Design of autonomous sustainable unmanned aerial vehicle - A novel approach to its dynamic wireless power transfer

A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements of the University of Wolverhampton for the degree of Doctor of Philosophy.Electric UAVs are presently being used widely in civilian duties such as security, surveillance, and disaster relief. The use of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) has increased dramatically over the past years in different areas/fields such as marines, mountains, wild environments. Nowadays, there are many electric UAVs development with fast computational speed and autonomous flying has been a reality by fusing many sensors such as camera tracking sensor, obstacle avoiding sensor, radar sensor, etc. But there is one main problem still not able to overcome which is power requirement for continuous autonomous operation. When the operation needs more power, but batteries can only give for 20 to 30 mins of flight time. These types of system are not reliable for long term civilian operation because we need to recharge or replace batteries by landing the craft every time when we want to continue the operation. The large batteries also take more loads on the UAV which is also not a reliable system. To eliminate these obstacles, there should a recharging wireless power station in ground which can transmit power to these small UAVs wirelessly for long term operation. There will be camera attached in the drone to detect and hover above the Wireless Power Transfer device which got receiving and transmitting station can be use with deep learning and sensor fusion techniques for more reliable flight operations. This thesis explores the use of dynamic wireless power to transfer energy using novel rotating WPT charging technique to the UAV with improved range, endurance, and average speed by giving extra hours in the air. The hypothesis that was created has a broad application beyond UAVs. The drone autonomous charging was mostly done by detecting a rotating WPT receiver connected to main power outlet that served as a recharging platform using deep neural vision capabilities. It was the purpose of the thesis to provide an alternative to traditional self-charging systems that relies purely on static WPT method and requires little distance between the vehicle and receiver. When the UAV camera detect the WPT receiving station, it will try to align and hover using onboard sensors for best power transfer efficiency. Since this strategy relied on traditional automatic drone landing technique, but the target is rotating all the time which needs smart approaches like deep learning and sensor fusion. The simulation environment was created and tested using robot operating system on a Linux operating system using a model of the custom-made drone. Experiments on the charging of the drone confirmed that the intelligent dynamic wireless power transfer (DWPT) method worked successfully while flying on air

Ubiquitous Computing

The aim of this book is to give a treatment of the actively developed domain of Ubiquitous computing. Originally proposed by Mark D. Weiser, the concept of Ubiquitous computing enables a real-time global sensing, context-aware informational retrieval, multi-modal interaction with the user and enhanced visualization capabilities. In effect, Ubiquitous computing environments give extremely new and futuristic abilities to look at and interact with our habitat at any time and from anywhere. In that domain, researchers are confronted with many foundational, technological and engineering issues which were not known before. Detailed cross-disciplinary coverage of these issues is really needed today for further progress and widening of application range. This book collects twelve original works of researchers from eleven countries, which are clustered into four sections: Foundations, Security and Privacy, Integration and Middleware, Practical Applications

Design of a Dual Band Local Positioning System

This work presents a robust dual band local positioning system (LPS) working in the 2.4GHz and 5.8GHz industrial science medical (ISM) bands. Position measurement is based on the frequency-modulated continuous wave (FMCW) radar approach, which uses radio frequency (RF) chirp signals for propagation time and therefore distance measurements. Contrary to state of the art LPS, the presented system uses data from both bands to improve accuracy, precision and robustness. A complete system prototype is designed consisting of base stations and tags encapsulating most of the RF and analogue signal processing in custom integrated circuits. This design approach allows to reduce size and power consumption compared to a hybrid system using off-the-shelf components. Key components are implemented using concepts, which support operation in multiple frequency bands, namely, the receiver consisting of a low noise amplifier (LNA), mixer, frequency synthesizer with a wide band voltage-controlled oscillator (VCO) having broadband chirp generation capabilities and a dual band power amplifier. System imperfections occurring in FMCW radar systems are modelled. Effects neglected in literature such as compression, intermodulation, the influence of automatic gain control, blockers and spurious emissions are modeled. The results are used to derive a specification set for the circuit design. Position estimation from measured distances is done using an enhanced version of the grid search algorithm, which makes use of data from multiple frequency bands. The algorithm is designed to be easily and efficiently implemented in embedded systems. Measurements show a coverage range of the system of at least 245m. Ranging accuracy in an outdoor scenario can be as low as 8.2cm. Comparative dual band position measurements prove an effective outlier filtering in indoor and outdoor scenarios compared to single band results, yielding in a large gain of accuracy. Positioning accuracy in an indoor scenario with an area of 276m² can be improved from 1.27m at 2.4GHz and 1.86m at 5.8GHz to only 0.38m in the dual band case, corresponding to an improvement by at least a factor of 3.3. In a large outdoor scenario of 4.8 km², accuracy improves from 1.88m at 2.4GHz and 5.93m at 5.8GHz to 0.68m with dual band processing, which is a factor of at least 2.8.Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf eines robusten lokalen Positionierungssystems (LPS), welches in den lizenzfreien Frequenzbereichen für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke (industrial, scientific, medical, ISM) bei 2,4GHz und 5,8GHz arbeitet. Die Positionsbestimmung beruht auf dem Prinzip des frequenzmodulierten Dauerstrichradars (frequency modulated continuous wave, FMCW-Radar), welches hochfrequente Rampensignale für Laufzeitmessungen und damit Abstandsmessungen benutzt. Im Gegensatz zu aktuellen Arbeiten auf diesem Gebiet benutzt das vorgestellte System Daten aus beiden Frequenzbändern zur Erhöhung der Genauigkeit und Präzision sowie Verbesserung der Robustheit. Ein Prototyp des kompletten Systems bestehend aus Basisstationen und mobilen Stationen wurde entworfen. Fast die gesamte analoge hochfrequente Signalverarbeitungskette wurde als anwendungsspezifische integrierte Schaltung realisiert. Verglichen mit Systemen aus Standardkomponenten erlaubt dieser Ansatz die Miniaturisierung der Systemkomponenten und die Einsparung von Leistung. Schlüsselkomponenten wurden mit Konzepten für mehrbandige oder breitbandige Schaltungen entworfen. Dabei wurden Sender und Empfänger bestehend aus rauscharmem Verstärker, Mischer und Frequenzsynthesizer mit breitbandiger Frequenzrampenfunktion implementiert. Außerdem wurde ein Leistungsverstärker für die gleichzeitige Nutzung der beiden definierten Frequenzbänder entworfen. Um Spezifikationen für den Schaltungsentwurf zu erhalten, wurden in der Fachliteratur vernachlässigte Nichtidealitäten von FMCW-Radarsystemen modelliert. Dazu gehören Signalverzerrungen durch Kompression oder Intermodulation, der Einfluss der automatischen Verstärkungseinstellung sowie schmalbandige Störer und Nebenschwingungen. Die Ergebnisse der Modellierung wurden benutzt, um eine Spezifikation für den Schaltungsentwurf zu erhalten. Die Schätzung der Position aus gemessenen Abständen wurde über eine erweiterte Version des Gittersuchalgorithmus erreicht. Dieser nutzt die Abstandsmessdaten aus beiden Frequenzbändern. Der Algorithmus ist so entworfen, dass er effizient in einem eingebetteten System implementiert werden kann. Messungen zeigen eine maximale Reichweite des Systems von mindestens 245m. Die Genauigkeit von Abstandsmessungen im Freiland beträgt 8,2cm. Positionsmessungen wurden unter Verwendung beider Einzelbänder durchgeführt und mit den Ergebnissen des Zweiband-Gittersuchalgorithmus verglichen. Damit konnte eine starke Verbesserung der Positionsgenauigkeit erreicht werden. Die Genauigkeit in einem Innenraum mit einer Grundfläche von 276m² kann verbessert werden von 1,27m bei 2,4GHz und 1,86m bei 5,8GHz zu nur 0,38m im Zweibandverfahren. Das entspricht einer Verbesserung um einen Faktor von mindestens 3,3. In einem größeren Außenszenario mit einer Fläche von 4,8 km² verbessert sich die Genauigkeit um einen Faktor von mindestens 2,8 von 1,88m bei 2,4GHz und 5,93m bei 5,8GHz auf 0,68m bei Nutzung von Daten aus beiden Frequenzbändern

