Autopilot simulator prototype for autonomous driving based on SimTwo

The main objective of this work was to develop a control system for an autonomous vehicle that provides autonomous driving. For this, a simulation software, named "SimTwo" was used, where the actuation and sensing model was developed. At the end of the work, a control and 3D visualization system was obtained for an autonomous vehicle capable of driving on a road, avoiding obstacles, alerting in case of danger, among others. The work was developed in a simulation environment and includes a 3D model of a road, with several real scenarios, where the vehicle moves. There are objects on the circuit that can obstruct the passage of the car, creating situations of imminent danger. This system alerts the driver in the event of danger and reacts by deflecting or stopping. This control system uses image sensors and LiDAR (Light Detection And Ranging) as inputs data sources.O principal objetivo deste trabalho foi desenvolver um sistema de controlo de um veículo autónomo que o dote de condução autónoma. Para tal, foi utilizado um software de simulação, SimTwo, onde o modelo de atuação e sensorização foi desenvolvido. No final do trabalho, obteve-se um sistema de controlo e visualização 3D de um veículo autónomo capaz de conduzir numa estrada, desviar de obstáculos, alertar no caso de perigo, entre outros. O trabalho foi desenvolvido num ambiente de simulação e contempla um modelo 3D de uma estrada, com vários cenários reais, onde o veículo se desloca. Existem objetos nas bermas que podem obstruir a passagem do carro, criando situações de perigo eminente. Este alerta no caso de perigo e reage, desviando ou parando. Este sistema de controlo utiliza sensores de imagem e LiDAR (da sigla inglesa "Light Detection And Ranging"), como fontes de informação

Generalized software application for operation of a 3D vehicle in air, water and land

The unmanned vehicles (UV) and its applications are growing exponentially. Using the radio control is the most common way to control these types of vehicles for being a simple and cheap method to control an UV. However, it doesn’t have a visual interface that allows the user to see the vehicle’s information such as battery status, speed, distance, geolocation, etc. To deal with this problem, some mobile and desktop applications have been developed. To communicate between the control device and the vehicle, dongles are commonly used to establish the connection using radio, Bluetooth or Wi-Fi. In most cases, these technologies don’t allow the user to control at long distances, Beyond Line Of-Sight (BLOS), and these applications are focused to use mostly on multi-copters, and most of the times, they only allow to connect a vehicle at a time. The purpose of this dissertation is to study the reliability of an application able to control multiple types of vehicles, such as aerial, land and water vehicles. This application allows the user to connect multiple vehicles at the same time using a single device, easily change the vehicle assigned to control, by using mobile networks to perform the communication between the developed application and the vehicle. In this way, it will be possible to connect a 3D – hybrid vehicle, which is a vehicle capable of moving in water, land and air environments, allowing the user to control the vehicle at long distances with video feedback. To achieve the purpose of this dissertation, it was developed an Android application to allow controlling the vehicle by using mobile networks to communicate. In the vehicle, besides the common electronics used in an unmanned vehicle (ESC’s, motors, batteries, controller board, etc.), it will be used a Raspberry Pi 2 model B with a 3rd Generation (3G) and 4th Generation (4G) dongle that will connect the vehicle to the internet, routing the messages coming from the controller board placed in the vehicle to the mobile application. It was also developed a server application to do the user management and exchange the messages coming from both platforms: vehicle and application.Os veículos não tripulados e as suas aplicações estão em forte crescimento. O uso de rádio controlo é a maneira mais comum de controlar estes tipos de veículos, sendo o método mais barato e simples de controlar um veículo não tripulado. Contudo, não têm uma interface visual que permita ao utilizador ver as informações do veículo, tais como o nível da bateria, a velocidade, distância, geolocalização, entre outros. Para ajudar com este problema, têm sido desenvolvidas algumas aplicações para dispositivos móveis e computadores, que permitem controlar e monitorizar este tipo de veículos. Para estabelecer a comunicação entre o dispositivo de controlo e o veículo, são frequentemente usados dongles para comunicar por rádio, Bluetooth ou Wi-Fi. Na maioria dos casos, estas tecnologias não possibilitam ao utilizador o controlo a longas distâncias, para além da linha de vista, e costumam ser focadas para o uso em multicopteros, possibilitando, na maioria dos casos, a ligação de um único veículo. O âmbito desta dissertação pretende estudar e desenvolver uma aplicação com elevada fiabilidade, capaz de controlar vários tipos de veículos, nomeadamente, veículos aéreos, terrestres e aquáticos. Esta aplicação irá permitir a ligação a vários veículos ao mesmo tempo, trocar facilmente o veiculo a controlar, recorrendo aos sistemas de comunicação móveis celulares, 3ª geração (3G ) e 4ª geração (4G) para garantir a comunicação entre a aplicação desenvolvida e o veículo não tripulado. Seguindo estes princípios, é possível controlar um veículo 3D hibrido (em modo de ar, terra e mar). Esta permite ao utilizador controlar o veículo a longas distâncias com o uso de uma transmissão de vídeo. Para alcançar o objetivo desta dissertação foi desenvolvida uma aplicação Android para possibilitar o controlo recorrendo às redes móveis celulares. No veículo, além da eletrónica habitual, para um veículo não tripulado (motores, ESC’s, baterias, etc.), será também utilizado um Raspberry Pi 2 modelo B com um dongle 3G/4G que liga o veículo, redirecionando as mensagens vindas da placa de controlo para a aplicação móvel. Para a comunicação entre a aplicação e o veículo foi também desenvolvida uma aplicação instalada no servidor que é responsável pela gestão de utilizadores e pela troca de mensagens vindas de ambas as plataformas: veículo e aplicação

