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Introduction:Currently, there are approximately 84 million smartphones in use in Brazil. The use of this technology facilitates the daily life of the individuals in the personal, social and professional scope. Therefore, we hypothesize that it can be used to assess and improve dietary intake. Thus, we intend to develop an application to assess meal quality from a photo taken by a smartphone, using artificial intelligence. For this, the machine should be trained to recognize which meal is healthy or unhealthy, and, as a first step, a meal quality index is necessary.Objective:This study aims to develop a meal quality index, to be applied to photos of dishes from a main meal.Methods:For the development of the index, it was considered the main recommendations established in the scientific literature and the “Dietary Guidelines for the Brazilian Population”. The index includes nine components: 1- meat intake and/or meat substitute, 2- cooking method, 3- vegetables intake, 4- whole food intake, 5- food variety, 6- ultra-processed food intake, 7- fruits intake, 8- carbohydrates intake, 9- fat recipes and/or food. First, questions were elaborated and scored as 0 point (unhealthy answer) or 1 point (healthy answer). After, the meal photo was classified as “needs improvement” (< 4 points), good (> 5 e < 7 points) and very good (> 8 points). Each photo was assessed by two experts. Then, statistical analyses were performed considering Kappa (k) statistic to evaluate the agreement between the assessments by experts.Results:Data from 154 meal photos were assessed. We analyzed the % of agreement, k-value and significant agreement (p-value) for all index components and final classification, respectively: 1- meat intake and/or meat substitute, 64.94% and k = 0.2759 (p < 0.001); 2- cooking method, 81.82% and k = 0.5915 (p = 0.000); 3- vegetables intake, 77.27% and k = 0.5353 (p = 0.000); 4- whole food intake, 98.05% and k = -0.0087 (p = 0.545); 5- food variety, 79.22% and k = 0.5899 (p = 0.000); 6- ultra processed food intake, 76.62% and k = 0.4515 (p = 0.000); 7- fruits intake, 94.81% and k = 0.8494 (p = 0.000); 8- carbohydrates intake, 65.58% and k = 0.2960 (p = 0.000); 9- fat recipes and/or food, 73.38% and k = 0.4654 (p = 0.000); and final classification, 58.44% and k = 0.3218 (p = 0.000).Conclusion:We verified a moderate and significant agreement for almost all index components using meal photo.

This paper presents the development of a mobile device application for the implementation of a participative model for evaluation of open spaces. Participants would be users of the Cidade Universitaria Armando Salles Oliveira (CUASO) Campus. The objective is to verify their perception of open spaces with regards to thermal environmental conditions; acoustics; daylight and ergonomic, and enable quick acquisition of these opinions. Thus, the name of the application: Opine. The participative model will provide quantitative subsidies as to the number of users of open spaces and their perception of these spaces and point towards a possible calibration which represents the process of climate adaptation. Studies in the area of environmental comfort and climate in open spaces presuppose the acquisition of data pertaining to environmental conditions, the physical characterization of spaces and users’ opinions, gathered by subjective answers. The last years have shown that, despite the technology used in field researches, part of this information could be acquired in a more dynamic manner. The development of the application led us to think of it as merely a questionnaire, as it would be more direct and easy to understand. Furthermore, an application with a questionnaire could be interesting, as campus users can voice their opinion and make their criticisms (or compliments) heard. The mobile application was developed, initially, for the investigation of user comfort in open spaces of the Campus Cidade Universitaria Armando Salles Oliveira, in Sao Paulo, Brazil, but can also be used for the analysis of other open urban spaces. The application was developed for Android systems, with the following characteristics regarded as relevant: easy to understand; clear; organized; easy to read. It should also be visually instinctive to the user, making the data acquisition process more agile and also enabling the rapid and dynamic treatment of the data, providing fast and easy further calculations based on the index of Temperature of Equivalent Perception (TEP) for the assessment of outdoor comfort.

Omnidirectional vision systems can provide images with a 360° of field of view. For this reason, they can be useful to robotic applications such as navigation, teleoperation and visual servoing. An effective way to construct this type of vision system is by combining lenses and mirrors together resulting on a system that does not require the movement of the camera to the direction of attention of the robot. A typical construction is by mounting a convex mirror in front of a camera aligning the center of the mirror with the optical axis of the camera. The most common convex mirror shapes used are conic, parabolic, hyperbolic and spherical. In this work we present two types of mirror that were constructed: a spherical mirror, used in the initial tests, and a hyperbolic, used for actual robot tasks. The hyperbolic mirror was manufactured using an ultra-precision CNC machine. Additionally, a software was developed to create panoramic and perspective images from the image acquired by the system. This work shows the development of an omnidirectional vision system, presenting the formulation used to determine a suitable mirror shape, the mechanical solutions used to build a fully operational system, and the results of the developed algorithm.

A classificação estética de fotografias é um problema de separação de imagens como boas ou ruins esteticamente. Na fotografia, a qualidade e beleza de uma foto podem ser descritas segundo uma série de fatores, não só de cunho técnico, mas também de cunho emocional. Por se tratar de um processo trabalhoso mas que é baseado em regras estruturadas, pode-se considerar a utilização de algoritmos de aprendizado de máquina para automatizar a resolução do problema. Esses algoritmos possibilitam a avaliação da qualidade estética de uma fotografia através da extração e classificação de atributos. Para resolver este problema um sistema proposto consistindo numa rede neural profunda convolucional (DCNN) e uma máquina de vetores de suporte (SVM), numa abordagem denominada aprendizagem profunda usando L2-SVM (DLSVM) foi utilizado. A avaliação de diferentes arquiteturas de redes neurais e de camadas de saída foi feita com o intuito de encontrar a arquitetura de melhor desempenho e de avaliar se o uso de uma DLSVM leva a resultados superiores. As redes foram pré-treinadas usando o ImageNet Large Scale Visual Recognition Challenge no desafio de classificação de objetos em imagens para melhorar ainda mais o desempenho final do modelo, usando duas abordagens de transferência de conhecimento diferentes. Os resultados finais obtidos se comparam com os da literatura recente e as análises feitas formam uma base sobre a qual estudos futuros poderão ser feitos. The aesthetic classification of photographies is a problem of separating images as aesthetically good or bad. In photography the quality and beauty of a photograph can be described under a series of factors, not only technical ones but also emotional ones. As this is a time consuming process that is based on structured rules, it is possible to consider machine learning algorithms to automatize the problem resolution. These algorithms enable the aesthetic quality evaluation of a photograph through the extraction and classification of attributes. To solve this problem a system is proposed consisting of a deep convolutional neural network (DCNN) and a support vector machine (SVM), in an approach named deep learning using a L2-SVM (DLSVM) was used. The evaluation of different DCNN architectures and final layers was done with the objective of finding the architecture with the best performance and evaluate if the use of a DLSVM leads to supperior results. The networks were pre-trained using the ImageNet Large Scale Visual Recognition Challenge in the object classification challenge to improve even more the final performance of the model, using two different approaches to transfer learning. The final results are comparable to state-of-art ones and form a basis over which more studies can be done.

Nos últimos anos, o uso de Veículos Subaquáticos Autônomos (Autonomous Underwater V ehicle - AUV ) aumentou consideravelmente na inspeção de estruturas offshore. Essa área é primordial para as empresas de petróleo e gás porque elas precisam inspecionar seus oleodutos subaquáticos para evitar acidentes devido à corrosão e consequentemente vazamentos de fuidos. Para uma tarefa automatizada de inspeção de tubulação com um AUV, é necessário o desenvolvimento de um sistema de seguimento. Este trabalho propõe um método para o rastreamento de tubulações subaquáticas com câmeras de vídeo. O algoritmo proposto combina ferramentas de processamento de imagem para estimar a orientação e a posição de um duto, e assim, produzir a variável de controle necessária para realizar o seu seguimento. Alguns vídeos de tubulações submarinas foram utilizados para validar o algoritmo de detecção dos dutos. Posteriormente, um simulador em tempo real do movimento do AUV Pirajuba, veículo desenvolvido no Laborátorio de Veículos Não Tripulados (LVNT), é usado para verificar se o valor de saída da detecção realizada é adequado para a realização do controle de seguimento. Finalmente, experimentos de forma online foram realizados usando um veículo remontamente operado (Remotely Operated V ehicle - ROV ) para a realização de um controle de seguimento do duto. Os resultados desses testes são apresentados e demonstram que esse método é robusto para a detecção e seguimentos de dutos em um ambiente submarino real. In the last years, the use of Autonomous Underwater Vehicles (AUV) has been increased for inspection of offshore structures. This research is significant for petroleum and gas companies because they need to inspect their underwater pipelines to prevent accidents due to corrosion and consequently fluid leaks. For an automated pipeline inspection task using an AUV, the development of a tracking system is necessary. This work proposes a method for the detection and tracking of underwater pipelines with video-cameras. The proposed algorithm combines image processing tools to estimate the orientation and position of a pipeline. These parameters are sent to the AUV control system. Some videos of underwater pipelines were used to validate the detection. Subsequently, a real-time simulator of the movement of the AUV Pirajuba, a vehicle developed at the Unmanned Vehicle Laboratory (LVNT), is used for validating the tracking control. Finally, online experiments were performed using a Remotely Operated Vehicle (ROV) to carry out a pipeline tracking control. The results of these tests are presented and demonstrate that this method is robust for pipeline detection and tracking in a real submarine environment.

