, in various engineering fields. The book consists of 12 chapters arranged in two sections (3D Modeling and Virtual Prototyping), reflecting the multidimensionality of applications related to modeling and simulation. Some of the most recent modeling and simulation techniques, as well as some of the most accurate and sophisticated software in treating complex systems, are applied. All the original contributions in this book are jointed by the basic principle of a successful modeling and simulation process: as complex as necessary, and as simple as possible. The idea is to manipulate the simplifying assumptions in a way that reduces the complexity of the model (in order to make a real-time simulation), but without altering the precision of the results

Combining Perception and Knowledge for Service Robotics

As the deployment of robots is shifting away from the industrial settings towards public and private sectors, the robots will have to get equipped with enough knowl- edge that will let them perceive, comprehend and act skillfully in their new work- ing environments. Unlike having a large degree of controlled environment variables characteristic for e.g. assembly lines, the robots active in shopping stores, museums or households will have to perform open-ended tasks and thus react to unforeseen events, self-monitor their activities, detect failures, recover from them and also learn and continuously update their knowledge. In this thesis we present a set of tools and algorithms for acquisition, interpreta- tion and reasoning about the environment models which enable the robots to act flexibly and skillfully in the afore mentioned environments. In particular our contri- butions beyond the state-of-the-art cover following four topics: a) semantic object maps which are the symbolic representations of indoor environments that robot can query for information, b) two algorithms for interactive segmentation of objects of daily use which enable the robots to recognise and grasp objects more robustly, c) an image point feature-based system for large scale object recognition, and finally, d) a system that combines statistical and logical knowledge for household domains and is able to answer queries such as Which objects are currently missing on a breakfast table? . Common to all contributions is that they are all knowledge-enabled in that they either use robot knowledge bases or ground knowledge structures into the robot s internal structures such as perception streams. Further, in all four cases we exploit the tight interplay between the robot s perceptual, reasoning and action skills which we believe is the key enabler for robots to act in unstructured environments. Most of the theoretical contributions of this thesis have also been implemented on TUM-James and TUM-Rosie robots and demonstrated to the spectators by having them perform various household chores. With those demonstrations we thoroughly validated the properties of the developed systems and showed the impossibility of having such tasks implemented without a knowledge-enabled backbone

Visual attention and swarm cognition for off-road robots

Tese de doutoramento, Informática (Engenharia Informática), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011Esta tese aborda o problema da modelação de atenção visual no contexto de robôs autónomos todo-o-terreno. O objectivo de utilizar mecanismos de atenção visual é o de focar a percepção nos aspectos do ambiente mais relevantes à tarefa do robô. Esta tese mostra que, na detecção de obstáculos e de trilhos, esta capacidade promove robustez e parcimónia computacional. Estas são características chave para a rapidez e eficiência dos robôs todo-o-terreno. Um dos maiores desafios na modelação de atenção visual advém da necessidade de gerir o compromisso velocidade-precisão na presença de variações de contexto ou de tarefa. Esta tese mostra que este compromisso é resolvido se o processo de atenção visual for modelado como um processo auto-organizado, cuja operação é modulada pelo módulo de selecção de acção, responsável pelo controlo do robô. Ao fechar a malha entre o processo de selecção de acção e o de percepção, o último é capaz de operar apenas onde é necessário, antecipando as acções do robô. Para fornecer atenção visual com propriedades auto-organizadas, este trabalho obtém inspiração da Natureza. Concretamente, os mecanismos responsáveis pela capacidade que as formigas guerreiras têm de procurar alimento de forma auto-organizada, são usados como metáfora na resolução da tarefa de procurar, também de forma auto-organizada, obstáculos e trilhos no campo visual do robô. A solução proposta nesta tese é a de colocar vários focos de atenção encoberta a operar como um enxame, através de interacções baseadas em feromona. Este trabalho representa a primeira realização corporizada de cognição de enxame. Este é um novo campo de investigação que procura descobrir os princípios básicos da cognição, inspeccionando as propriedades auto-organizadas da inteligência colectiva exibida pelos insectos sociais. Logo, esta tese contribui para a robótica como disciplina de engenharia e para a robótica como disciplina de modelação, capaz de suportar o estudo do comportamento adaptável.Esta tese aborda o problema da modelação de atenção visual no contexto de robôs autónomos todo-o-terreno. O objectivo de utilizar mecanismos de atenção visual é o de focar a percepção nos aspectos do ambiente mais relevantes à tarefa do robô. Esta tese mostra que, na detecção de obstáculos e de trilhos, esta capacidade promove robustez e parcimónia computacional. Estas são características chave para a rapidez e eficiência dos robôs todo-o-terreno. Um dos maiores desafios na modelação de atenção visual advém da necessidade de gerir o compromisso velocidade-precisão na presença de variações de contexto ou de tarefa. Esta tese mostra que este compromisso é resolvido se o processo de atenção visual for modelado como um processo auto-organizado, cuja operação é modulada pelo módulo de selecção de acção, responsável pelo controlo do robô. Ao fechar a malha entre o processo de selecção de acção e o de percepção, o último é capaz de operar apenas onde é necessário, antecipando as acções do robô. Para fornecer atenção visual com propriedades auto-organizadas, este trabalho obtém inspi- ração da Natureza. Concretamente, os mecanismos responsáveis pela capacidade que as formi- gas guerreiras têm de procurar alimento de forma auto-organizada, são usados como metáfora na resolução da tarefa de procurar, também de forma auto-organizada, obstáculos e trilhos no campo visual do robô. A solução proposta nesta tese é a de colocar vários focos de atenção encoberta a operar como um enxame, através de interacções baseadas em feromona. Este trabalho representa a primeira realização corporizada de cognição de enxame. Este é um novo campo de investigação que procura descobrir os princípios básicos da cognição, ins- peccionando as propriedades auto-organizadas da inteligência colectiva exibida pelos insectos sociais. Logo, esta tese contribui para a robótica como disciplina de engenharia e para a robótica como disciplina de modelação, capaz de suportar o estudo do comportamento adaptável.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT,SFRH/BD/27305/2006); Laboratory of Agent Modelling (LabMag