Design of a Low Consumption Electric Car Prototype

Concerned with environment and sustainability, Shell has organized for the last 30 years a competition of energy efficient road vehicles called Shell Eco-Marathon (SEM). The vehicle is required to achieve a minimum mean cruise speed of 25km/h and a low drag value is an essential parameter to achieve a good result. Over the years SEM teams used a streamlined body similar to an airfoil with a minimized low frontal area, however AERO@UBI team decided to create a new concept vehicle body. This 3D body also derives from a 2D airfoil, but a geometric transformation introduced by Galvão in 1968 in "Nota técnica sobre corpos fuselados", São José dos Campos, for the creation of low drag fuselage is used. According to that author, it is possible to replicate the pressure coefficient distribution of the airfoil in the 3D body. Thus, maintaining the airfoil's low drag characteristics. Through the use of CFD software ANSYS Fluent it was possible to confirm the used concept and examine the vehicle aerodynamic. Although the final result was not optimal, it was possible to confirm the theory introduced by Galvão. [...]Preocupados com o ambiente e a sustentabilidade, a Shell organizou nos últimos 30 anos uma competição de veículos de baixo consumo designada por Shell Eco-Marathon (SEM). O objetivo do veículo é atingir a velocidade média mínima de 25km/h, sendo o valor reduzido de arrasto um parâmetro importante para atingir um bom resultado. Ao longo dos anos as equipas da SEM usaram corpos fuselados parecidos com perfis alares e com uma baixa área frontal, contudo a presente equipa AERO@UBI decidiu criar um novo conceito para o desenho da carroçaria do veículo. Este corpo 3D também deriva de um perfil alar, usando uma transformação geométrica proposta por Galvão em 1968 em "Nota técnica sobre corpos fuselados", São José dos Campos, para a criação de corpos fuselados. De acordo com esse autor, é possível replicar a distribuição do coeficiente de pressão do perfil alar para o corpo 3D. Deste modo, mantêm-se as características de baixo arrasto do perfil alar. Através do uso do software CFD ANSYS Fluent fomos capazes de confirmar o conceito usado e examinar a aerodinâmica do veículo. Apesar do resultado não ter sido o ótimo, foi possível confirmar a teoria introduzida por Galvão. [...