As redes de sensores sem fio (RSSF) são formadas por dispositivos (nós) interconectados com capacidade de sensoriamento, atuação, processamento e comunicação. Muitas aplicações requerem o uso destes dispositivos em lugares remotos,dificultando o acesso físico e consequentemente a troca de baterias e reprogramação. O paradigma de redes definidas por software tem sido aplicado às RSSFs com o objetivo de trazer flexibilidade e melhorar o gerenciamento da rede permitindo a configuração dos nós de forma centralizada, sendo conhecido como SDWSN (do inglês Software- Defined Wireless Sensor Networks). O roteamento desempenharam importante papel no consumo de energia. Trabalhos prévios mostram que o uso da qualidade do link (ETX) como métrica na definição de rotas usualmente reduz a latência, e o uso da energia remanescente do nó com o métrica deve balancear o consumo de energia na rede aumentando o tempo de vida da mesma. Dada a lacuna na literatura sobre combinações de métricas na definição de rotas em SDWSN, esta pesquisa tem como objetivo propor estratégias de uso de múltiplas métricas no algoritmo de definição de rotas em SDWSN e avaliar o impacto que o uso destas combinações causam. Na literatura, o ETX e a energia remanescentedonósãométricasbastanteutilizadasemprotocolosderoteamentopara redes de sensores sem fio. Desta forma, escolhemos utilizar estas duas métricas para avaliar as propostas de combinações de métricas. Definimos duas estratégias principais como abordagem para as combinações das métricas. A primeira estratégia consiste no uso de uma fórmula de média ponderada na qual podemos atribuir pesos para as métricas. A segunda estratégia consiste em usar a lógica difusa na combinação das métricas abordando dois métodos de defuzificação: centroide e média dos máximos. Ambas estratégias são utilizadas na literatura para combinação das métricas em protocolos de roteamento distribuído. Primeiro, analisamos a correlação entre o ETX e a energia remanescente e concluímos que não há correlação entre as duas métricas, corroborando a premissa que a combinação alavanca as propriedades das métricas. Depois analisamos dois algoritmos de roteamento (menor caminho e menor caminho mais largo) com duas diferentes sensibilidades (0,5 e 1,0) para cada métrica. Concluímos que o algoritmo de menor caminho obteve melhores resultados com ambas as sensibilidades. Depois analisamos as estratégias de combinação de métricas. As estratégias definidas pela equação de média ponderada e pela lógica difusa apresentaram resultados melhores que o uso das métricas individuais. Por fim, analisamos a escalabilidade da proposta com os seguintes tamanhos de rede: 25, 49, 81, 121, 169, 225 e 289 nós. O uso da equação de média ponderada como estratégia de combinação de métrica apresentou o melhor resultado na avaliação de escalabilidade, apresentando assim uma boa estratégia de combinação de métricas para uso no algoritmo de definição de rotas. Wireless sensors networks (WSN) are composed by interconnected devices (nodes) with capability to sense, actuate, process and communicate. Many applications deploy the devices at a remote location making it difficult to replace batteries and reprogram the node. The software-defined networking paradigm has been applied to WSN with the go al to achieve flexibility and improve net work management enabling centralized configuration of nodes, approach known as SDWSN(Software-Defined Wireless Sensor Networks). Routing plays an important role in energy consumption. Previous work shows that the use of link quality (ETX) as a routing metric usually decreases latency and the use of remaining energy as a metrics hould balance the network energy consumption increasing network lifetime. Given the gap in the literature about metric combination in SDWSN routing definition, in this research we propose strategies touse multiple metrics in SDWSN routing algorithm and assess the impact from these combinations on network. In the literature, ETX and remaining energy are often used as metrics in WSNs routing protocols. Thus, we choose to use these two metrics to evaluate our metric combination strategy. We defined two strategies formetric combination. The first strategy is to use the weighted average equation where we can assign weights to the metrics. The second strategy is to use the fuzzy logic to combine the metrics by addressing two methods of defuzzification: centroid and mean of maximum. Both strategiesare usedinthe literatureto combine metricsindistributedrouting protocols. First we analyze the correlation between ETX and there main in genergy, andconclude that there is no correlation between the two metrics, corroborating the premise that the combination leverages the properties of the metrics. Then we analyze two routing algorithms (shortest path and widest shortest path) with two different sensitivity values (0.5 and 1.0) for each metric. We conclude that the shortest path algorithm yields better results with both sensitivity values. Then we analyze the metric combination strategies. The strategies defined by the weighted average equationand the fuzzy logic present better results than the use of individual metrics. Finally, we analyze the scalability of the proposal with the following network sizes: 25, 49, 81, 121, 169, 225 and 289 nodes. The use of the weighted average equation as a metric combination strategy presents the best resultin the scalability evaluation, thus presenting a good metric combination strategy for use in the route definition algorithm.

Imagens aéreas de campos cultivados tem sido uma importante ferramenta na agricultura de precisão desde o início do século XX. A partir delas, tem sido possível identificar macro padrões de crescimento na lavoura, gerando informações importantes para o gerenciamento da produção. As informações de intensidade em diferentes bandas do espectro eletromagnético podem indicar a presença ou ausência de nutrientes na região de interesse. Diferentes relações entre estas bandas podem gerar informações ainda mais detalhadas. O conhecimento dos indicadores destes nutrientes no solo e na planta durante o crescimento é uma enorme vantagem para o agricultor que pretende otimizar sua cultura. Os desafios na implementação desta tecnologia vão desde a obtenção de tais imagens,a partir de plataformas orbitais até a análise relacionando estas informações aos parâmetros agrícolas de interesse. Este trabalho propõe-se a obter imagens geradas por satélites e,em seguida, estimar parâmetros agrícolas no solo, tais como a concentração de Potássio,Fósforo,Boro,Manganês,entre outros, mapeando as variações destes parâmetros por sobre a área estudada, e compreendendo os impactos da resolução e momento de captação das imagens. Os resultados mostram que uma relação contínua e direta entre os níveis de nutrientes e a refletância e índices de vegetação não alcançariam a confiabilidade desejada. Porém com a aplicação de uma grade de níveis de concentração,o Fertigrama sugerido pelo laboratório responsável pelas análises químicas das amostras de solo, o mapa de variabilidade dos nutrientes se torna uma ferramenta importante para o pequeno produtor, descrevendo quais áreas merecem mais atenção em relação à distribuição por sobre a área de plantio de um determinado nutriente. Aerial imagery from crop fields have been an important tool inprecision agriculture since the dawn of the 20th century. It has allowed identifying patterns in crop yields, generating usefull information to the production management. Reflectance intensity data in dfferent ranges from the electromagnetic spectrum may indicate the presence or the absence of nutrients in the soil of an area. Different relations between these light bands may generate even more detailed information.The knowledge of these nutrients content in the soil or in the crop during its growth its a valuable asset to the farmer that seeks to optimize its yield. The challenges of implementing this technology ranges from the selection of the imagery,using orbital platforms to the extraction of the reflectance information from it and the analysis of its relationship with the parameters of interest. In this work, satelite imagery, is used to estimate some parameters, namely, the content of Potassium, Phosphorus, Boron, Manganese, among others, inthesoil, creating variability maps over the studied area, and understanding the impacts of the image resolution and sample time frame.The results show that a direct and continuous correlation between the nutrient content levels and the reflectance and vegetation indexes do not reach the desirable levels. However, with the aplication of nutrient content frame, the Fertigram suggested by the very laboratory who analyzed the soil samples, the variability maps become important tools for the small producer who seeks information about deficiency spots up on the crop area.

Growth in the Information and Communication Technology sector is increasing the need to improve the quality of service and energy efficiency, as this industry has already surpassed 12% of global energy consumption in 2017. Data centers correspond to a large part of this consumption, accounting for about 15% of energy expenditure on the Information and Communication Technology domain; moreover, the subsystem that generates the most costs for data center operators is that of servers and storage. Many solutions have been proposed to reduce server consumption, such as the use of dynamic voltage and frequency scaling, a technology that enables the adaptation of energy consumption to the workload by modifying the operating voltage and frequency, although they are not optimized for network traffic. In this thesis, a control method was developed using a prediction engine based on the analysis of the ongoing traffic. Machine learning algorithms based on Neural Networks and Support Vector Machines have been used, and it was verified that it is possible to reduce power consumption by up to 12% on servers with Intel Sandy Bridge processor and up to 21 % in servers with Intel Haswell processor when compared to the maximum frequency, which is currently the most used solution in the industry. O crescimento do setor de Tecnologia da Informação e Comunicação está aumentando a necessidade de melhorar a qualidade de serviço e a eficiência energética, pois o setor já ultrapassou a marca de 12% do consumo energético global em 2017. Data centers correspondem a grande parte desse consumo, representando cerca de 15% dos gastos com energia do setor Tecnologia Informação e Comunicação; além disso, o subsistema que gera mais custos para operadores de data centers é o de servidores e armazenamento. Muitas soluções foram propostas a fim de reduzir o consumo de energia com servidores, como o uso de escalonamento dinâmico de tensão e frequência, uma tecnologia que permite adaptar o consumo de energia à carga de trabalho, embora atualmente não sejam otimizadas para o processamento do tráfego de rede. Nessa dissertação, foi desenvolvido um método de controle usando um mecanismo de previsão baseado na análise do tráfego que chega aos servidores. Os algoritmos de aprendizado de máquina baseados em Redes Neurais e em Máquinas de Vetores de Suporte foram utilizados, e foi verificado que é possível reduzir o consumo de energia em até 12% em servidores com processador Intel Sandy Bridge e em até 21% em servidores com processador Intel Haswell quando comparado com a frequência máxima, que é atualmente a solução mais utilizada na indústria.

The purpose of this project is to implement, analyze and compare visual odometry approaches to help the localization task in autonomous vehicles. The stereo visual odometry algorithm Libviso2 is compared with a proposed omnidirectional multi-camera approach. The proposed method consists of performing monocular visual odometry on all cameras individually and selecting the best estimate through a voting scheme involving all cameras. The omnidirectionality of the vision system allows the part of the surroundings richest in features to be used in the relative pose estimation. Experiments are carried out using cameras Bumblebee XB3 and Ladybug 2, fixed on the roof of a vehicle. The voting process of the proposed omnidirectional multi-camera method leads to some improvements relatively to the individual monocular estimates. However, stereo visual odometry provides considerably more accurate results. O objetivo deste mestrado é implementar, analisar e comparar abordagens de odometria visual, de forma a contribuir para a localização de um veículo autônomo. O algoritmo de odometria visual estéreo Libviso2 é comparado com um método proposto, que usa um sistema multi-câmera omnidirecional. De acordo com este método, odometria visual monocular é calculada para cada câmera individualmente e, seguidamente, a melhor estimativa é selecionada através de um processo de votação que involve todas as câmeras. O fato de o sistema de visão ser omnidirecional faz com que a parte dos arredores mais rica em características possa sempre ser usada para estimar a pose relativa do veículo. Nas experiências são utilizadas as câmeras Bumblebee XB3 e Ladybug 2, fixadas no teto de um veículo. O processo de votação do método multi-câmera omnidirecional proposto apresenta melhorias relativamente às estimativas monoculares individuais. No entanto, a odometria visual estéreo fornece resultados mais precisos.

