ISEP - DM – Engenharia Electrotécnica e de Computadores
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1. Telecomunicações -
O Instituto Superior de Engenharia do Porto possui um longo historial de formação de profissionais conceituados nas áreas de Telecomunicações, constituindo-se como uma das Escolas de referência tanto na sua área geográfica de influência como a nível nacional. Os profissionais formados pelo ISEP são frequentemente procurados pelos principais operadores de telecomunicações e empresas de serviços de comunicação.
A área de especialização em “Telecomunicações” do Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores permite dar continuidade a esta tradição, através de uma oferta actualizada de competências chave em áreas tecnológicas de topo. Os profissionais formados nesta área de especialização ficam habilitados a satisfazer as necessidades de pessoal qualificado por parte do tecido empresarial cujo crescimento é ainda expectável.
2. Automação e Sistemas -
Esta área de especialização corresponde a um perfil de formação com forte tradição no ISEP e com grande ligação às entidades empregadoras. Caracteriza-se por ser uma especialização balanceada entre as abordagens teóricas características da área de Sistemas e as abordagens tecnológicas oriundas das áreas da Automação e Robótica.
A rápida evolução dos sistemas computacionais e a sua integração nas mais diversas actividades são um dos principais motores da renovação industrial, originando uma generalização e aprofundamento dos conceitos técnicos e científicos oriundos da automação. A formação proposta é de espectro largo e tem por suporte um longo historial de ensino/aprendizagem na área dos sistemas e da automação.
3. Sistemas e Planeamento Industrial -
A área de especialização em “Sistemas e Planeamento Industrial” pretende responder às solicitações identificadas no domínio do Planeamento Industrial nos últimos anos. De facto, tem havido uma preocupação crescente na criação de formação pós-graduada que alia formação de cariz tecnológico, com conhecimentos em Gestão e Métodos Quantitativos de apoio à tomada de decisão. Aliada a essa preocupação, a procura crescente de informação actualizada, em tempo real, e consequente extracção de conhecimento, são necessidades transversais a todas as áreas de Engenharia, nomeadamente à Engenharia Electrotécnica.
4. Sistemas Autónomos -
Esta área de especialização reforça a interacção quer com os grupos de I&D quer com as empresas, não só pela sua organização curricular, que promove em várias etapas do processo de formação o contacto do aluno com estas entidades, mas sobretudo pela metodologia de ensino que molda a estrutura de competências obtidas em torno da capacidade de resolução de problemas. Complementarmente, esta área e os seus conteúdos curriculares surgem como uma das prioridades fundamentais no desenvolvimento da oferta de formação superior pós-graduada para um conjunto de empresas de diferentes áreas de especialização.
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- Análise comparativa entre métodos de Northseeking para veículo de mineração subaquáticaPublication . Lomba, Caio Teixeira; Almeida, José Miguel Soares deA navegação autónoma ´e um tópico muito importante em robótica móvel nos dias atuais, sendo que a orientação ´e um desafio quando a navegação ´e em ambientes subaquáticos, pois algumas tecnologias não podem ser utilizadas neste tipo de ambiente. Nas aplicações de mineração subaquáticas a utilização de magnetómetros para obter a orientação do veículo pode ser comprometida devido as interferências magnéticas presentes neste ambiente. Sendo assim a comunidade robótica tem vindo a desenvolver métodos capazes de localizar o norte terrestre com a utilização de sensores como o giroscópio que são sensíveis a rotação angular da Terra. Este processo ´e denominado de Northseeking. Esta dissertação propõe o desenvolvimento de um sistema composto por uma turning table e um sensor inercial que seja capaz de realizar diversos processos de Northseeking para um ambiente subaquático. Foi realizado uma comparação de diversos métodos estáticos e dinâmicos apresentados no estado da arte. Esta comparação visa analisar os métodos em relação a precisão e a exatidão, e para isso foi desenvolvido um setup experimental que utiliza um sistema GPS para obter um valor real do ˆangulo em relação ao norte e poder comparar com os valores obtidos pelos métodos. Por fim, estes métodos foram testados em ambiente real para validar o desempenho dos mesmos. Estes testes foram realizados em uma mina inundada a céu aberto na Irlanda, no âmbito do projeto ¡VAMOS!, onde o sistema desenvolvido foi fixado `a máquina de mineração subaquática.
