Robot Protection in the Hazardous Environments

Rescue missions for chemical, biological, radiological, nuclear, and explosive (CBRNE) incidents are highly risky and sometimes it is impossible for rescuers to perform, while these accidents vary dramatically in features and protection requirements. The purpose of this chapter is to present several protection approaches for rescue robots in the hazardous conditions. And four types of rescue robots are presented, respectively. First, design factors and challenges of the rescue robots are analyzed and indicated for these accidents. Then the rescue robots with protective modification are presented, respectively, meeting individual hazardous requirements. And finally several tests are conducted to validate the effectiveness of these modified robots. It is clear that these well-designed robots can work efficiently for the CBRNE response activities

Generalised sensor linearisation and calibration

The aim of this work was to conduct a survey of current sensor measurement technologies and investigate sensor linearisation, cahbration and compensation methods m order to determine the methods most suitable for generic embedded sensor implementation. The thesis contains a comprehensive survey of sensor technologies and their interfacing requirements as a prerequisite for determining modules required by the generic embedded sensor interface. Different linearisation and calibration techmques are investigated and the most promising techniques, curve fitting and progressive polynomial calibration method, are then examined in greater detail and simulations performed to compare their performance. The fundamental limitations and trade offs in design and implementation on the microprocessor of these methods are studied. The design of the compensation module is also presented and its implementation on the microprocessor m the form of the C code is described. All methods are tested and implemented on a PIC microcontroller as a part of linearisation, cahbration and compensation module of the generic embedded sensor interface

Development of methodologies for validating the quality of a novel fluid flow sensor

During the internship required for the Master's degree in Biomedical Engineering, conducted at Riedel Communications, a systematic review of the literature was developed in order to gain a greater understanding of methods for validating the quality of sensors, with a main focus on calibrations. A second assignment involved calibrating the fluid flow sensor (FFS) developed by Riedel. Throughout this dissertation, the work carried out during the internship will be described, as well as its background and objectives. Riedel Communications is developing a scientifically precise and high-quality system for acquiring 3D navigation data. The idea was born out of the need to obtain analytical data that better reflects the movement of a surfer relative to the water. A fluid flow sensor (FFS) is integrated into the system, and its implementation in hostile environments and measurement without interfering with an athlete's performance are the biggest challenges. In order to ensure consistency and reduce errors, all instruments should be calibrated to ensure they are performing in accordance with known standards. Based on the high consistency and repeatability of the experimental results, the fluid flow sensor displayed a high-quality performance. Therefore, the internship was a success because it served as a valuable resource for the company's work, and all activities were successfully completed.Durante o estágio do Mestrado em Engenharia Biomédica, realizado na Riedel Communications, foi desenvolvida uma revisão sistemática da literatura a fim de se obter uma maior compreensão dos métodos de validação da qualidade de sensores, sendo que a calibração foi o foco principal. Num segundo trabalho, procedeu-se exatamente à calibração do sensor de fluxo desenvolvido pela Riedel. Ao longo deste relatório, será descrito o trabalho realizado durante o estágio, bem como os seus objetivos. A Riedel Communications está a desenvolver um sistema cientificamente preciso e de alta qualidade para a aquisição de dados de navegação 3D. A ideia nasceu da necessidade de obter dados analíticos que reflitam melhor o movimento de um surfista em relação à água. Um sensor de fluxo de fluido (FFS) está integrado no sistema, e a sua implementação em ambientes hostis e medição sem interferir com o desempenho de um atleta são os maiores desafios. A fim de assegurar a consistência e reduzir erros, todos os instrumentos devem ser calibrados para garantir que o seu desempenho está de acordo com as normas conhecidas. Com base na elevada consistência e repetibilidade dos resultados das experiências efetuadas, pode-se dizer que o sensor de fluxo de fluido apresentou um desempenho de alta qualidade. Portanto, o estágio foi um sucesso pois serviu como um recurso valioso para o trabalho da empresa, e todas as atividades foram concluídas com sucesso

Modelado de las propiedades dieléctricas del suelo. Aplicación en el diseño de sensores para sistemas de control en agricultura de precisión