A necessidade de antecipar e identificar variações de acontecimentos apontam para uma nova direção nos mercados de bolsa de valores e vem de encontro às análises das oscilações de preços de ativos financeiros. Esta necessidade leva a argumentar sobre novas alternativas na predição de séries temporais financeiras utilizando métodos de aprendizado de máquinas e vários modelos têm sido desenvolvidos para efetuar a análise e a previsão de dados de ativos financeiros. Este trabalho tem por objetivo propor o desenvolvimento de um modelo de previsão adaptativo baseado em um sistema SVR-wavelet híbrido, que integra modelos de wavelets e Support Vector Regression (SVR) na previsão de séries financeiras. O método consiste na utilização da Transformada de Wavelet Discreta (DWT) a fim de decompor dados de séries de ativos financeiros que são utilizados como variáveis de entrada do SVR com o objetivo de prever dados futuros de ativos financeiros. O modelo proposto é aplicado a um conjunto de ativos financeiros do tipo Foreign Exchange Market (FOREX), Mercado Global de Câmbio, obtidos a partir de uma base de conhecimento público. As séries são ajustadas gerando-se novas predições das séries originais, que são comparadas com outros modelos tradicionais tais como o modelo Autorregressivo Integrado de Médias Móveis (ARIMA), o modelo Autorregressivo Fracionário Integrado de Médias Móveis (ARFIMA), o modelo Autorregressivo Condicional com Heterocedasticidade Generalizado (GARCH) e o modelo SVR tradicional com Kernel. Além disso, realizam-se testes de normalidade e de raiz unitária para distribuição não linear, tal como testes de correlação, para constatar que as séries temporais FOREX são adequadas para a comprovação do modelo híbrido SVR-wavelet e posterior comparação com modelos tradicionais. Verifica-se também a aderência ao Expoente de Hurst por meio da estatística de Reescalonamento (R/S). The necessity to anticipate and identify changes in events points to a new direction in the stock exchange market and reaches the analysis of the oscillations of prices of financial assets. This necessity leads to an argument about new alternatives in the prediction of financial time series using machine learning methods. Several models have been developed to perform the analysis and prediction of financial asset data. This thesis aims to propose the development of SVR-wavelet model, an adaptive and hybrid prediction model, which integrates wavelet models and Support Vector Regression (SVR), for prediction of Financial Time Series, particularly Foreign Exchange Market (FOREX), obtained from a public knowledge base. The method consists of using the Discrete Wavelets Transform (DWT) to decompose data from FOREX time series, that are used as SVR input variables to predict new data. The series are adjusted by generating new predictions of the original series, which are compared with other traditional models such as the Autoregressive Integrated Moving Average model (ARIMA), the Autoregressive Fractionally Integrated Moving Average model (ARFIMA), the Generalized Autoregressive Conditional Heteroskedasticity model (GARCH) and the traditional SVR model with Kernel. In addition, normality and unit root tests for non-linear distribution, and correlation tests, are performed to verify that the FOREX time series are adequate for the verification of SVR-wavelet hybrid model and comparison with traditional models. There is also the adherence to the Hurst Exponent through the statistical Rescaled Range (R/S).

Energy conservation is a main concern in Wireless Sensor Networks (WSN). To reduce energy consumption it is important to know how it is spent and how much is available during the node and network operation. Several previous works have proposed energy consumption models focused on the communication module, while neglecting the processing and sensing activities. Other works presented more complex and complete models, but lacked experiments to demonstrate their accuracy in real deployments. The main objective of this work is to design and to evaluate an accurate energy consumption model for WSN, which considers the sensing, processing, and communication modules usage. This model was used to implement two energy consumption prediction mechanism. One mechanism is based in Markov chains and the other one is based in time series analysis. The metrics to evaluate the model and prediction mechanisms performance were: energy consumption estimation accuracy, energy consumption prediction accuracy, and node\'s communication and processing resources usage. The energy consumption prediction mechanisms performance was compared using two implementation schemes: running the prediction algorithm in the sensor node and running the prediction algorithm in a Software-Defined Networking controller. The implementation was conducted using IT-SDN, a Software-Defined Wireless Sensor Network framework. For the evaluation, simulation and emulation used COOJA, while testbed experiments used TelosB devices. Results showed that considering the sensing, processing, and communication energy consumption into the model, it is possible to obtain an accurate energy consumption estimation for Wireless Sensor Networks. Also, the use of a Software-Defined Networking controller for processing complex prediction algorithms can improve the prediction accuracy. A conservação da energia é uma das principais preocupações nas Redes de Sensores Sem Fio (WSN, do inglês Wireless Sensor Networks). Para reduzir o consumo de energia, é importante saber como a energia é gasta e quanta energia há disponível durante o funcionamento da rede. Diversos trabalhos anteriores propuseram modelos de consumo de energia focados no módulo de comunicação, ignorando o consumo por tarefas de processamento e sensoriamento. Outros trabalhos apresentam modelos mais completos e complexos, mas carecem de experimentos que demonstrem a exatidão em dispositivos reais. O objetivo principal deste trabalho é projetar e avaliar um modelo de consumo de energia para WSN que considere o consumo por sensoriamento, processamento e comunicação. Este modelo foi utilizado para implementar dois mecanismos de previsão de consumo de energia, um deles baseado em cadeias de Markov e o outro baseado em séries temporais. As métricas para avaliar o desempenho do modelo e dos mecanismos de previsão de consumo de energia foram: exatidão da estimativa de consumo de energia, exatidão da previsão de consumo de energia e uso dos recursos de comunicação e processamento do nó. O desempenho dos mecanismos de previsão de consumo de energia foram comparados utilizando dois esquemas de implementação: rodando o algoritmo de previsão no nó sensor e rodando o algoritmo de previsão em um controlador de rede definida por software. A implementação foi conduzida utilizando IT-SDN, um arcabouço de desenvolvimento de redes de sensores sem fio definidas por software. A avaliação foi feita com simulações e emulações utilizando o simulador COOJA e ensaios com dispositivos reais utilizando o TelosB. Os resultados mostraram que considerando o consumo de energia por sensoriamento, processamento e communicação, é possivel fazer uma estimativa de consumo de energia em redes de sensores sem fio com uma boa exatidão. Ainda, o uso de um controlador de rede definida por software para processamento de algoritmos de previsão complexos pode aumentar a exatidão da previsão.

This research project took part in the SENA project (Autonomous Embedded Navigation System), which was developed at the Mobile Robotics Lab of the Mechatronics Group at the Engineering School of São Carlos, University of São Paulo (EESC - USP) in collaboration with the São Carlos Institute of Physics. Aiming for an autonomous behavior in the prototype vehicle this dissertation focused on deploying some machine learning algorithms to support its perception. These algorithms enabled the vehicle to execute articial-intelligence tasks, such as prediction and memory retrieval for object classication. Even though in autonomous navigation there are several perception, cognition and actuation tasks, this dissertation focused only on perception, which provides the vehicle control system with information about the environment around it. The most basic information to be provided is the existence of objects (obstacles) around the vehicle. In formation about the sort of object it is also provided, i.e., its classication among cars, pedestrians, stakes, the road, as well as the scale of such an object and its position in front of the vehicle. The environmental data was acquired by using a camera and a Velodyne LiDAR. A ceiling analysis of the object detection pipeline was used to simulate the proposed methodology. As a result, this analysis estimated that processing specic regions in the PDF Compressor Pro xii image (i.e., Regions of Interest, or RoIs), where it is more likely to nd an object, would be the best way of improving our recognition system, a process called image normalization. Consequently, experimental results in a data-fusion approach using laser data and images, in which RoIs were found using the LiDAR data, showed that the fusion approach can provide better object detection and classication compared with the use of either camera or LiDAR alone. Deploying a data-fusion classication using RoI method can be executed at 6 Hz and with 100% precision in pedestrians and 92.3% in cars. The fusion also enabled road estimation even when there were shadows and colored road markers in the image. Vision-based classier supported by LiDAR data provided a good solution for multi-scale object detection and even for the non-uniform illumination problem. Este projeto de pesquisa fez parte do projeto SENA (Sistema Embarcado de Navegação Autônoma), ele foi realizado no Laboratório de Robótica Móvel do Grupo de Mecatrônica da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC), em colaboração com o Instituto de Física de São Carlos (IFSC). A grande motivação do projeto SENA é o desenvolvimento de tecnologias assistidas e autônomas que possam atender às necessidades de diferentes tipos de motoristas (inexperientes, idosos, portadores de limitações, etc.). Vislumbra-se que a aplicação em larga escala desse tipo de tecnologia, em um futuro próximo, certamente reduzirá drasticamente a quantidade de pessoas feridas e mortas em acidentes automobilísticos em estradas e em ambientes urbanos. Nesse contexto, este projeto de pesquisa teve como objetivo proporcionar informações relativas ao ambiente ao redor do veículo, ao sistema de controle e de tomada de decisão embarcado no veículo autônomo. As informações mais básicas fornecidas são as posições dos objetos (obstáculos) ao redor do veículo; além disso, informações como o tipo de objeto (ou seja, sua classificação em carros, pedestres, postes e a própria rua mesma), assim como o tamanho deles. Os dados do ambiente são adquiridos através do emprego de uma câmera e um Velodyne LiDAR. Um estudo do tipo ceiling foi usado para simular a metodologia da detecção dos obstáculos. Estima-se que , após realizar o estudo, que analisar regiões especificas da imagem, chamadas de regiões de interesse, onde é mais provável encontrar um obstáculo, é o melhor jeito de melhorar o sistema de reconhecimento. Observou-se na implementação da fusão dos sensores que encontrar regiões de interesse usando LiDAR, e classificá-las usando visão artificial fornece um melhor resultado na hora de compará-lo com os resultados ao usar apenas câmera ou LiDAR. Obteve-se uma classificação com precisão de 100% para pedestres e 92,3% para carros, rodando em uma frequência de 6 Hz. A fusão dos sensores também forneceu um método para estimar a estrada mesmo quando esta tinha sombra ou faixas de cor. Em geral, a classificação baseada em visão artificial e LiDAR mostrou uma solução para detecção de objetos em várias escalas e mesmo para o problema da iluminação não uniforme do ambiente.