- Calibração automática para sistema de localização Multi-câmaraPublication . Faria, André Ferreira; Almeida, José Miguel Soares de; Martins, Alfredo Manuel OliveiraOs sistemas autónomos, nomeadamente sistemas robóticos moveis, estão cada vez mais presentes no nosso quotidiano, desta forma surge a necessidade de colocar em prática novas técnicas capazes de suportar o seu desenvolvimento. Nos dias que correm são frequentemente utilizados sistemas de ground thruth baseados em sistemas multi-câmara como técnica de apoio ao desenvolvimento de sistemas autónomos. Nesta dissertação são abordadas técnicas de optimização do processo de calibração dos parâmetros extrínsecos em sistemas multi-câmara, sem que, para tal, seja necessária a aplicação de técnicas exaustivas, demoradas e passiveis _a introdução de erros. Desta forma esta dissertação propõe o desenvolvimento de uma ferramenta para calibração dos parâmetros extrínsecos de sistema de ground truth com base em diferentes abordagens para aplicações de em diferentes cenários. Uma das abordagens utilizadas visa a utilização do método de estimação dos pontos de fuga. Este destina-se a ser aplicado em cenários estruturados em que sejam predominantes linhas paralelas entre si e também com o referencial global. Foi também abordada a utilização do método de decomposição de homografia planar, este tem como alvo os cenários de aplicação em que seja predominante pelo menos um plano. No presente documento são demonstrados detalhadamente o desenvolvimento dos métodos de calibração das câmaras, bem como a implementação efetuada para a construção do setup experimental necessário para a obtenção de resultados para a validação e caracterização dos métodos implementados.
- Calibração dos parâmetros extrínsecos de um LiDAR num UAVPublication . Ferreira, André Filipe Martins; Almeida, José Miguel Soares deQuando um sensor LiDAR ´e montado numa plataforma móvel, seja esta terrestre ou aérea, ´e necessário determinar a posição absoluta e a orientação do sensor para utilizar os dados obtidos, seja para modelação 3D, calculo de áreas de zonas de interesse ou, como na maioria das vezes na área da robótica, para mapeamento 3D. Os veículos responsáveis por transportar estes sensores são, normalmente capacitados de sistemas de GNSS que fornecem informações geográficas e de INS que registam a orientação dos veículos. Esta dissertação propõe endere¸car o problema de estimar a posição e orientação relativa do sensor LiDAR em relação a um UAV em diferentes cenários. Nesse sentido, pretende-se que a abordagem tomada seja capaz de detetar planos, em múltiplas orientações, numa nuvem de pontos geo-referenciada, extrair os parâmetros que os representam e utilizá-los para estimar os parâmetros extrínsecos do sensor.
- Estrutura a partir do Movimento em Sistemas AutónomosPublication . Junqueira, Artur Jorge Martins; Almeida, José Miguel Soares deA estimação da estrutura do espaço e do movimento das câmaras, a partir de um conjunto de pontos correspondentes entre as imagens, é um tópico de pesquisa na comunidade da visão computacional, conhecido como Structure from Motion (SfM). Nesta dissertação pretende-se explorar uma ferramenta SfM e analisar o seu desempenho, tendo em consideração a sua aplicabilidade em sistemas autónomos. Para a análise são considerados dois cenários de aplicação: pós-processamento de imagens adquiridas durante operações robóticas (por exemplo para a criação de modelos tridimensionais) e aplicações em tempo real como a perceção do ambiente de operação. A ferramenta em estudo é o projeto Bundler de Noah Snavely. Este projeto estima os parâmetros das câmaras e os pontos 3D do ambiente, a partir de um conjunto de imagens e um lista de pontos de interesse, correspondentes entre as imagens. Na análise do Bundler pretende-se evidenciar os principais blocos que exigem maior esforço computacional, o matching de imagens e a estimação iterativa dos parâmetros das câmaras com base na diminuição do erro de reprojeção, através da biblioteca Sparse Bundle Adjustment (SBA). Para o processo de deteção e matching de pontos de interesse, efetuou-se a comparação entre a aplicação Scale Invariant Feature Transform (SIFT) e uma adaptação deste para a Graphics Processing Unit (GPU), o SiftGPU. Os resultados da comparação demonstraram uma melhoria signi cativa na utilização do SiftGPU, com uma placa gráfica Nvidia com Compute Uni ed Device Architecture (CUDA). Na exploração do Bundler para aplicações de pós-processamento, realizaram-se testes com diversos conjuntos de imagens e as nuvens de pontos geradas, permitem observar o modelo tridimensional dos objetos no espaço. Neste tipo de aplicações, a restrição do tempo de