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. El agua es una sustancia clave para el desarrollo de la vida en La Tierra. Es por ello que la búsqueda de oportunidad de vida en otros planetas y satélites se basa en la presencia de agua en los mismos. La gestión ecológica del agua es necesaria para la sostenibilidad de los ecosistemas. Uno de los ecosistemas más amplios y donde el agua juega un papel más importante es el suelo, que alberga multitud de variedades de microorganismos cuya actividad, en parte resultante en la generación de nutrientes para el desarrollo de las especies vegetales, es totalmente dependiente del contenido de agua en el suelo. En zonas áridas y semiáridas, como es el caso de la cuenca Mediterránea, la escasez de agua supone un grave problema a la hora de gestionar los pocos recursos hídricos disponibles. En este caso, donde las condiciones geográficas son idóneas para el desarrollo de la agricultura, las soluciones pasan por una optimización de las técnicas de riego y un mayor control sobre los recursos hídricos. En este sentido, las técnicas de riego deficitario controlado se han mostrado exitosas en la reducción de la dotación hídrica a los cultivos en fases no críticas. Sin embargo, para realizar una aplicación prudente y eficiente de las mismas, resulta necesario monitorizar el estado hídrico de los cultivos, con el objetivo de que éstos no alcancen situaciones de estrés irreversible en términos de producción o estado vegetativo. Los indicadores que mayor información aportan sobre el estado hídrico de la planta suelen estar relacionados con variables medibles a partir de la propia planta, pero que son difícilmente automatizables debido a las operaciones de manejo asociadas. Este es el caso del potencial hídrico de tallo a mediodía medido con cámara de presión, considerado hasta la fecha como el indicador más fiable del estado hídrico de los cultivos en general. Es por ello que, para lograr una monitorización continua de esta variable, se busquen otras variables del continuo suelo-planta-atmósfera que puedan estar relacionadas y a partir de las cuales obtener una estimación indirecta. El suelo es la matriz de donde la planta adquiere la mayor parte del agua y los nutrientes que necesita para realizar la fotosíntesis. La relación entre el estado hídrico del suelo y el estado hídrico de los cultivos está más que demostrada. Sin embargo, la precisión alcanzada en los modelos de correlación entre ambos estados requiere de una mejora considerable para hacer un uso realmente fiable de los mismos, y esta mejora no solo pasa por encontrar mejores métodos de correlación, sino también por mejorar la precisión de las medidas obtenidas del suelo. Para monitorizar el estado hídrico del suelo, existen diversas metodologías que ofrecen parámetros medibles como el contenido de agua. El método de medida más extendido para monitorizar el contenido de agua en el suelo es a través del uso de sensores dieléctricos. Sin embargo, la precisión de los mismos está sujeta a diversos factores, entre ellos las características propias del suelo donde se instalan y su coste, relativamente alto para el pequeño y mediano agricultor, condicionando una implantación extensiva de la Agricultura de Precisión y limitando a veces la aplicación de algunos desarrollos únicamente a trabajos de investigación. Esta tesis, elaborada bajo la modalidad de compendio de publicaciones, aborda a través de cuatro artículos científicos la propuesta de soluciones accesibles para la medida del estado hídrico del suelo, con especial enfoque en el contenido de agua; explora las limitaciones y retos asociados con la calibración de los sensores dieléctricos de suelo; participa en la generación de nuevos conocimientos y propuestas para un mejor entendimiento del comportamiento del agua en el suelo y de su interacción con las ondas electromagnéticas; y establece nuevos enfoques y modelos que mejoran la predicción del estado hídrico de los cultivos a partir de medidas indirectas y automatizables en suelo y atmósfera. [ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. Water is a fundamental substance for the development of life on Earth. That is why the search for life on other planets and satellites is based on the presence of water on them. Ecological water management is necessary for the sustainability of ecosystems. One of the most extensive ecosystems where water plays a major role is soil, which hosts a large variety of micro-organisms whose activity, partly resulting in the generation of nutrients for the development