Desempenho a curto e longo prazo de uma via em laje em zona de transição: análise de aterro para túnel

Railway track transition zones are characterised by an abrupt change in track support stiffness, which increases dynamic wheel loads and leads to the acceleration of differential settlement and track degradation. This work aims to study concrete slab track transition zones, with a focus on embankment-to-tunnel sections. The analysis uses a hybrid methodology, combining 3D finite element modelling with empirical settlement equations, in an iterative manner. At each iteration, the track-ground stress fields are calculated using a 3D model, before passing them to a calibrated empirical equation capable of computing settlement across the transition. Then, before starting the next iteration, these settlements are used to modify the 3D model geometry, thus account for the effects of the previous settlement. Regarding the short-term dynamic behaviour, the results demonstrate a concentration of stresses in the concrete slab and HBL. Regarding the long-term behaviour, the results show a maximum cumulative permanent deformation close to 0.52 mm. Moreover, the effectiveness of a resilient mat placed in the transition was tested. The results show a decrease in the stress levels in the transition and the attenuation of the variation of displacements in the concrete slab.As zonas de transição de vias-férreas são caracterizadas por uma mudança abrupta na rigidez das condições de suporte da via, o que conduz ao aumento das cargas dinâmicas e aceleração dos assentamentos diferenciais e degradação da via. Este trabalho apresenta o estudo do comportamento da via em laje em zonas de transição, com especial destaque para as secções aterro-túnel. Esta análise usa uma metodologia híbrida que combina a modelação tridimensional por elementos finitos com as equações empíricas de deformação permanente, inseridas num processo iterativo. Em cada iteração, são determinados os campos de tensão induzidos na fundação usando o modelo 3D, antes de se calcularem as deformações a partir da equação empírica calibrada capaz de determinar o assentamento ao longo da transição. Seguidamente, antes de iniciar a próxima iteração, estes assentamentos são utilizados para modificar a geometria do modelo 3D, o que permite considerar os efeitos do assentamento anterior. Relativamente ao comportamento dinâmico a curto-prazo, os resultados mostram uma concentração de tensões na laje de betão e HBL. Em relação ao comportamento a longo prazo, os resultados mostram um assentamento permanente máximo acumulado próximo de 0.52 mm. Mais ainda, foi testada a eficácia de uma manta resiliente na zona do túnel e no aterro. Os resultados mostram uma diminuição do nível de tensões na transição e atenuação da variação dosdeslocamentos na laje de betão.Este trabalho foi parcialmente realizado no âmbito do In2Track2, um projeto de investigação do Shift2Rail. Este trabalho foi também parcialmente financiado pela FCT/MCTES através de fundos nacionais (PIDDAC) no âmbito da Unidade de I&D Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering (ISISE), sob a referência UIDB/04029/2020, e sob a referência LA/P/0112/2020 do Laboratório Associado Laboratory Advanced Production and Intelligent Systems ARISE sob a referência LA/P/0112/2020. Este trabalho foi também financiado por fundos nacionais através da FCT - Fundação para a Ciência e Tecnologia, ao abrigo do contrato de subvenção [PD/BD/127814/2016] atribuído a Ana Ramos. Adicionalmente, contou com o apoio financeiro de: Base Funding - UIDB/04708/2020 do CONSTRUCT - Instituto de I&D em Estruturas e Construções - financiado por fundos nacionais através do FCT/MCTES (PIDDAC). Os autores também reconhecem também o projeto europeu IN2ZON

InterInterpretação das lesões ortopédicas dos ocupantes dos veículos na reconstrução forense dos acidentes de viação

Road Traffic accidents are the leading cause of violent death and a major cause of death and sequelae in young and economically active population in developed and developing countries. Numbers that can only be compared to wars, which exemplifies the consequences of these lesions in economic and social terms. In 2002, about 1.2 million people died in traffic accidents, and in 2020, it is estimated that this number will double according to the World Health Organization (WHO). Only a small percentage of these are generated by vehicle faults or adverse conditions. The vast majority of accidents are caused by carelessness, negligence or malpractice of drivers or pedestrians, which makes the reconstruction of accidents a key step in the investigation and prevention of further accidents