Semantic discovery and reuse of business process patterns

Patterns currently play an important role in modern information systems (IS) development and their use has mainly been restricted to the design and implementation phases of the development lifecycle. Given the increasing significance of business modelling in IS development, patterns have the potential of providing a viable solution for promoting reusability of recurrent generalized models in the very early stages of development. As a statement of research-in-progress this paper focuses on business process patterns and proposes an initial methodological framework for the discovery and reuse of business process patterns within the IS development lifecycle. The framework borrows ideas from the domain engineering literature and proposes the use of semantics to drive both the discovery of patterns as well as their reuse

Ad-Hoc Personenlokalisierung in Drahtlosen Sensornetzwerken

In der Arbeit wird ein neues Konzept zur ad-hoc Personenlokalisierung entwickelt und untersucht. Ansätze aus dem Bereich der Lokalisierung in selbstkonfigurierenden, drahtlosen Sensornetzwerken sowie aus dem Bereich der inertialsensorbasierten Personennavigation werden verwendet und zu einem hybriden Lokalisierungsansatz kombiniert. Eine umfangreiche, experimentelle Studie wird durchgeführt. Im Ergebnis wird ein Ansatz aufgezeigt, wie sich Personen in ad-hoc Szenarien lokalisieren lassen

Advances in Computer Science and Engineering

The book Advances in Computer Science and Engineering constitutes the revised selection of 23 chapters written by scientists and researchers from all over the world. The chapters cover topics in the scientific fields of Applied Computing Techniques, Innovations in Mechanical Engineering, Electrical Engineering and Applications and Advances in Applied Modeling

Kommunikation und Bildverarbeitung in der Automation

In diesem Open Access-Tagungsband sind die besten Beiträge des 11. Jahreskolloquiums "Kommunikation in der Automation" (KommA 2020) und des 7. Jahreskolloquiums "Bildverarbeitung in der Automation" (BVAu 2020) enthalten. Die Kolloquien fanden am 28. und 29. Oktober 2020 statt und wurden erstmalig als digitale Webveranstaltung auf dem Innovation Campus Lemgo organisiert. Die vorgestellten neuesten Forschungsergebnisse auf den Gebieten der industriellen Kommunikationstechnik und Bildverarbeitung erweitern den aktuellen Stand der Forschung und Technik. Die in den Beiträgen enthaltenen anschauliche Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der Automation setzen die Ergebnisse in den direkten Anwendungsbezug

Европейский и национальный контексты в научных исследованиях

В настоящем электронном сборнике «Европейский и национальный контексты в научных исследованиях. Технология» представлены работы молодых ученых по геодезии и картографии, химической технологии и машиностроению, информационным технологиям, строительству и радиотехнике. Предназначены для работников образования, науки и производства. Будут полезны студентам, магистрантам и аспирантам университетов.=In this Electronic collected materials “National and European dimension in research. Technology” works in the fields of geodesy, chemical technology, mechanical engineering, information technology, civil engineering, and radio-engineering are presented. It is intended for trainers, researchers and professionals. It can be useful for university graduate and post-graduate students