Processos de montagem em geral necessitam de instruções para serem executados, desde a montagem de simples brinquedos até máquinas complexas. Tradicionalmente, essas instruções vem na forma de manuais em papel ou meio digital. Seja qual for o modo, os manuais de instruções utilizam desenhos, diagramas ou fotos, além de instruções textuais para indicar a sequência de montagem do início até o estado final. Procurando mudar esse paradigma, esse trabalho propõe um sistema para auxílio à montagem que utiliza realidade aumentada para guiar o usuário no processo. Através de processamento de imagens capturadas por uma câmera o sistema reconhece cada peça e por meio de sinais gráficos é indicado ao usuário qual a peça a ser manipulada e onde deve ser posicionada. Em seguida é feito a verificação do posicionamento das peças e o usuário é alertado quando a tarefa de montagem atinge o estado final. Muitos trabalhos na área utilizam algum tipo de dispositivo customizado como \"head mounted display\" (HMD) e marcadores para auxiliar o rastreamento da câmera e identificação das peças, limitando a popularização dessa tecnologia. Tendo esse último ponto em vista, propõe-se um sistema que não utiliza qualquer dispositivo customizado ou marcadores para rastreamento. Além disso, todos os processos do sistema são executados em software embarcado, não necessitando de comunicação com outros computadores para o processamento de imagens. Como o sistema não faz uso de marcadores para a identificação das peças, inicialmente é proposto a implementação do sistema para guiar o usuário na resolução de um quebra-cabeças plano. O sistema proposto é denominado como MARA (Montagem Assistida por Realidade Aumentada). Assembly processes for simple toys or complex machines usually requires instructions to be executed. Traditionally, these instructions are written in the form of paper or digital manuals. These manuals contains descriptive text, photos or diagrams to guide the assembly sequence from the beginning to the final state. To change this paradigm, it is proposed in this work an augmented reality system to guide assembly tasks. The system recognizes each assembly piece through image processing techniques and guides the piece placement with graphic signals. Later, the system checks if the pieces are properly assembled and warns the user when the assembly have been finished. In the field of assembly assisted by augmented reality systems, many works use some kind of customized device, like head mounted displays (HMD). Furthermore, markers have been used to track camera position and identify assembly parts. These two features restrict the spread of the technology, thus in the proposed work customized devices and markers to track and identify parts shall not be used. Besides, all the processing are executed on embedded software without the need of communication with other computers to help image processing. The first implementation of the proposed system assists the user on the assembly of a planar puzzle, as the proposed system do not use markers to recognize assembly pieces. This system is being called A3R (Assembly Assisted by Augmented Reality).

Novas interfaces homem-computador têm sido pesquisadas a fim de se tornarem mais naturais e flexíveis. O rastreamento labial, foco deste trabalho, é parte deste contexto, podendo ser utilizado na detecção de emoções, bem como no auxílio ao reconhecimento de voz. Pode assim tornar-se um módulo inicial para a leitura labial, na criação de interfaces voltadas a deficientes auditivos. Os algoritmos disponíveis na literatura foram analisados e comparados, mostrando os prós e contras de cada método. Finalmente foi escolhido desenvolver uma técnica baseada em Active Appearance Model (AAM). O AAM gera um modelo a partir de um conjunto de imagens de treinamento, que pode ser utilizado no rastreamento labial de novas imagens. A técnica proposta baseia-se no uso de algoritmos genéticos para o ajuste do modelo, diferente, portanto, da técnica proposta originalmente pelo AAM. A convergência da técnica proposta foi extensivamente analisada, com a variação de parâmetros, buscando a análise de erro residual da função custo e sua relação com o tempo de convergência e erro de posição. New human-computer interfaces have been researched to make them more natural and flexible. The lip tracking, emphasis of this work, is part of this setting it can be used for detecting emotions and to aid the speech recognition. It may well become an initial module for lip-reading, in the creation of interfaces directed to hearing impaired people. Algorithms available on literature are analyzed and compared, explaining the upsides and downsides of each method. Finally was chose to develop a technique based on Active Appearance Model (AAM). The AAM generates a model from a set of training images, which can be used in tracking of new lip images. The proposed technique is based on the use of genetic algorithms for fitting the model, different therefore of the technique originally proposed by AAM. The convergence of the proposed technique has been extensively analyzed with the variation of parameters, searching the error analysis of the cost function residual error and its relation to the execution time and position error.

Sistemas Ciberfísicos (SCF) são sistemas onde existe uma união entre computação e física. Os SCF serão utilizados nas mais diversas áreas, formando uma nova era de produtos e estarão em qualquer lugar, sendo utilizados por qualquer um e para qualquer tarefa. Aplicações para SCF incluem sistemas e dispositivos médicos altamente confiáveis, controle de tráfego e segurança, sistemas automotivos avançados, controle de processos, conservação de energia, controle ambiental, aviação, instrumentação, controle de infra estrutura crítica, sistemas de defesa, fabricação e estruturas inteligentes. O cenário de sistemas ciberfísicos (SCF) exigirá dos processadores de sistemas embarcados melhorias em características além de processamento de I/O, consumo de energia e comunicação, ou seja, as futuras arquiteturas de processadores deverão possuir também características de segurança, tolerância à falhas e flexibilidade arquitetural para adequação aos diversos cenários alvo de SCF. Neste contexto, nesta tese de doutorado, idealizou-se uma arquitetura modular multicore (AMM), voltada à SCF, composta por processadores multicore, hardware dedicado ou ambos. Dessa maneira, propõe-se um processador para a arquitetura AMM e avalia-se seu correto funcionamento por meio de simulações no software Modelsim e ferramentas de simulação de circuitos integrados. Apresenta-se um protótipo para uma primeira versão da arquitetura AMM e detalham-se alguns programas especificamente escritos para comprovar as principais características da arquitetura. Na tese, apresentam-se testes funcionais em FPGA para o processador base do protótipo AMM, dados de utilização do protótipo do processador da arquitetura AMM em FPGA e um protótipo do processador da AMM em silício. Analisa-se o protótipo da arquitetura AMM com aplicações criticas e de uso em SCF, tais como: segurança, redundância, e tolerância a falhas; as quais permitem concluir que os processadores futuros de SCF devem ter essas características. A tese mostra que esses quesitos podem ser incluídos em sistemas embarcados com características multicore dedicados a aplicações e necessidades de sistemas SCF. Cyber-physical Systems (CPS) are systems where there is an union between computing and physics. The CPS will be used in several areas, forming a new era of systems or devices and could be anywhere, being used by anyone and anything. Applications for CPS include highly reliable medical systems and devices, traffic control and security, advanced automotive, process control, energy conservation, environmental control, aviation, instrumentation, control of critical infrastructure, defense systems, manufacturing, and smart structures. So, CPS scenario needs requirements design of embedded systems, composed by processors with new features in addition to I/O processing, power consumption, and communication. Then, the future of processor architectures should also have security, fault tolerance, architectural adaptation and flexibility to various and different scenarios. In this context, in this thesis, it is proposed a modular architecture to multicore processor (AMM) to use in the CPS. It is composed by multicore processors, dedicated hardware or both. Thus, in this thesis, we have proposed one processor architecture and we have done verification based on simulations using Modelsim software and simulation tools for integrated circuits, and we have running applications programs to demonstrate the main features of the AMM architecture. We also show a prototype of AMM using FPGA as well as implementation data such as FPGA usage and resources in silicon area. It is also presented an ASIC prototype of AMM core. The prototype architecture of the AMM was analyzed with critical applications which are used in CPS, such as security, redundancy and fault tolerance, and these tests suggest that the future CPS processors must have those characteristics. Thus, the thesis shows that these aspects can be included in embedded systems with dedicated features to multicore applications and systems used in CPS.

Uma câmera pan-tilt é capaz de se movimentar em torno de dois eixos de rotação (pan e tilt), permitindo que sua lente possa ser apontada para um ponto qualquer no espaço. Uma aplicação possível dessa câmera é mantê-la apontada para um determinado alvo em movimento, através de posicionamentos angulares pan e tilt adequados. Este trabalho apresenta uma técnica de controle servo visual, em que, inicialmente, as imagens capturadas pela câmera são utilizadas para determinar a posição do alvo. Em seguida, calculam-se as rotações necessárias para manter a projeção do alvo no centro da imagem, em um sistema em tempo real e malha fechada. A técnica de rastreamento visual desenvolvida se baseia em comparação de uma região de referência, utilizando a soma dos quadrados das diferenças (SSD) como critério de correspondência. Sobre essa técnica, é adicionada uma extensão baseada no princípio de estimação incremental e, em seguida, o algoritmo é mais uma vez modificado através do princípio de estimação em multiresolução. Para cada uma das três configurações, são realizados testes para comparar suas performances. O sistema é modelado através do princípio de fluxo óptico e dois controladores são apresentados para realimentar o sistema: um proporcional integral (PI) e um proporcional com estimação de perturbações externas através de um filtro de Kalman (LQG). Ambos são calculados utilizando um critério linear quadrático e os desempenhos deles também são analisados comparativamente. A pan-tilt camera can move around two rotational axes (pan and tilt), allowing its lens to be pointed to any point in space. A possible application of the camera is to keep it pointed to a certain moving target, through appropriate angular pan-tilt positioning. This work presents a visual servoing technique, which uses first the images captured by the camera to determinate the target position. Then the method calculates the proper rotations to keep the target position in image center, establishing a real-time and closed-loop system. The developed visual tracking technique is based on template region matching, and makes use of the sum of squared differences (SSD) as similarity criterion. An extension based on incremental estimation principle is added to the technique, and then the algorithm is modified again by multiresolution estimation method. Experimental results allow a performance comparison between the three configurations. The system is modeled through optical flow principle and this work presents two controllers to accomplish the system feedback: a proportional integral (PI) and a proportional with external disturbances estimation by a Kalman filter (LQG). Both are determined using a linear quadratic method and their performances are also analyzed comparatively.