Vision-Based navigation system for unmanned aerial vehicles

Mención Internacional en el título de doctorThe main objective of this dissertation is to provide Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with a robust navigation system; in order to allow the UAVs to perform complex tasks autonomously and in real-time. The proposed algorithms deal with solving the navigation problem for outdoor as well as indoor environments, mainly based on visual information that is captured by monocular cameras. In addition, this dissertation presents the advantages of using the visual sensors as the main source of data, or complementing other sensors in providing useful information; in order to improve the accuracy and the robustness of the sensing purposes. The dissertation mainly covers several research topics based on computer vision techniques: (I) Pose Estimation, to provide a solution for estimating the 6D pose of the UAV. This algorithm is based on the combination of SIFT detector and FREAK descriptor; which maintains the performance of the feature points matching and decreases the computational time. Thereafter, the pose estimation problem is solved based on the decomposition of the world-to-frame and frame-to-frame homographies. (II) Obstacle Detection and Collision Avoidance, in which, the UAV is able to sense and detect the frontal obstacles that are situated in its path. The detection algorithm mimics the human behaviors for detecting the approaching obstacles; by analyzing the size changes of the detected feature points, combined with the expansion ratios of the convex hull constructed around the detected feature points from consecutive frames. Then, by comparing the area ratio of the obstacle and the position of the UAV, the method decides if the detected obstacle may cause a collision. Finally, the algorithm extracts the collision-free zones around the obstacle, and combining with the tracked waypoints, the UAV performs the avoidance maneuver. (III) Navigation Guidance, which generates the waypoints to determine the flight path based on environment and the situated obstacles. Then provide a strategy to follow the path segments and in an efficient way and perform the flight maneuver smoothly. (IV) Visual Servoing, to offer different control solutions (Fuzzy Logic Control (FLC) and PID), based on the obtained visual information; in order to achieve the flight stability as well as to perform the correct maneuver; to avoid the possible collisions and track the waypoints. All the proposed algorithms have been verified with real flights in both indoor and outdoor environments, taking into consideration the visual conditions; such as illumination and textures. The obtained results have been validated against other systems; such as VICON motion capture system, DGPS in the case of pose estimate algorithm. In addition, the proposed algorithms have been compared with several previous works in the state of the art, and are results proves the improvement in the accuracy and the robustness of the proposed algorithms. Finally, this dissertation concludes that the visual sensors have the advantages of lightweight and low consumption and provide reliable information, which is considered as a powerful tool in the navigation systems to increase the autonomy of the UAVs for real-world applications.El objetivo principal de esta tesis es proporcionar Vehiculos Aereos no Tripulados (UAVs) con un sistema de navegacion robusto, para permitir a los UAVs realizar tareas complejas de forma autonoma y en tiempo real. Los algoritmos propuestos tratan de resolver problemas de la navegacion tanto en ambientes interiores como al aire libre basandose principalmente en la informacion visual captada por las camaras monoculares. Ademas, esta tesis doctoral presenta la ventaja de usar sensores visuales bien como fuente principal de datos o complementando a otros sensores en el suministro de informacion util, con el fin de mejorar la precision y la robustez de los procesos de deteccion. La tesis cubre, principalmente, varios temas de investigacion basados en tecnicas de vision por computador: (I) Estimacion de la Posicion y la Orientacion (Pose), para proporcionar una solucion a la estimacion de la posicion y orientacion en 6D del UAV. Este algoritmo se basa en la combinacion del detector SIFT y el descriptor FREAK, que mantiene el desempeno del a funcion de puntos de coincidencia y disminuye el tiempo computacional. De esta manera, se