processamento não é uma condicionante tão grave como numa aplicação em tempo real. Então para tentar optimizar o desempenho do processo de estimação dos parâmetros das câmaras, apresentaram-se duas propostas. A primeira, considerando que se utiliza a mesma câmara e que esta tem uma distância focal fixa, consiste em efetuar uma calibração prévia dos parâmetros intrínsecos e fornecer ao Bundler, evitando assim a estimação de três parâmetros, e consequentemente redução do tempo de processamento do Bundle Adjustment (BA). A segunda proposta, implica a utilização de dados sensoriais de IMU/GPS para fornecer uma óptima inicialização dos parâmetros extrínsecos das câmaras. Com os parâmetros extrínsecos provenientes do IMU/GPS, em conjunto com os parâmetros intrínsecos de calibração, pretende-se reduzir o tempo de estimação dos parâmetros das câmaras no processo iterativo BA. Através da utilização destes dados, também se pretende evitar o desvio da estimação, devido à acumulação de erros ao longo do processo. Uma das vantagens da utilização do IMU/GPS, é facto de os resultados serem gerados em relação a um sistema de coordenadas, o que não acontece no Bundler, em que as posições são relativas e com ambiguidade na escala. Para adaptar o Bundler ao contexto de uma aplicação em tempo real, procedeu-se à alteração da abordagem atual, para enormes conjuntos desordenados de imagens, para um método sequencial e ordenado de acordo com o processo de aquisição de imagens. Este é apenas um dos primeiros passos para modificar o Bundler de acordo com as exigências das aplicações robóticas.
- Exploração da Point Cloud Library aplicada à percepção em sistemas autónomosPublication . Queirós, Hugo Filipe de Oliveira Gomes da Fonseca; Silva, Eduardo Alexandre Pereira da; Almeida, José Miguel Soares deA navegação e a interpretação do meio envolvente por veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um grande desafio na actualidade. Sebastian Thrun, descreve em [Thr02], que o problema do mapeamento em sistemas robóticos é o da aquisição de um modelo espacial do meio envolvente do robô. Neste contexto, a integração de sistemas sensoriais em plataformas robóticas, que permitam a construção de mapas do mundo que as rodeia é de extrema importância. A informação recolhida desses dados pode ser interpretada, tendo aplicabilidade em tarefas de localização, navegação e manipulação de objectos. Até à bem pouco tempo, a generalidade dos sistemas robóticos que realizavam tarefas de mapeamento ou Simultaneous Localization And Mapping (SLAM), utilizavam dispositivos do tipo laser rangefinders e câmaras stereo. Estes equipamentos, para além de serem dispendiosos, fornecem apenas informação bidimensional, recolhidas através de cortes transversais 2D, no caso dos rangefinders. O paradigma deste tipo de tecnologia mudou consideravelmente, com o lançamento no mercado de câmaras RGB-D, como a desenvolvida pela PrimeSense TM e o subsequente lançamento da Kinect, pela Microsoft R para a Xbox 360 no final de 2010. A qualidade do sensor de profundidade, dada a natureza de baixo custo e a sua capacidade de aquisição de dados em tempo real, é incontornável, fazendo com que o sensor se tornasse instantaneamente popular entre pesquisadores e entusiastas. Este avanço tecnológico deu origem a várias ferramentas de desenvolvimento e interacção humana com este tipo de sensor, como por exemplo a Point Cloud Library [RC11] (PCL). Esta ferramenta tem como objectivo fornecer suporte para todos os blocos de construção comuns que uma aplicação 3D necessita, dando especial ênfase ao processamento de nuvens de pontos de n dimensões adquiridas a partir de câmaras RGB-D, bem como scanners laser, câmaras Time-of-Flight ou câmaras stereo. Neste contexto, é realizada nesta dissertação, a avaliação e comparação de alguns dos módulos e métodos constituintes da biblioteca PCL, para a resolução de problemas inerentes à construção e interpretação de mapas, em ambientes indoor não estruturados, utilizando os dados provenientes da Kinect. A partir desta avaliação, é proposta uma arquitectura de sistema que sistematiza o registo de nuvens de pontos, correspondentes a vistas parciais do mundo, num modelo global consistente. Os resultados da avaliação realizada à biblioteca PCL atestam a sua viabilidade, para a resolução dos problemas propostos. Prova da sua viabilidade, são os resultados práticos obtidos, da implementação da arquitectura de sistema proposta, que apresenta resultados de desempenho interessantes, como também boas perspectivas de integração deste tipo de conceitos e tecnologia em plataformas robóticas desenvolvidas no âmbito de projectos do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA).