O problema de navegação de robôs móveis tem sido estudado ao longo de vários anos, com o objetivo de se construir um robô com elevado grau de autonomia. O aumento da autonomia de um robô móvel está relacionado com a capacidade de aquisição de informações e com a automatização de tarefas, tal como a construção de mapas de ambiente. Sistemas de visão são amplamente utilizados em tarefas de robôs autônomos devido a grande quantidade de informação contida em uma imagem. Além disso, sensores omnidirecionais catadióptricos permitem ainda a obtenção de informação visual em uma imagem de 360º, dispensando o movimento da câmera em direções de interesse para a tarefa do robô. Mapas de ambiente podem ser construídos para a implementação de estratégias de navegações mais autônomas. Nesse trabalho desenvolveu-se uma metodologia para a construção de mapas para navegação, os quais são a representação da geometria do ambiente. Contém a informação adquirida por um sensor catadióptrico omnidirecional estéreo, construído por uma câmera e um espelho hiperbólico. Para a construção de mapas, os processos de alinhamento, correspondência e integração, são efetuados utilizando-se métricas de diferença angular e de distância entre os pontos. A partir da fusão dos mapas locais cria-se um mapa global do ambiente. O processo aqui desenvolvido para a construção do mapa global permite a adequação de algoritmos de planejamento de trajetória, estimativa de espaço livre e auto-localização, de maneira a obter uma navegação autônoma. The problem of mobile robot navigation has been studied for many years, aiming at build a robot with an high degree of autonomy. The increase in autonomy of a mobile robot is related to its capacity of acquisition of information and the “automation" of tasks, such as the environment map building. In this aspect vision has been widely used due to the great amount of information in an image. Besides that catadioptric omnidirectional sensors allow to get visual information in a 360o image, discharging the need of camera movement in directions of interest for the robot task. Environment maps may be built for an implementation of strategies of more autonomous navigations. In this work a methodology is developed for building maps for robot navigations, which are the representation of the environment geometry. The map contains the information received by a stereo omnidirectional catadioptric sensor built by a camera and a hyperbolic mirror. For the map building, the processes of alignment, registration and integration are performed using metric of angular difference and distance between the points. From the fusion of local maps a global map of the environment is created. The method developed in this work for global map building allows to be coupled with algorithms of path planning, self-location and free space estimation, so that autonomous robot navigation can be obtained.

Robôs móveis autônomos dependem da informação obtida de seus sensores para processos de tomada de decisão durante a realização de suas tarefas. A utilização de sistemas de visão permite a aquisição de um grande volume de dados sobre o ambiente no qual o robô se encontra. Particularmente, um sistema de visão omnidirecional é capaz de fornecer informações sobre todo o espaço ao redor do robô numa única imagem. Através do processamento de um par ou mais de imagens omnidirecionais pode-se obter as distâncias entre o robô e os objetos no seu ambiente de trabalho. Devido às incertezas inerentes a qualquer sensoriamento, um modelo probabilístico do mesmo faz-se necessário para que a informação sensorial adquirida possa ser utilizada para os processos de decisão internos do robô durante a execução de sua tarefa. Assim, tendo como único sensor um sistema de visão estéreo omnidirecional utilizado como fonte de informação para uma representação estocástica espacial do ambiente, conhecida como Grades de Evidência, o robô é capaz de determinar a probabilidade da ocupação dos espaços ao seu redor e assim navegar autonomamente no ambiente. Este artigo mostra um algoritmo estéreo com imagens omnidirecionais e um modelo do sistema de visão estéreo omnidirecional para atualização das Grades de Evidência. Este é a primeira etapa de um trabalho que visa a realização de tarefas de navegação e exploração de ambientes desconhecidos e não-estruturados tendo como base de conhecimento para o robô um modelo probabilístico baseado nas Grades de Evidência. Autonomous mobile robots depend on information acquired with its sensors to make decisions during its task. The use of vision systems provide a large amount of data about the environment in which the robot is. Particularly, an omnidirectional vision systems provide information in all directions of the environment to the robot with just one image. Through the processing of a pair of omnidirectional images it is possible to obtain the distances between the robot and the objects in its work environment. Because of the uncertainty of all sensors, a probabilistic model is necessary so that the information acquired could be used in decision make processes. Having just an omnidirectional stereovision system as a source of information to an stochastic representation of the environment, known as Evidence Grids, the robot can determine the probability of occupation of the space in the environment and navigate autonomously. This article shows a stereo algorithm and a model of the omnidirectional stereovision system to update the Evidence Grid. This is the beginning of a work that have as objective make navigation and exploration of unknown and unstructured environment having as knowledge base a probabilistic model as Evidence Grids.

Sistemas de visão omnidirecional produzem imagens de 360º do ambiente podendo ser utilizados em navegação, tele-operação e controle servo visual de robôs. Este tipo de sistema dispensa o movimento da câmera para determinada direção de atenção mas requer processamento não convencional da imagem, uma vez que a imagem adquirida se encontra mapeada em coordenadas polares não lineares. Uma maneira efetiva de se obter uma imagem em um sistema omnidirecional é com o uso combinado de lentes e espelhos. Várias formas de espelhos convexos podem ser utilizadas montando-se uma câmera com o seu eixo óptico alinhado com o centro do espelho. Dentre as formas usadas, tem-se os cônicos, parabólicos, hiperbólicos e esféricos. Neste trabalho foi implementado um sistema de visão omnidirecional utilizando um espelho hiperbólico. Este sistema de visão desenvolvido é embarcado em um robô móvel e aplicado em uma tarefa de controle. A tarefa de controle de interesse neste trabalho é a de fazer com que o robô mantenha uma distância constante de um determinado alvo móvel. Esta tarefa é realizada com a realimentação em tempo real de informações visuais do alvo obtidas pelo sistema de visão para controle do robô utilizando uma abordagem de controle servo visual. Omnidirectional vision systems can get images with a 360-degree of field of view. This type of system is very well suited for tasks such as robotic navigation, tele-operation and visual servoing. Such systems do not require the movement of the camera to the direction of attention of the robot. On the other hand, it requires a non-conventional image processing as the image captured by this vision system is mapped on a non-linear polar coordinate system. One effective way to obtain an image in an omnidirectional system is through the use of lenses and mirrors. Several different shapes of convex mirrors can be used, mounting the center of the mirror aligned with the camera optical axis. The most commonly used mirror shapes are conic, parabolic, hyperbolic and spherical. In this work a hyperbolical mirror was used to build an omnidirectional vision system. This system was mounted on a mobile robot and used in a control task. The task of interest here is the tracking in real time of a moving target keeping the distance between the robot and the target constant. This task is accomplished with data acquisition from the omnidirectional vision system, that is used as feedback to control the mobile robot in a visual servo approach.

Projetar máquinas capazes identificar pessoas é um problema cuja solução encontra uma grande quantidade de aplicações. Implementações em software de sistemas baseados em medições de características físicas pessoais (biométricos), estão começando a ser produzidos em escala comercial. Nesta categoria estão os sistemas de Reconhecimento Automático de Locutor, que se usam da voz como característica identificadora. No presente momento, os métodos mais populares são baseados na extração de coeficientes mel-cepstrais (MFCCs) das locuções, seguidos da identificação do locutor através de Hidden Markov Models (HMMs), Gaussian Mixture Models (GMMs) ou quantização vetorial. Esta preferência se justifica pela qualidade dos resultados obtidos. Fazer com que estes sistemas sejam robustos, mantendo sua eficiência em ambientes ruidosos, é uma das grandes questões atuais. Igualmente relevantes são os problemas relativos à degradação de performance em aplicações envolvendo um grande número de locutores, e a possibilidade de fraude baseada em vozes gravadas. Outro ponto importante é embarcar estes sistemas como sub-sistemas de equipamentos já existentes, tornando-os capazes de funcionar de acordo com o seu operador. Este trabalho expõe os conceitos e algoritmos envolvidos na implementação de um software de Reconhecimento Automático de Locutor independente de texto. Inicialmente é tratado o processamento dos sinais de voz e a extração dos atributos essenciais deste sinal para o reconhecimento. Após isto, é descrita a forma pela qual a voz de cada locutor é modelada através de uma rede neural de arquitetura Self-Organizing Map (SOM) e o método de comparação entre as respostas dos modelos quando apresentada uma locução de um locutor desconhecido. Por fim, são apresentados o processo de construção do corpus de vozes usado para o treinamento e teste dos modelos, as arquiteturas de redes testadas e os resultados experimentais obtidos numa tarefa de identificação de locutor. The design of machines that can identify people is a problem whose solution has a wide range of applications. Software systems, based on personal phisical attributes measurements (biometrics), are in the beginning of commercial scale production. Automatic Speaker Recognition systems fall into this cathegory, using voice as the identifying attribute. At present, the most popular methods are based on the extraction of mel-frequency cepstral coefficients (MFCCs), followed by speaker identification by Hidden Markov Models (HMMs), Gaussian Mixture Models (GMMs) or vector quantization. This preference is motivated by the quality of the results obtained by the use of these methods. Making these systems robust, able to keep themselves efficient in noisy environments, is now a major concern. Just as relevant are the problems related to performance degradation in applications with a large number of speakers involved, and the issues related to the possibility of fraud by the use of recorded voices. Another important subject is to embed these systems as sub-systems of existing devices, enabling them to work according to the operator. This work presents the relevant concepts and algorithms concerning the implementation of a text-independent Automatic Speaker Recognition software system. First, the voice signal processing and the extraction of its essential features for recognition are treated. After this, it is described the way each speaker\'s voice is represented by a Self-Organizing Map (SOM) neural network, and the comparison method of the models responses when a new utterance from an unknown speaker is presented. At last, it is described the construction of the speech corpus used for training and testing the models, the neural network architectures tested, and the experimental results obtained in a speaker identification task.