of plant species, is totally dependent on the water content of the soil. In arid and semi-arid regions, as it is the case in the Mediterranean basin, water scarcity is a serious problem when it comes to managing the few water resources available. In this case, where the geographical conditions are ideal for the development of agriculture, the solutions involve optimization of irrigation techniques and greater control over water resources. In this sense, regulated deficit irrigation strategies have proven to be successful in reducing the water supply to crops in non-critical periods. However, in order to apply them prudently and efficiently, it is necessary to monitor the water status of the crops, so that they do not reach irreversible stress situations in terms of yield or vegetative state. The indicators that provide the highest amount of information on the water status of the plant are usually related to variables that can be measured from the plant itself, but which are difficult to automate due to the labor and time-consuming associated operations. This is the case of the midday stem water potential measured with a pressure chamber, considered to date to be the most reliable indicator of the crop's water status in general. In order to achieve a continuous monitoring of this variable, it is necessary to look for other variables of the soil-plant-atmosphere continuum that may be related and from which to obtain an indirect estimate. Soil is the matrix from which the plant acquires most of the water and nutrients it needs for photosynthesis. The relationship between soil water status and crop water status is well established. However, the accuracy achieved in the correlation models between the two requires considerable improvement to make a truly reliable use of them, and this improvement is not only to find better correlation methods, but also to improve the accuracy of the measurements obtained from the soil. To monitor soil water status, there are several methodologies that provide measurable parameters such as water content. The most widespread measurement method for monitoring soil water content is through the use of dielectric sensors. However, the accuracy of these sensors is subject to various factors, including the characteristics of the soil where they are installed, and their relatively high cost for small and medium-sized farmers, conditioning the extensive implementation of precision agriculture and sometimes limiting the application of some developments only to research work. This thesis, elaborated under the modality of a compendium of publications, addresses through four scientific articles the proposal of affordable solutions for the measurement of soil water status, with special focus on water content; it explores the limitations and challenges associated with the calibration of soil dielectric sensors; participates in the generation of new insights and proposals for a better understanding of the behavior of water in soil and its interaction with electromagnetic waves; and establishes new approaches and models that improve the prediction of crop water status from indirect and automatable measurements in soil and atmosphere.Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Está formada por un total de cuatro artículos: Article I. González-Teruel, J.D., Torres-Sánchez, R., Blaya-Ros, P.J., Toledo-Moreo, A.B., Jiménez-Buendía, M., Soto-Valles, F., 2019. Design and Calibration of a Low-Cost SDI-12 Soil Moisture Sensor. Sensors, 19, 491. DOI: 10.3390/s19030491 - Article II. González-Teruel, J.D., Jones, S.B., Soto-Valles, F., Torres-Sánchez, R., Lebron, I., Friedman, S.P., Robinson, D.A., 2020. Dielectric Spectroscopy and Application of Mixing Models Describing Dielectric Dispersion in Clay Minerals and Clayey Soils. Sensors, 20, 6678. DOI: 10.3390/s20226678 Article III. González-Teruel, J.D., Jones, S.B., Robinson, D.A., Giménez-Gallego, J., Zornoza, R., Torres-Sánchez, R., 2022. Measurement of the broadband complex permittivity of soils in the frequency domain with a low-cost Vector Network Analyzer and an Open-Ended coaxial probe. Computers and Electronics in Agriculture, 195, 106847. DOI: 10.1016/J.COMPAG.2022.106847 Article IV. González-Teruel, J.D., Ruiz-Abellon, M.C., Blanco, V., Blaya-Ros, P.J., Domingo, R., Torres-Sánchez, R., 2022. Prediction of Water Stress Episodes in Fruit Trees Based on Soil and Weather Time Series Data. Agronomy, 12, 1422. DOI: 10.3390/agronomy12061422Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma de Doctorado en Tecnologías Industriale