Laboratório virtual de sistemas de controlo: realidade virtual

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesEste projecto visa a implementação de um laboratório virtual de sistemas de controlo na aplicação computacional Matlab, integrando as ferramentas Virtual Reality Toolbox (VRT) e Simulink. Desse modo criaram-se três modelos virtuais de sistemas de controlo e a sua respectiva animação 3D em tempo real: - Controlo de velocidade de um veículo, cujo controlo foi efectuado usando dois controladores: PI e Atraso. - O controlo de velocidade angular de um motor DC foi efectuado com um controlador PI, compensador tipo cancelamento & implantação de pólo e avanço. - Controlo do nível num esquema de dois tanques acoplados, cujo controlo foi realizado através de um P, PI e através de um compensador de servo sistemas com degrau como sinal de referência. O projecto dos controladores foi executado recorrendo a técnicas de controlo clássico e moderno para compensação de sistemas lineares. Por este facto, primeiro determinaram-se os modelos matemáticos lineares dos três casos de estudo e em seguida fez-se o ajuste dos parâmetros dos controladores baseados nos modelos lineares. Para cada caso, integrou-se a dinâmica com os ambientes virtuais 3D implementados usando as ferramentas de simulação e blocos Simulink e Virtual Reality Toolbox. Dos resultados experimentais concluiu-se que os modelos implementados demonstram correctamente o funcionamento integrado dos modelos lineares de sistemas de controlo com os modelos virtuais 3D, podendo estes servir os alunos das cadeiras de Sistemas e Controlo I e Sistemas e Controlo II.This project intends to build a virtual laboratory for control systems in Matlab computational environment, integrating the Virtual Reality Toolbox (VRT) and Simulink. Thus three control systems virtual models were created, as well as their respective real time 3D animation: - Car cruise control, whose control was implemented using two types of controllers: PI and Lag controller. - DC motor angular speed control which was done by a P, a PI, a Cancel & Placement of pole and a Lead controller. - Level control in a two coupled tanks system, which was controlled by a P and PI controllers and by servo system design. The controllers were designed through classic and modern techniques for compensation of linear systems. Hence, in rst place all three study cases mathematical linear models were determined and then controller parameters were tuned based on these linear systems. For each case, its dynamic was integrated with its respective 3D environment using Simulink and Virtual Reality Toolbox simulation tools and blocks. The data acquired from the experiments allows to come to the conclusion that the models created show the correct integrated operation of the linear models of the control systems with the 3D virtual scenes created and that this virtual laboratory could serve students of Control Systems I and Control Systems II courses for the next academic year

Novo método iterativo de localização da câmera baseado no conceito de resection-intersection