Quando um robô autônomo tenta resolver as tarefas de navegação dentro de um ambiente real interno usando relações qualitativas, vários problemas aparecem tais como observação parcial do ambiente e percepção incerta. Isso ocorre porque os sensores do robô não proporcionam informação suficiente para perceber completamente as situações do ambiente, além de incorporarem ruído no processo. A web semântica dota o robô autônomo com a habilidade de obter conhecimento de senso comum extraído da web, conhecimento este que os sensores do robô não podem proporcionar. Porém, nem sempre é fácil levar efetivamente estes recursos semânticos da web ao uso prático. Neste trabalho, foi examinado o uso de recursos semânticos da web na navegação robótica; mais especificamente, em uma navegação qualitativa onde o raciocínio incerto desempenha um papel significativo. Nós avaliamos o uso de uma representação relacional; particularmente, na combinação da informação semântica web e dos dados de baixo nível proporcionados pelos sensores, permitindo uma descrição de objetos e das relações entre os mesmos. Esta representação também permite o uso de abstração e generalização das situações do ambiente. Este trabalho propõe a arquitetura Web-based Relational Robotic Architecture (WRRA )para navegação robótica que combina os dados de baixo nível dos sensores do robô e os recursos web semânticos existentes baseados em lógica descritiva probabilística, como aprendizagem e planejamento relacional probabilístico. Neste trabalho, mostramos os benefícios desta arquitetura em um robô simulado, apresentando um estudo de caso sobre como os recursos semânticos podem ser usados para lidar com a incerteza da localização e o mapeamento em um problema prático. When an autonomous robot attempts to solve navigation tasks in a qualitative relational way within a real indoor environments, several problems appear such as partial observation of the environment, and uncertain perception, since the robots sensors do not provide enough information to perceive completely the environment situations, besides the sensors incorporate noise in the process. The semantic web information endows the autonomous robot with the ability to obtain common sense knowledge from the web that the robot\'s sensors cannot provide. However, it is not always easy to effectively bring these semantic web resources into practical use. In this work, we examine the use of semantic web resources in robot navigation; more specifically, in qualitative navigation where uncertain reasoning plays a significant role. We evaluate the use of a relational representation; particularly, in the combination of the semantic web and the low-level data sensor information, which allows a description of relationships among objects. This representation also allows the use of abstraction and generalization of the environment situations. This work proposes the framework Web-based Relational Robotic Architecture WRRA for robot navigation that connects the low-level data from robot\'s sensors and existing semantic web resources based on probabilistic description logics, with probabilistic relational learning and planning. We show the benefits of this framework in a simulated robot, presenting a case study on how semantic web resources can be used to face location and mapping uncertain in a practical problem.

O contínuo aumento da complexidade no controle de sistemas robóticos, bem como a aplicação de grupos de robôs auxiliando ou substituindo seres humanos em atividades críticas tem gerado uma importante demanda por soluções mais robustas, flexíveis, e eficientes. O desenvolvimento convencional de algoritmos especializados, constituídos de sistemas baseados em regras e de autômatos usados para coordenar estes conjuntos físicos em um ambiente dinâmico é um desafio extremamente complexo. Diversos modelos de desenvolvimento existem, entretanto, muitos desafios da área da robótica móvel autônoma continuam em aberto. Esta tese se insere no contexto da busca por soluções inteligentes a serem aplicadas em robôs móveis autônomos com o objetivo de permitir a operação destes em ambientes dinâmicos. Buscamos, com a investigação e aplicação de estratégias inteligentes por meio de aprendizado de máquina no funcionamento dos robôs, a proposta de soluções originais que permitam uma nova visão sobre a operação de robôs móveis em três dos desafios da área da robótica móvel autônoma, que são: localização, navegação e operações com grupos de robôs. As pesquisas sobre localização e coordenação de grupos apresentam investigação e propostas originais, buscando estender o estado da arte, onde apresentam resultados inovadores. A parte sobre navegação tem como objetivo principal ser um elo entre os conceitos de localização e coordenação de grupos, sendo o foco o desenvolvimento de um veículo autônomo com maior implicação em avanços técnicos. Relacionado com a coordenação de grupos de robôs, fizemos a escolha de trabalhar sobre uma aplicação modelada como o problema de combate a incêndios florestais. Buscamos desenvolver um ambiente de simulação realístico, onde foram avaliadas quatro técnicas para busca de iii estratégias de formação do grupo: Algoritmos Genéticos, Otimização por Enxame de Partículas, Hill Climbing e (iv) Simulated Annealing. Com base nas diversas avaliações realizadas pudemos mostrar quais das técnicas e conjuntos de parâmetros permitem a obtenção de resultados mais acurados que os demais. Além disso, mostramos como uma heurística baseada em populações anteriores pode auxiliar na tolerância a falhas da operação. Relacionado com a tarefa de navegação, apresentamos o desenvolvimento de um veículo autônomo de grande porte funcional para ambientes externos. Buscamos aperfeiçoar uma arquitetura para navegação autônoma, baseada em visão monocular e com capacidade de seguir pontos esparsos de GPS. Mostramos como a simulação e os usos de robôs de pequeno porte auxiliaram no desenvolvimento do veículo de grande porte e apresentamos como as redes neurais podem ser aplicadas nos modelos de navegação autônoma. Na investigação sobre localização, mostramos um método utilizando informação obtida de redes sem fio para prover informação de localização para robôs móveis. As informações obtidas da rede sem fio são utilizadas para aprendizado da posição de um robô móvel por meio de uma rede neural. Diversas avaliações foram realizadas buscando entender o comportamento do sistema com diferentes números de pontos de acesso, com uso de filtros, com diferentes topologias. Os resultados mostram que o modelo usando redes sem fio pode ser um possível método prático e barato para localização de robôs móveis. Esta tese aborda temas relevantes e propostas originais relacionadas com os objetivos propostos, apresentando métodos que provenham autonomia na coordenação de grupos e nas atividades individuais dos mesmos. A busca por altos graus de eficiência na resolução de tarefas em ambientes dinâmicos ainda é um campo que carece de soluções e de um aprofundamento nas pesquisas. Sendo assim, esta pesquisa buscou agregar diversos avanços científicos na área de pesquisa de robôs móveis autônomos e coordenação de grupos, por meio da aplicação de estratégias inteligentes The constant increasing of the complexity in the control of robotic systems, as well as the application of groups of robots assisting or replacing human beings in critical activities has generated a significant demand for more robust, flexible and efficient solutions. The conventional development of specialized algorithms consisted of rule-based systems and automatas, used to coordinate these physical sets in a dynamic environment is an extremely complex challenge. Although several models of development of robotic issues are currently in use, many challenges in the area remain open. This thesis is related to the search for intelligent strategies to be applied in autonomous mobile robots in order to allow practical operations in dynamic environments. We seek, with the investigation of intelligent strategies by means of the use of machine learning in the robots, to propose original solutions to allow contributions in three challenges of the robotic research area: localization, navigation and coordination of groups of robots. The investigations about localization and groups of robots show novel and original proposals, where we sought to extend the state of the art. The navigation part has as its major objective to be a link between the subjects of localization and navigation, being its aim to help the deployment of a autonomous vehicle implying in greater technical advances. Related to the robotic group coordination, we have made the choice to work on an application modeled as a wildfire combat operation. We have developed a simulation environment in which we have evaluated four techniques to obtain strategies for the group formation: genetic algorithms, particle swarm optimization, hill climbing and simulated annealing. The v results showed that we can have very different accuracy with different techniques and sets of parameters. Furthermore, we show how a heuristic based on the use of past populations can assist in fault tolerant operation. Related to the autonomous navigation task, we present the development of a large autonomous vehicle capable of operating in outdoor environments. We sought to optimize an architecture for autonomous navigation based on monocular vision and with the ability to follow scattered points of GPS.We show how the use of simulation and small robots could assist in the development of large vehicle. Furthermore, we show how neural networks can be applied as a controller to autonomous navigation systems. In the investigation about localization, we presented a method using wireless networks to provide information about localization to mobile robots. The information gathered by the wireless network is used as input in an artificial neural network which learns the position of the robot. Several evaluations were carried out in order to understand the behavior of the proposed system, as using different topologies, different numbers of access points and the use of filters. Results showed that the proposed system, using wireless networks and neural networks, may be a useful and easy to use solution for localization of mobile robots. This thesis has addressed original and relevant topics related to the proposed objectives, showing methods to allow degrees of autonomy in robotic operations. The search for higher degrees of efficiency in tasks solving in dynamic environments is still a field that lacks solutions. Therefore, this study sought to add several scientific contributions in the autonomous mobile robots research area and coordination of groups, by means of the application of intelligent strategies

As redes de sensores sem fio (RSSF) são uma tecnologia que ganhou muita importância nos últimos anos. Dentro das diversas aplicações para essas redes, o rastreamento de alvos é considerado essencial. Nessa aplicação, a RSSF deve determinar, de forma colaborativa, a trajetória de um ou mais alvos que se encontrem dentro de sua área de cobertura. O presente trabalho apresenta um algoritmo colaborativo baseado na fatoração multifrontal QR para estimação de trajetórias de alvos com RSSF. A solução proposta está inserida no âmbito da estimação por lotes, na qual os dados são coletados pelos sensores durante a aplicação e só no final é realizada a estimativa da trajetória do alvo. Uma vez coletados os dados, o problema pode ser modelado como um sistema de equações sobredeterminado Ax = b cuja característica principal é ser esparso. A solução desse sistema é dada mediante o método de mínimos quadrados, no qual o sistema é transformado num sistema triangular superior, que é solucionado mediante substituição inversa. A fatoração multifrontal QR é ideal neste contexto devido à natureza esparsa da matriz principal do sistema. A fatoração multifrontal QR utiliza um grafo denominado árvore de eliminação para dividir o processo de fatoração de uma matriz esparsa em fatorações densas de pequenas submatrizes denominadas matrizes frontais. Mapeando a árvore de eliminação na RSSF consegue-se que essas fatorações densas sejam executadas pelos nós sensoriais que detectaram o alvo durante seu trajeto pela rede. Dessa maneira, o algoritmo consegue realizar a fatoração da matriz principal do problema de forma colaborativa, dividindo essa tarefa em pequenas tarefas que os nós de sensoriais da rede possam realizar. Wireless Sensor Networks (WSN) is a technology that have gained a lot of importance in the last few years. From all the possible applications for WSN, target tracking is considered essential. In this application, the WSN has to determine, in a collaborative way, the trajectory of one or more targets that are within the sensing area of the network. The aim of this document is to present a collaborative algorithm based on multifrontal QR factorization for the solution of the target trajectory estimation problem with WSN. This algorithm uses a batch estimation approach, which assumes that all sensing data are available before the estimation of the target trajectory. If all the observations of the target trajectory is available, the problem can be modeled as an overdetermined system of equations Ax = b where A is sparse. This system of equations is solved by least squares method. The multifrontal QR factorization uses a tree graph called elimination tree to reorganize the overall factorization of a sparse matrix into a sequence of partial factorizations of dense smaller matrices named frontal matrices. By mapping the elimination tree into the WSN, the sensor nodes that observed the target can factorize the frontal matrices. In this manner, the WSN factorizes the matrix A in a collaborative way, dividing the work in small tasks that the sensor nodes could execute.