soluciona el problema de la estimacion de la posicion basandose en la descomposicion de las homografias mundo a imagen e imagen a imagen. (II) Deteccion obstaculos y elusion colisiones, donde el UAV es capaz de percibir y detectar los obstaculos frontales que se encuentran en su camino. El algoritmo de deteccion imita comportamientos humanos para detectar los obstaculos que se acercan, mediante el analisis de la magnitud del cambio de los puntos caracteristicos detectados de referencia, combinado con los ratios de expansion de los contornos convexos construidos alrededor de los puntos caracteristicos detectados en frames consecutivos. A continuacion, comparando la proporcion del area del obstaculo y la posicion del UAV, el metodo decide si el obstaculo detectado puede provocar una colision. Por ultimo, el algoritmo extrae las zonas libres de colision alrededor del obstaculo y combinandolo con los puntos de referencia, elUAV realiza la maniobra de evasion. (III) Guiado de navegacion, que genera los puntos de referencia para determinar la trayectoria de vuelo basada en el entorno y en los obstaculos detectados que encuentra. Proporciona una estrategia para seguir los segmentos del trazado de una manera eficiente y realizar la maniobra de vuelo con suavidad. (IV) Guiado por Vision, para ofrecer soluciones de control diferentes (Control de Logica Fuzzy (FLC) y PID), basados en la informacion visual obtenida con el fin de lograr la estabilidad de vuelo, asi como realizar la maniobra correcta para evitar posibles colisiones y seguir los puntos de referencia. Todos los algoritmos propuestos han sido verificados con vuelos reales en ambientes exteriores e interiores, tomando en consideracion condiciones visuales como la iluminacion y las texturas. Los resultados obtenidos han sido validados con otros sistemas: como el sistema de captura de movimiento VICON y DGPS en el caso del algoritmo de estimacion de la posicion y orientacion. Ademas, los algoritmos propuestos han sido comparados con trabajos anteriores recogidos en el estado del arte con resultados que demuestran una mejora de la precision y la robustez de los algoritmos propuestos. Esta tesis doctoral concluye que los sensores visuales tienen las ventajes de tener un peso ligero y un bajo consumo y, proporcionar informacion fiable, lo cual lo hace una poderosa herramienta en los sistemas de navegacion para aumentar la autonomia de los UAVs en aplicaciones del mundo real.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Carlo Regazzoni.- Secretario: Fernando García Fernández.- Vocal: Pascual Campoy Cerver

Creating and Recognizing 3D Objects

This thesis aims at investigating on 3D Computer Vision, a research topic which is gathering even increasing attention thanks to the more and more widespread availability of affordable 3D visual sensor, such as, in particular consumer grade RGB-D cameras. The contribution of this dissertation is twofold. First, the work addresses how to compactly represent the content of images acquired with RGB-D cameras. Second, the thesis focuses on 3D Reconstruction, key issue to efficiently populate the databases of 3D models deployed in object/category recognition scenarios. As 3D Registration plays a fundamental role in 3D Reconstruction, the former part of the thesis proposes a pipeline for coarse registration of point clouds that is entirely based on the computation of 3D Local Reference Frames (LRF). Unlike related work in literature, we also propose a comprehensive experimental evaluation based on diverse kinds of data (such as those acquired by laser scanners, RGB-D and stereo cameras) as well as on quantitative comparison with respect to three other methods. Driven by the ever-lower costs and growing distribution of 3D sensing devices, we expect broad-scale integration of depth sensing into mobile devices to be forthcoming. Accordingly, the thesis investigates on merging appearance and shape information for Mobile Visual Search and focuses on encoding RGB-D images in compact binary codes. An extensive experimental analysis on three state-of-the-art datasets, addressing both category and instance recognition scenarios, has led to the development of an RGB-D search engine architecture that can attain high recognition rates with peculiarly moderate bandwidth requirements. Our experiments also include a comparison with the CDVS (Compact Descriptors for Visual Search) pipeline, candidate to become part of the MPEG-7 standard