Proof-of-concept of a single-point Time-of-Flight LiDAR system and guidelines towards integrated high-accuracy timing, advanced polarization sensing and scanning with a MEMS micromirror

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Física (área de especialização em Dispositivos, Microssistemas e Nanotecnologias)The core focus of the work reported herein is the fulfillment of a functional Light Detection and Ranging (LiDAR) sensor to validate the direct Time-of-Flight (ToF) ranging concept and the acquisition of critical knowledge regarding pivotal aspects jeopardizing the sensor’s performance, for forthcoming improvements aiming a realistic sensor targeted towards automotive applications. Hereupon, the ToF LiDAR system is implemented through an architecture encompassing both optical and electronical functions and is subsequently characterized under a sequence of test procedures usually applied in benchmarking of LiDAR sensors. The design employs a hybrid edge-emitting laser diode (pulsed at 6kHz, 46ns temporal FWHM, 7ns rise-time; 919nm wavelength with 5nm FWHM), a PIN photodiode to detect the back-reflected radiation, a transamplification stage and two Time-to-Digital Converters (TDCs), with leading-edge discrimination electronics to mark the transit time between emission and detection events. Furthermore, a flexible modular design is adopted using two separate Printed Circuit Boards (PCBs), comprising the transmitter (TX) and the receiver (RX), i.e. detection and signal processing. The overall output beam divergence is 0.4º×1º and an optical peak power of 60W (87% overall throughput) is realized. The sensor is tested indoors from 0.56 to 4.42 meters, and the distance is directly estimated from the pulses transit time. The precision within these working distances ranges from 4cm to 7cm, reflected in a Signal-to-Noise Ratio (SNR) between 12dB and 18dB. The design requires a calibration procedure to correct systematic errors in the range measurements, induced by two sources: the timing offset due to architecture-inherent differences in the optoelectronic paths and a supplementary bias resulting from the design, which renders an intensity dependence and is denoted time-walk. The calibrated system achieves a mean accuracy of 1cm. Two distinct target materials are used for characterization and performance evaluation: a metallic automotive paint and a diffuse material. This selection is representative of two extremes of actual LiDAR applications. The optical and electronic characterization is thoroughly detailed, including the recognition of a good agreement between empirical observations and simulations in ZEMAX, for optical design, and in a SPICE software, for the electrical subsystem. The foremost meaningful limitation of the implemented design is identified as an outcome of the leading-edge discrimination. A proposal for a Constant Fraction Discriminator addressing sub-millimetric accuracy is provided to replace the previous signal processing element. This modification is mandatory to virtually eliminate the aforementioned systematic bias in range sensing due to the intensity dependency. A further crucial addition is a scanning mechanism to supply the required Field-of-View (FOV) for automotive usage. The opto-electromechanical guidelines to interface a MEMS micromirror scanner, achieving a 46º×17º FOV, with the LiDAR sensor are furnished. Ultimately, a proof-of-principle to the use of polarization in material classification for advanced processing is carried out, aiming to complement the ToF measurements. The original design is modified to include a variable wave retarder, allowing the simultaneous detection of orthogonal linear polarization states using a single detector. The material classification with polarization sensing is tested with the previously referred materials culminating in an 87% and 11% degree of linear polarization retention from the metallic paint and the diffuse material, respectively, computed by Stokes parameters calculus. The procedure was independently validated under the same conditions with a micro-polarizer camera (92% and 13% polarization retention).O intuito primordial do trabalho reportado no presente documento é o desenvolvimento de um sensor LiDAR funcional, que permita validar o conceito de medição direta do tempo de voo de pulsos óticos para a estimativa de distância, e a aquisição de conhecimento crítico respeitante a aspetos fundamentais que prejudicam a performance do sensor, ambicionando melhorias futuras para um sensor endereçado para aplicações automóveis. Destarte, o sistema LiDAR é implementado através de uma arquitetura que engloba tanto funções óticas como eletrónicas, sendo posteriormente caracterizado através de uma sequência de testes experimentais comumente aplicáveis em benchmarking de sensores LiDAR. O design tira partido de um díodo de laser híbrido (pulsado a 6kHz, largura temporal de 46ns; comprimento de onda de pico de 919nm e largura espetral de 5nm), um fotodíodo PIN para detetar a radiação refletida, um andar de transamplificação e dois conversores tempo-digital, com discriminação temporal com threshold constante para marcar o tempo de trânsito entre emissão e receção. Ademais, um design modular flexível é adotado através de duas PCBs independentes, compondo o transmissor e o recetor (deteção e processamento de sinal). A divergência global do feixe emitido para o ambiente circundante é 0.4º×1º, apresentando uma potência ótica de pico de 60W (eficiência de 87% na transmissão). O sensor é testado em ambiente fechado, entre 0.56 e 4.42 metros. A precisão dentro das distâncias de trabalho varia entre 4cm e 7cm, o que se reflete numa razão sinal-ruído entre 12dB e 18dB. O design requer calibração para corrigir erros sistemáticos nas distâncias adquiridas devido a duas fontes: o desvio no ToF devido a diferenças nos percursos optoeletrónicos, inerentes à arquitetura, e uma dependência adicional da intensidade do sinal refletido, induzida pela técnica de discriminação implementada e denotada time-walk. A exatidão do sistema pós-calibração perfaz um valor médio de 1cm. Dois alvos distintos são utilizados durante a fase de caraterização e avaliação performativa: uma tinta metálica aplicada em revestimentos de automóveis e um material difusor. Esta seleção é representativa de dois cenários extremos em aplicações reais do LiDAR. A caraterização dos subsistemas ótico e eletrónico é minuciosamente detalhada, incluindo a constatação de uma boa concordância entre observações empíricas e simulações óticas em ZEMAX e elétricas num software SPICE. O principal elemento limitante do design implementado é identificado como sendo a técnica de discriminação adotada. Por conseguinte, é proposta a substituição do anterior bloco por uma técnica de discriminação a uma fração constante do pulso de retorno, com exatidões da ordem sub-milimétrica. Esta modificação é imperativa para eliminar o offset sistemático nas medidas de distância, decorrente da dependência da intensidade do sinal. Uma outra inclusão de extrema relevância é um mecanismo de varrimento que assegura o cumprimento dos requisitos de campo de visão para aplicações automóveis. As diretrizes para a integração de um micro-espelho no sensor concebido são providenciadas, permitindo atingir um campo de visão de 46º×17º. Conclusivamente, é feita uma prova de princípio para a utilização da polarização como complemento das medições do tempo de voo, de modo a suportar a classificação de materiais em processamento avançado. A arquitetura original é modificada para incluir uma lâmina de atraso variável, permitindo a deteção de estados de polarização ortogonais com um único fotodetetor. A classificação de materiais através da aferição do estado de polarização da luz refletida é testada para os materiais supramencionados, culminando numa retenção de polarização de 87% (tinta metálica) e 11% (difusor), calculados através dos parâmetros de Stokes. O procedimento é independentemente validado com uma câmara polarimétrica nas mesmas condições (retenção de 92% e 13%)