A maior parte dos mapas empregados em tarefas de navegação por robôs móveis representam apenas informações espaciais do ambiente. Outros tipos de informações, que poderiam ser obtidos dos sensores do robô e incorporados à representação, são desprezados. Hoje em dia é comum um robô móvel conter sensores de distância e um sistema de visão, o que permitiria a princípio usá-lo na realização de tarefas complexas e gerais de maneira autônoma, dada uma representação adequada e um meio de extrair diretamente dos sensores o conhecimento necessário. Uma representação possível nesse contexto consiste no acréscimo de informação semântica aos mapas métricos, como por exemplo a segmentação do ambiente seguida da rotulação de cada uma de suas partes. O presente trabalho propõe uma maneira de estruturar a informação espacial criando um mapa semântico do ambiente que representa, além de obstáculos, um vínculo entre estes e as imagens segmentadas correspondentes obtidas por um sistema de visão omnidirecional. A representação é implementada por uma descrição relacional do domínio, que quando instanciada gera um campo aleatório condicionado, onde são realizadas as inferências. Modelos que combinam probabilidade e lógica de primeira ordem são mais expressivos e adequados para estruturar informações espaciais em semânticas. Most maps used in navigational tasks by mobile robots represent only environmental spatial information. Other kinds of information, that might be obtained from the sensors of the robot and incorporated in the representation, are negleted. Nowadays it is common for mobile robots to have distance sensors and a vision system, which could in principle be used to accomplish complex and general tasks in an autonomously manner, given an adequate representation and a way to extract directly from the sensors the necessary knowledge. A possible representation in this context consists of the addition of semantic information to metric maps, as for example the environment segmentation followed by an attribution of labels to them. This work proposes a way to structure the spatial information in order to create a semantic map representing, beyond obstacles, an anchoring between them and the correspondent segmented images obtained by an omnidirectional vision system. The representation is implemented by a domains relational description that, when instantiated, produces a conditional random field, which supports the inferences. Models that combine probability and firstorder logic are more expressive and adequate to structure spatial in semantic information.

O problema da localização e mapeamento simultâneos, conhecido como problema do SLAM, é um dos maiores desafios que a robótica móvel autônoma enfrenta atualmente. Esse problema surge devido à dificuldade que um robô apresenta ao navegar por um ambiente desconhecido, construindo um mapa das regiões por onde já passou ao mesmo tempo em que se localiza dentro dele. O acúmulo de erros gerados pela imprecisão dos sensores utilizados para estimar os estados de localização e mapeamento impede que sejam obtidos resultados confiáveis após períodos de navegação suficientemente longos. Algoritmos de SLAM procuram eliminar esses erros resolvendo ambos os problemas simultaneamente, utilizando as informações de uma etapa para aumentar a precisão dos resultados alcançados na outra e viceversa. Uma das maneiras de se alcançar isso se baseia no estabelecimento de marcos no ambiente que o robô pode utilizar como pontos de referência para se localizar conforme navega. Esse trabalho apresenta uma solução para o problema do SLAM que faz uso de um sensor de visão omnidirecional para estabelecer esses marcos. O uso de sistemas de visão permite a extração de marcos naturais ao ambiente que podem ser correspondidos de maneira robusta sob diferentes pontos de vista. A visão omnidirecional amplia o campo de visão do robô e com isso aumenta a quantidade de marcos observados a cada instante. Ao ser detectado o marco é adicionado ao mapa que robô possui do ambiente e, ao ser reconhecido, o robô pode utilizar essa informação para refinar suas estimativas de localização e mapeamento, eliminando os erros acumulados e conseguindo mantê-las precisas mesmo após longos períodos de navegação. Essa solução foi testada em situações reais de navegação, e os resultados mostram uma melhora significativa nos resultados alcançados em relação àqueles obtidos com a utilização direta das informações coletadas. The problem of simultaneous localization and mapping, known as the problem of SLAM, is one of the greatest obstacles that the field of autonomous robotics faces nowadays. This problem is related to a robots ability to navigate through an unknown environment, constructing a map of the regions it has already visited at the same time as localizing itself on this map. The imprecision inherent to the sensors used to collect information generates errors that accumulate over time, not allowing for a precise estimation of localization and mapping when used directly. SLAM algorithms try to eliminate these errors by taking advantage of their mutual dependence and solving both problems simultaneously, using the results of one step to refine the estimatives of the other. One possible way to achieve this is the establishment of landmarks in the environment that the robot can use as points of reference to localize itself while it navigates. This work presents a solution to the problem of SLAM using an omnidirectional vision system to detect these landmarks. The choice of visual sensors allows for the extraction of natural landmarks and robust matching under different points of view, as the robot moves through the environment. The omnidirectional vision amplifies the field of vision of the robot, increasing the number of landmarks observed at each instant. The detected landmarks are added to the map, and when they are later recognized they generate information that the robot can use to refine its estimatives of localization and mapping, eliminating accumulated errors and keeping them precise even after long periods of navigation. This solution has been tested in real navigational situations and the results show a substantial improvement in the results compared to those obtained through the direct use of the information collected.

Este trabalho apresenta uma arquitetura de hardware, baseada em FPGA (Field-Programmable Gate Array) e com multi-câmeras, para o problema de localização e mapeamento simultâneos - SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) aplicada a sistemas robóticos embarcados. A arquitetura é composta por módulos de hardware altamente especializados para a localização do robô e para geração do mapa do ambiente de navegação em tempo real com features extraídas de imagens obtidas diretamente de câmeras CMOS a uma velocidade de 30 frames por segundo. O sistema é totalmente embarcado em FPGA e apresenta desempenho superior em, pelo menos, uma ordem de magnitude em relaçãoo às implementações em software processadas por computadores pessoais de última geração. Esse desempenho deve-se à exploração do paralelismo em hardware junto com o processamento em pipeline e às otimizações realizadas nos algoritmos. As principais contribuições deste trabalho são as arquiteturas para o filtro de Kalman estendido - EKF (Extended Kalman Filter) e para a detecção de features baseada no algoritmo SIFT (Scale Invariant Feature Transform). A complexidade para a implementaçãoo deste trabalho pode ser considerada alta, uma vez que envolve uma grande quantidade de operações aritméticas e trigonométricas em ponto utuante e ponto fixo, um intenso processamento de imagens para extração de features e verificação de sua estabilidade e o desenvolvimento de um sistema de aquisição de imagens para quatro câmeras CMOS em tempo real. Adicionalmente, foram criadas interfaces de comunicação para o software e o hardware embarcados no FPGA e para o controle e leitura dos sensores do robô móvel. Além dos detalhes e resultados da implementação, neste trabalho são apresentados os conceitos básicos de mapeamento e o estado da arte dos algoritmos SLAM com visão monocular e estéreo This work presents a hardware architecture for the Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) problem applied to embedded robots. This architecture, which is based on FPGA and multi-cameras, is composed by highly specialized blocks for robot localization and feature-based map building in real time from images read directly from CMOS cameras at 30 frames per second. The system is completely embedded on an FPGA and its performance is at least one order of magnitude better than a high end PC-based implementation. This result is achieved by investigating the impact of several hardwareorientated optimizations on performance and by exploiting hardware parallelism along with pipeline processing. The main contributions of this work are the architectures for the Extended Kalman Filter (EKF) and for the feature detection system based on the SIFT (Scale Invariant Feature Transform). The complexity to implement this work can be considered high, as it involves a significant number of arithmetic and trigonometric operations in oating and fixed-point format, an intensive image processing for feature detection and stability checking, and the development of an image acquisition system from four CMOS cameras in real time. In addition, communication interfaces were created to integrate software and hardware embedded on FPGA and to control the mobile robot base and to read its sensors. Finally, besides the implementation details and the results, this work also presents basic concepts about mapping and state-of-the-art algorithms for SLAM with monocular and stereo vision.