- Hyperspectral Imaging for Real-Time Unmanned Aerial Vehicle Maritime Target DetectionPublication . Freitas, Sara Costa; Almeida, José Miguel Soares deThe hyperspectral cameras use has been increasing over the past years, driven by the exponential growth of the computational systems power. The capability of acquiring multiple spectre wavelengths benefits the increase of the hyperspectral systems range of applications. However, until now, most hyperspectral systems are used in posprocessing and do not allow to take full advantage of the system capabilities. There is a recent trend to be able to use hyperspectral systems in real-time. Given the recent problems in European Union borders due to irregular immigration and drug smuggling, there is the need to develop novel autonomous surveillance systems that can work on these scenarios. This thesis addresses the scenario of using hyperspectral imaging systems for maritime target detection using unmanned aerial vehicles. Specifically, by working in the creation of a hyperspectral real-time data processing system pipeline. In our work, we develop a boresight calibration method that allows to calibrate the position of the navigation sensor related to the camera imaging sensor, and improve substantially the accuracy of the target geo-reference. We also develop a novel method of distinguish targets (boats) from their dominant background. With this application our system is able to only select relevant information to send to a remote station on the ground, thus making it suitable to be installed in an actual unmanned maritime surveillance system.
- Método visual de deteção de linhas elétricas para veículos aéreos não tripuladosPublication . Santos, Tiago André Miranda dos; Almeida, José Miguel Soares deA qualidade do serviço das empresas de eletricidade ´e assegurada pela inspeção regular de linhas elétricas e pelos procedimentos de manutenção preventiva. Métodos tradicionais como um helicóptero têm muitas desvantagens, tais como, altos custos e riscos. Os veículos aéreos não tripulados (UAV) estão agora a ser utilizados para efetuar inspeções, uma vez que podem ser equipados com sensores semelhantes aos do helicóptero. Nesta dissertação propõe-se endereçar o problema de aumentar as capacidades de perceção em tempo real dos UAVs para dotá-los de capacidades para operações autónomas e semiautónomas seguras e robustas. Nesse sentido o trabalho irá endereçar um dos componentes do sistema de perceção, nomeadamente a deteção de linhas elétricas por visão. Um novo método para deteção de linhas elétricas em imagens, designado de PLineD, foi desenvolvido, e ´e capaz de melhorar a robustez da deteção mesmo na presença de imagens com ruído de fundo. Como base, usa o algoritmo Edge Drawing (ED), selecionado a partir da comparação efetuada do desempenho de três algoritmos, identificados no estado da arte. O algoritmo foi testado num conjunto de várias imagens reais de linhas elétricas, com múltiplos fundos e condições climatéricas. Os resultados experimentais demonstram que o PLineD ´e eficaz e capaz de ser implementado numa pipeline de processamento de imagem em tempo real.