A Odometria Visual é o processo de estimar o movimento de um ente a partir de duas ou mais imagens fornecidas por uma ou mais câmeras. É uma técnica de grande importância na visão computacional, com aplicações em diversas áreas tais como assistência ao motorista e navegação de veículos autônomos, sistemas de realidade aumentada, veículos autônomos não-tripulados (VANTs) e até mesmo na exploração interplanetária. Os mé- todos mais comuns de Odometria Visual utilizam câmeras com visão estéreo, através das quais é possível calcular diretamente as informações de profundidade de detalhes de uma cena, o que permite estimar as posições sucessivas das câmeras. A Odometria Visual Monocular estima o deslocamento de um objeto com base nas imagens fornecidas por uma única câmera, o que oferece vantagens construtivas e operacionais embora exija processamento mais complexo. Os sistemas de Odometria Visual Monocular do tipo esparsos estimam a pose da câmera a partir de singularidades detectadas nas imagens, o que reduz significativamente o poder de processamento necessário, sendo assim ideal para aplica- ções de tempo real. Nessa óptica, este trabalho apresenta um novo sistema de Odometria Visual Monocular esparsa para tempo real, validado em veículo instrumentado. O novo sistema é baseado no conceito de Resection-Intersection, combinado com um novo teste de convergência, e um método de refinamento iterativo para minimizar os erros de reproje- ção. O sistema foi projetado para ser capaz de utilizar diferentes algoritmos de otimização não linear, tais como Gauss-Newton, Levenberg-Marquardt, Davidon-Fletcher-Powell ou Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shannon. Utilizando o benchmark KITTI, o sistema proposto obteve um erro de translação em relação à distância média percorrida de 0, 86% e erro médio de rotação em relação à distância média percorrida de 0.0024◦/m. O sistema foi desenvolvido em Python em uma única thread, foi embarcado em uma placa Raspberry Pi 4B e obteve um tempo médio de processamento de 775ms por imagem para os onze primeiros cenários do benchmark. O desempenho obtido neste trabalho supera os resultados de outros sistemas de Odometria Visual Monocular baseados no conceito de ResectionIntersection até o momento submetidos na classificação do benchmark KITTI.Visual Odometry is the process of estimating the movement of an entity from two or more images provided by one or more cameras. It is a technique ofmain concern in computer vision, with applications in several areas such as driver assistance and autonomous vehicle navigation, augmented reality systems, Unmanned Aerial Vehicle (UAV) and even in interplanetary exploration. Most common methods of Visual Odometry use stereo cameras, through which it is possible to directly calculate the depth information of details of a scene, which allows to estimate the successive positions of the cameras. Monocular Visual Odometry estimates the displacement of an object based on images provided by a single camera, which offers constructive and operational advantages although it requires more complex processing. Sparse-type Monocular Visual Odometry systems estimate the camera pose from singularities detected in the images, which significantly reduces the processing power required, thus making it ideal for real-time applications. In this perspective, this work presents a new Sparse Monocular visual Odometry system for real-time, validated on a instrumented vehicle. The new system is based on the Resection-Intersection concept, combined with an expanded convergence test, and an iterative refinement method to minimize reprojection errors. It was designed to be able to use different non-linear optimization algorithms, such as Gauss-Newton, Levenberg-Marquardt, Davidon-FletcherPowell or Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shannon. Using the benchmark KITTI, the proposed system obtained a translation error in relation to the average distance traveled of 0.86% and an average rotation error in relation to the average distance covered of 0.0024◦/m. The system was developed in Python on a single thread, was embedded on a Raspberry Pi 4B board and an average processing time of 775ms per image for the first eleven scenarios of the benchmark. The results obtained in this work surpass the results obtained by other visual odometry systems based on the concept of Resection-Intersection so far submitted to the KITTI benchmark ranking

Vantagens no uso de imagens obtidas com veículos autónomos não-tripulados no estudo de costas rochosas: o exemplo de S. Paio, Vila do Conde

O trecho costeiro de S. Paio, Vila do Conde, constitui uma área de grande interesse geomorfológico, graças à conservação de diversos testemunhos das variações do nível do mar e da evolução climática durante o final do Quaternário, num cenário com uma forte influência da estrutura geológica. Aplicámos novas tecnologias no seu estudo, nomeadamente na aquisição de dados aerofotogramétricos com recurso a um Veículo Autónomo Não-tripulado (modelo DV6-S). Realizaram-se dois voos que permitiram aobtenção de fotografias aéreas de alta resolução (2cm de pixel) e com um elevado grau de sobreposição. Recorrendo ao software Agisoft PhotoScan foram gerados ortofotos globais do setor e criados MDS de grande pormenor, onde se observam, com grande detalhe, elementos geomorfológicos e geológicos tais como: descontinuidades, contactos litológicos e filões. Estes elementos foram posteriormente cartografados no software ArcGIS 10.2.2, originando uma cartografia temática de grande escala. A utilização de VANTs revela-se muito vantajosa, uma vez que os custos e o tempo requerido para a recolha e processamento de dados são reduzidos.The coastal area of S. Paio, Vila do Conde, is a stretch of great geomorphological interest, due to the conservation of several testimonies of sea level changes and climate evolution during the late Quaternary, in a scenario with a strong influence of geological structure. Therefore, we applied new technologies to study this rocky coast, namely the acquisition ofaero photogrammetric data using UAV (model DV6-s). We performed two flights, which allowed us to obtain high-resolution aerial photographs (2cm pixel) with a high degree of overlap. Using the Agisoft PhotoScan software, we produced orthophotos and created DSM, where geomorphological and geological features such as discontinuities, lithological contacts and veins are shown with a great detail. These elements were then mapped with ArcGIS 10.2.2 software, resulting in large-scale thematic maps. The use of the UAV is very advantageous, namely because of its low cost, the short time required for data collection and the reduced time for geoprocessing