Avanços positivos nas pesquisas em veículos agrícolas autônomos (VAA\'s) e de robôs agrícolas móveis (RAM\'s) têm sido conquistados nos últimos anos. Entretanto, um número limitado de trabalhos tem proposto sistemas robustos baseados em arquiteturas robóticas capazes de realizar operações múltiplas e idependentes, bem como adaptar-se às mudanças ambientais no campo. Por outro lado, em outras áreas de pesquisa, um número representativo de arquiteturas baseadas em comportamentos tem sido proposto para guiagem e para navegação autônomas de robôs móveis em ambientes não estruturados e/ou não explorados. No presente trabalho, uma arquitetura robótica baseada em comportamentos é desenvolvida para guiagem e navegação de RAM\'s e VAA\'s. Regras difusas são utilizadas para compor e coordenar comportamentos primitivos e comportamentos complexos. O desenvolvimento inclui: a implementação e a simulação da arquitetura em um mini-robô; a avaliação e a caracterização de sensores para o módulo perceptivo da arquitetura; e a aplicação de um método de análise baseado em um modelo matemático para auxiliar a composição de uma rede de comunicação digital baseada no protocolo CAN para sistemas de controle robóticos. Experimentos foram realizados para avaliar os comportamentos implementados e para avaliar a capacidade de operação da plataforma robótica em um ambiente agrícola simulado. Os resultados mostraram a viabilidade da abordagem proposta. A modularidade da arquitetura com a utilização de controladores difusos descentralizados simplificou a implementação da arquitetura. O processo de arbitragem difuso mostrou-se um método simples e viável para implementar a coordenação de comportamentos e para compor comportamentos complexos. A avaliação e caracterização de sensores, em especial de um sensor ultrassônico, permitiram a determinação de condições operacionais para a utilização desses sensores em VAA\'s ou em RAM\'s. A aplicação do modelo matemático para a rede permitiu a análise de desempenho da rede CAN para diferentes equipamentos e sob diferentes parâmetros de configuração para aplicação em um RAM. Positive advances on AVV (Agricultural Autonomous Vehicle) and MAR (Mobile Agricultural Robot) research are noticed in recent years. However, a limited number of works have proposed reliable systems based on a robotic architectures that are able to perform multiple and independent operations, as well as to self-adapt under changing environmental conditions in the field. In other hand, in other research areas a considerable number of behavior-based architectures have been proposed for mobile robot for autonomous guidance and navigation in unstructured and/or in unexplored environments. At this work, a robotic behavior-based architecture is developed for guidance and navigation of AAV and MAR. Fuzzy rules are used to compose and coordinate the primitive and the complex behaviors. The development includes: the implementation and the simulation of the proposed architecture on a mini-robot; the evaluation and characterization of sensors for the perceptive module of the architecture; and the application of an analysis method based on a mathematical model to assist the composition of a digital communication networks based on the CAN protocol for robot control systems. Experiments have been performed to evaluate the implemented behaviors and to evaluate the operation ability of the robotic platform on a simulated agricultural environment. The results show the feasibility of the proposed approach. The modularity of the architecture by using decentralized fuzzy controllers simplifies the implementation of the robotic architecture. The fuzzy arbitration process is an easy and a feasible method to implement the behavior coordination and to compose complex behaviors. The sensors evaluation and characterization, in particular of an ultrasonic sensor, have allowed establishing operational conditions for using them in AAV or in a MAR. The application of the network mathematical model has allowed the performance analysis of the CAN-based networks under differentiated equipment and configuration parameters for applications in a MAR.

Neste trabalho, o equacionamento dinâmico de um manipulador espacial de base livre flutuante é descrito a partir do conceito do manipulador dinamicamente equivalente para que as técnicas de controle desenvolvidas sejam experimentalmente validadas em um manipulador convencional de base fixa. Dois tipos de controle de movimento são considerados. O primeiro foi desenvolvido no espaço das juntas e realiza o comando direto de posicionamento das juntas do manipulador; o segundo foi desenvolvido no espaço inercial e o controle é direcionado para o posicionamento do efetuador no espaço Cartesiano. Nos dois casos, o problema de acompanhamento de trajetória de um manipulador espacial com base livre flutuante sujeito a incertezas na planta e perturbações externas é proposto e solucionado sob o ponto de vista do critério de desempenho H \'INFINITO\'. Considerando métodos de controle para sistemas subatuados, três técnicas adaptativas foram desenvolvidas a partir de um controlador H \'INFINITO\' não-linear baseado na teoria dos jogos. A primeira técnica foi proposta considerando a estrutura do modelo bem definida, porém calculada com base em parâmetros incertos. Uma lei adaptativa foi aplicada para estimar esses parâmetros utilizando parametrização linear. Redes neurais artificiais são aplicadas nas outras duas abordagens adaptativas. A primeira utiliza uma rede neural para aprender o comportamento dinâmico do sistema robótico, considerado totalmente desconhecido. Nenhum dado cinemático ou dinâmico da base é utilizado neste caso. A segunda abordagem considera a estrutura do modelo nominal do manipulador bem definida e a rede neural é aplicada para estimar o comportamento das incertezas paramétricas e da dinâmica não-modelada da base. O critério H \'INFINITO\' é aplicado nas três técnicas para atenuar o efeito dos erros de estimativa. Resultados experimentais foram obtidos com um robô manipulador de base fixa subatuado (UArmII) e apresentaram melhor desempenho no acompanhamento da trajetória e no consumo de energia para as abordagens baseadas em redes neurais. In the present work, the dynamics of a free-floating space manipulator is described through the dynamically equivalent manipulator approach in order to obtain experimental results in a planar fixed base manipulator. Control in joint and Cartesian spaces are considered. The first acts directly on joints positioning; the second control scheme acts on positioning the end-effector in some inertially fixed position. In both cases, the problem of tracking control with a guaranteed H-infinity performance for free-floating manipulator systems with plant uncertainties and external disturbances is proposed and solved. Considering control methods for underactuated systems, three adaptive techniques were developed from a nonlinear H-infinity controller based on game theory. The first approach was proposed considering a well defined structure for the plant, however it was computed based on uncertain parameters. An adaptive law was applied to estimate these parameters using linear parametrization. Artificial neural networks were applied in the two other approaches. The first one uses a neural network to learn the dynamic behavior from the robotic system, which is considered totally unknown. No kinematics or dynamics data from the spacecraft are necessary in this case. The second approach considers the nominal model structure well defined and the neural network is applied to estimate the behavior of the parametric uncertainties and of the spacecraft non-modeled dynamics. The H-infinity criterion was applied to attenuate the effect of estimation errors in the three techniques. Experimental results were obtained with an underactuated fixed-base planar manipulator (UArmII) and presented better performance in tracking and energy consumption for the neural based approaches.

Existem aplicações na área da robótica móvel em que, além da navegação autônoma do robô, é necessário que um usuário humano interaja no controle de navegação do robô. Neste caso, considerado como controle semi-autônomo, o usuário humano têm a possibilidade de alterar localmente a trajetória autônoma previamente planejada para o robô. Entretanto, o sistema de controle inteligente do robô, por meio de um módulo independente do usuário, continuamente evita colisões, mesmo que para isso os comandos do usuário precisem ser modificados. Esta abordagem cria um ambiente seguro para navegação que pode ser usado em cadeiras de rodas robotizadas e veículos robóticos tripulados onde a segurança do ser humano deve ser garantida. Um sistema de controle que possua estas características deve ser baseado numa arquitetura para robôs móveis adequada. Esta arquitetura deve integrar a entrada de comandos de um ser humano com a camada de controle autônomo do sistema que evita colisões com obstáculos estáticos e dinâmicos, e que conduz o robô em direção ao seu objetivo de navegação. Neste trabalho é proposta uma arquitetura de controle híbrida (deliberativa/reativa) para um robô móvel com interação humana. Esta arquitetura, desenvolvida principalmente para tarefas de navegação, permite que o robô seja operado em diferentes níveis de autonomia, possibilitando que um usuário humano compartilhe o controle do robô de forma segura enquanto o sistema de controle evita colisões. Nesta arquitetura, o plano de movimento do robô é representado por uma função de navegação. É proposto um método para combinar um comportamento deliberativo que executa o plano de movimento, com comportamentos reativos definidos no contexto de navegação, e com entradas contínuas de controle provenientes do usuário. O sistema de controle inteligente definido por meio da arquitetura foi implementado em uma cadeira de rodas robotizada. São apresentados alguns dos resultados obtidos por meio de experimentos realizados com o sistema de controle implementado operando em diferentes modos de autonomia. There are some applications in mobile robotics that require human user interaction besides the autonomous navigation control of the robot. For these applications, in a semi-autonomous control mode, the human user can locally modify the autonomous pre-planned robot trajectory by sending continuous commands to the robot. In this case, independently from the user\'s commands, the intelligent control system must continuously avoid collisions, modifying the user\'s commands if necessary. This approach creates a safety navigation system that can be used in robotic wheelchairs and manned robotic vehicles where the human safety must be guaranteed. A control system with those characteristics should be based on a suitable mobile robot architecture. This architecture must integrate the human user\'s commands with the autonomous control layer of the system which is responsible for avoiding static and dynamic obstacles and for driving the robot to its navigation goal. In this work we propose a hybrid (deliberative/reactive) mobile robot architecture with human interaction. This architecture was developed mainly for navigation tasks and allows the robot to be operated on different levels of autonomy. The user can share the robot control with the system while the system ensures the user and robot\'s safety. In this architecture, a navigation function is used for representing the robot\'s navigation plan. We propose a method for combining the deliberative behavior responsible for executing the navigation plan, with the reactive behaviors defined to be used while navigating, and with the continuous human user\'s inputs. The intelligent control system defined by the proposed architecture was implemented in a robotic wheelchair, and we present some experimental results of the chair operating on different autonomy modes.

Para ter uma aplicação real, um robô móvel deve poder desempenhar sua tarefa em ambientes desconhecidos. Uma arquitetura para robôs móveis que se adapte ao meio em que o robô se encontra é então desejável. Este trabalho apresenta uma arquitetura adaptativa para robôs móveis, de nome AAREACT, que aprende como coordenar comportamentos primitivos codificados por Campos Potenciais através de aprendizado por reforço. Cada comportamento utiliza a informação de apenas um tipo de sensor (visão, sonar ou odometria). O sensor de visão foi desenvolvido neste trabalho, e utiliza os tempos para colisão obtidos através da análise de seqüências de imagens para indicar a disposição dos objetos à frente do robô. A atuação da arquitetura proposta é comparada com a apresentada por uma arquitetura com coordenação fixa dos comportamentos, demonstrando melhor desempenho. Os resultados obtidos neste trabalho também apontam a alta capacidade de adaptação da arquitetura AAREACT. It is desirable that mobile robots applied to real world applications perform their operations in previously unknown environments. Thus, a mobile robot architecture capable of adaptation is very suitable. This work presents an adaptive architecture for mobile robots called AAREACT, that has the ability of learning how to coordinate primitive behaviors codified by the Potential Fields method through reinforcement learning. Each behavior uses the information of a single sensor (vision, sonar or odometer). This work also brings details about the vision sensor\'s development, which uses time-to-crash information in order to detect distances to frontal obstacles. The proposed architecture\'s actuation is compared to that showed by an architecture that performs a fixed coordination of its behaviors, and shows a better performance. The obtained results also suggest that AAREACT has good adaptation skills.