The Sixth Annual Workshop on Space Operations Applications and Research (SOAR 1992)

This document contains papers presented at the Space Operations, Applications, and Research Symposium (SOAR) hosted by the U.S. Air Force (USAF) on 4-6 Aug. 1992 and held at the JSC Gilruth Recreation Center. The symposium was cosponsored by the Air Force Material Command and by NASA/JSC. Key technical areas covered during the symposium were robotic and telepresence, automation and intelligent systems, human factors, life sciences, and space maintenance and servicing. The SOAR differed from most other conferences in that it was concerned with Government-sponsored research and development relevant to aerospace operations. The symposium's proceedings include papers covering various disciplines presented by experts from NASA, the USAF, universities, and industry

Políticas de Copyright de Publicações Científicas em Repositórios Institucionais: O Caso do INESC TEC

A progressiva transformação das práticas científicas, impulsionada pelo desenvolvimento das novas Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC), têm possibilitado aumentar o acesso à informação, caminhando gradualmente para uma abertura do ciclo de pesquisa. Isto permitirá resolver a longo prazo uma adversidade que se tem colocado aos investigadores, que passa pela existência de barreiras que limitam as condições de acesso, sejam estas geográficas ou financeiras. Apesar da produção científica ser dominada, maioritariamente, por grandes editoras comerciais, estando sujeita às regras por estas impostas, o Movimento do Acesso Aberto cuja primeira declaração pública, a Declaração de Budapeste (BOAI), é de 2002, vem propor alterações significativas que beneficiam os autores e os leitores. Este Movimento vem a ganhar importância em Portugal desde 2003, com a constituição do primeiro repositório institucional a nível nacional. Os repositórios institucionais surgiram como uma ferramenta de divulgação da produção científica de uma instituição, com o intuito de permitir abrir aos resultados da investigação, quer antes da publicação e do próprio processo de arbitragem (preprint), quer depois (postprint), e, consequentemente, aumentar a visibilidade do trabalho desenvolvido por um investigador e a respetiva instituição. O estudo apresentado, que passou por uma análise das políticas de copyright das publicações científicas mais relevantes do INESC TEC, permitiu não só perceber que as editoras adotam cada vez mais políticas que possibilitam o auto-arquivo das publicações em repositórios institucionais, como também que existe todo um trabalho de sensibilização a percorrer, não só para os investigadores, como para a instituição e toda a sociedade. A produção de um conjunto de recomendações, que passam pela implementação de uma política institucional que incentive o auto-arquivo das publicações desenvolvidas no âmbito institucional no repositório, serve como mote para uma maior valorização da produção científica do INESC TEC.The progressive transformation of scientific practices, driven by the development of new Information and Communication Technologies (ICT), which made it possible to increase access to information, gradually moving towards an opening of the research cycle. This opening makes it possible to resolve, in the long term, the adversity that has been placed on researchers, which involves the existence of barriers that limit access conditions, whether geographical or financial. Although large commercial publishers predominantly dominate scientific production and subject it to the rules imposed by them, the Open Access movement whose first public declaration, the Budapest Declaration (BOAI), was in 2002, proposes significant changes that benefit the authors and the readers. This Movement has gained importance in Portugal since 2003, with the constitution of the first institutional repository at the national level. Institutional repositories have emerged as a tool for disseminating the scientific production of an institution to open the results of the research, both before publication and the preprint process and postprint, increase the visibility of work done by an investigator and his or her institution. The present study, which underwent an analysis of the copyright policies of INESC TEC most relevant scientific publications, allowed not only to realize that publishers are increasingly adopting policies that make it possible to self-archive publications in institutional repositories, all the work of raising awareness, not only for researchers but also for the institution and the whole society. The production of a set of recommendations, which go through the implementation of an institutional policy that encourages the self-archiving of the publications developed in the institutional scope in the repository, serves as a motto for a greater appreciation of the scientific production of INESC TEC