O tipo de modelação dos pneus dos veículos pesados na avaliação do desempenho dos pavimentos

Os veículos pesados são os principais responsáveis pela degradação dos pavimentos rodoviários provocando principalmente fendilhamento por fadiga e deformações permanentes. Os pavimentos rodoviários são dimensionados para suportar o tráfego de projecto, o qual é composto por diferentes tipos de veículos com diferentes tipos de eixos e rodas, sendo a carga total do veículo função de vários factores. Alguns destes veículos pesados causam maiores degradações nos pavimentos devido ao tipo de suspensão, tipo de pneu, localização dos eixos ou pressão de enchimento dos pneus. No entanto, em termos de dimensionamento, esta diversidade de veículos é considerada de modo semelhante pela atribuição de uma área onde é aplicada a carga dos veículos, verificando-se que a configuração desta área não representa correctamente o contacto dos pneus com o pavimento. Deste modo, este trabalho pretende estudar a acção dos veículos pesados na avaliação do comportamento do pavimento considerando a carga dos veículos pesados modelada de forma mais aproximada da real, nomeadamente, considerando os sulcos dos pneus e a variação não uniforme da pressão de contacto pneu-pavimento. Assim, neste trabalho é modelado um pavimento representativo da rede rodoviária no qual são aplicadas diferentes configurações de carga sendo obtido o estado de tensão/deformação instalado no pavimento. A modelação numérica do pavimento foi realizada utilizando um modelo elástico linear de elementos finitos em três dimensões desenvolvido para analisar a influência de um veículo pesado possuindo uma configuração de pneus duplos com 245mm de largura. Neste estudo foram consideradas duas configurações de distribuição de pressões de contacto, em que foram considerados as seguintes pressões totais: 700, 800, 900, 1200 e 1500 kPa. Com base nos resultados obtidos é possível observar as diferenças significativas no estado de tensão/deformação do pavimento, principalmente à superfície a qual poderá ser responsável pelo fendilhamento com origem à superfície.Road pavements have been designed to support the design traffic which is composed by different type of vehicles with different axle configurations, load magnitudes, wheel types and tire inflation pressures. Traffic loads are the major source of pavement damage by causing fatigue, which leads to cracking and permanent deformation. Heavy vehicles do not cause equal damage because the differences in wheel loads, number and location of axles, types of suspensions and tires. Furthermore, the damage is specific to the pavement properties, operating conditions and environmental factors. This research proposes a model for predicting the mechanical behaviour of flexible pavement subjected to heavy load vehicle with dual-tire configuration using a numerical simulation. An elastic finite element model in three dimensions (3D) was developed to analyze the influence of a heavy vehicle with dual-tire configuration featuring 245 mm wide on each tire. This research studied three configurations of contact pressure considering the following pressures: 700, 800, 900, 1200 and 1500 kPa. The results show that it is possible to observe significant differences in the state of stress/strain on the pavement, especially on the surface which is responsible for cracking originating at the surface. The simulation model present here will be useful for future pavement design and material selection