- People counting system using existing surveillance video cameraPublication . Machado, Diogo Moreira Cabral; Silva, Eduardo Alexandre Pereira da; Almeida, José Miguel Soares deThe Casa da Música Foundation, responsible for the management of Casa da Música do Porto building, has the need to obtain statistical data related to the number of building’s visitors. This information is a valuable tool for the elaboration of periodical reports concerning the success of this cultural institution. For this reason it was necessary to develop a system capable of returning the number of visitors for a requested period of time. This represents a complex task due to the building’s unique architectural design, characterized by very large doors and halls, and the sudden large number of people that pass through them in moments preceding and proceeding the different activities occurring in the building. To achieve the technical solution for this challenge, several image processing methods, for people detection with still cameras, were first studied. The next step was the development of a real time algorithm, using OpenCV libraries and computer vision concepts,to count individuals with the desired accuracy. This algorithm includes the scientific and technical knowledge acquired in the study of the previous methods. The themes developed in this thesis comprise the fields of background maintenance, shadow and highlight detection, and blob detection and tracking. A graphical interface was also built, to help on the development, test and tunning of the proposed system, as a complement to the work. Furthermore, tests to the system were also performed, to certify the proposed techniques against a set of limited circumstances. The results obtained revealed that the algorithm was successfully applied to count the number of people in complex environments with reliable accuracy.
- Real-Time LiDAR-based Power Lines Detection for Unmanned Aerial VehiclesPublication . Azevedo, Fábio André Costa; Almeida, José Miguel Soares deThe growing dependence of modern-day societies on electricity leads to the increasing importance of effective monitoring and maintenance of power lines. Due to the population’s renouncement to the installation of new electric power lines, the existing ones are constantly operating at maximum capacity. This leaves no room for breakdowns, as it leads to major economic losses for the electrical companies and blackouts for the consumers. Endowing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with the appropriate sensors for inspection the power lines, the costs and risks associated with the traditional foot patrol and helicopter-based inspections can be reduced. However, this implies the development of algorithms to make the inspection process reliable and autonomous. Visual detection methods are usually applied to locate the power lines and their components. Although, they are generally too sensitive to atmospheric conditions and noisy background. Poor light conditions or a background rich in edges may compromise their results. In order to overcome those limitations, this dissertation addresses the problem of power line detection and modeling based on the use of a Light Detection And Ranging (LiDAR) sensor. A novel approach to the power line detection was developed, the Power Line LiDARbased Detection and Modeling (PL2DM). It is based in a scan-by-scan adaptive neighbor minimalist comparison for all the points in a point cloud. In the segmentation, the breaking cluster points are detected by an analysis of their planar properties. Exporting the potential power line points to a further step, it performs a scan based straight line detection. The final model of the power line is obtained by matching and grouping the several line segments detected using their collinearity properties. Horizontally, the power lines are modeled as a straight line, while vertically are approximated to a catenary curve. The algorithm was tested with a real dataset, showing promising results both in terms of outputs and processing time. From there, it was demonstrated that the proposed algorithm can be applied to real-time operations of the UAV, adding object-based perception capabilities for other layers of processing.
- Sistema de auto calibração visual para robots do ISePorto, baseado em EKFPublication . Ribeiro, João Pedro Carvalho; Almeida, José Miguel Soares deOs sistemas de perceção existentes nos robôs autónomos, hoje em dia, são bastante complexos. A informação dos vários sensores, existentes em diferentes partes do robôs, necessitam de estar relacionados entre si face ao referencial do robô ou do mundo. Para isso, o conhecimento da atitude (posição e rotação) entre os referenciais dos sensores e o referencial do robô é um fator critico para o desempenho do mesmo. O processo de calibração dessas posições e translações é chamado calibração dos parâmetros extrínsecos. Esta dissertação propõe o desenvolvimento de um método de calibração autónomo para robôs como câmaras direcionais, como é o caso dos robôs da equipa ISePorto. A solução proposta consiste na aquisição de dados da visão, giroscópio e odometria durante uma manobra efetuada pelo robô em torno de um alvo com um padrão conhecido. Esta informação é então processada em conjunto através de um Extended Kalman Filter (EKF) onde são estimados necessários para relacionar os sensores existentes no robô em relação ao referencial do mesmo. Esta solução foi avaliada com recurso a vários testes e os resultados obtidos foram bastante similares aos obtidos pelo método manual, anteriormente utilizado, com um aumento significativo em rapidez e consistência.
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