Czech Technical University Digital Library (Czech Technical University in Prague)

In this letter, we tackle the problem of flying a quadrotor using time-optimal control policies that can be replanned online when the environment changes or when encountering unknown disturbances. This problem is challenging as the time-optimal trajectories that consider the full quadrotor dynamics are computationally expensive to generate, on the order of minutes or even hours. We introduce a sampling-based method for efficient generation of time-optimal paths of a point-mass model. These paths are then tracked using a Model Predictive Contouring Control approach that considers the full quadrotor dynamics and the single rotor thrust limits. Our combined approach is able to run in real-time, being the first time-optimal method that is able to adapt to changes on-the-fly. We showcase our approach’s adaption capabilities by flying a quadrotor at more than 60 km/h in a racing track where gates are moving. Additionally, we show that our online replanning approach can cope with strong disturbances caused by winds of up to 68 km/h.

Tato bakalářská práce pojednává o Low-Power Wide Area Network technologiích. Cílem je uvedení těchto technologií do vzájemného kontextu za účelem popsání jejich koexistence. V řešení byly rozebrány pojmy LPWAN/LPN a jeho zástupci LoRa, Sigfox a IQRF, u kterých byly prozkoumány jejich vlastnosti, topologie a některé významné techniky. Technologie byly porovnány společně ve frekvenčním spektru za účelem zjištění rizikových míst pro vznik kolizí. V tomto pásmu byly provedeny základní výpočty pravděpodobností kolizí při rostoucím počtu aktivních zařízení a bylo řečeno možné řešení maximální kapacity kanálu. Provedenou prací bylo zjištěno rizikové pásmo frekvencí kolem 868,2 MHz. Nebylo možné přesně stanovit přesnou maximální kapacitu kanálu, jež ale byla nastíněna pomocí parametru Dostupnosti služby. Hlavním přínosem této práce je souhrn vlastností, jež se projevují do výsledné koexistence.

We report about design, fabrication and properties of the polymer optical waveguides deposited on silica-on-silicon substrate. The design of the waveguides is based on a concept that geometric dimensions of the single mode polymer waveguide are determined by geometrical parameters of the silica layer. The design of the waveguides was schemed for 650 nm, 850 nm, 1310 nm and 1550 nm wavelength. The design of the presented planar waveguides was realized on the bases of modified dispersion equation while the ridge waveguides design was proposed following the Fischbeck concept. Both designs were refined applying RSoft software using beam propagation method. Proposed shapes of the waveguides were etched by standard photolithography process into the silica layers and polymer waveguide layers were subsequently deposited into the treated substrate by spin coating. Poly(methylmethacrylimide) was used as the waveguide core material and polymethylmethacrylate was used as a cover protection layer. Propagation optical loss measurements were done by using the cut-back method and the best samples had optical losses lower than 0.6 dB/cm at 650 nm, 1310 nm and 1550 nm.

This paper presents the implementation and particular improvements on the superpixel clustering algorithm - SLIC (Simple Linear Iterative Clustering). The main contribution of the jSLIC is a significant speed-up of the original clustering method, transforming the compactness parameter such that the value is image independent, and a new post-processing step (after clustering) which now gives more reliable superpixels - the newly established segments are more homogeneous. The improvements of speed and quality are shown on real images. We implemented the new jSLIC in Java and made the source code publicly available. Also we created a plug-in in ImageJ/Fiji which is commonly used as a research and development platform in biology and medical imaging.

ústav techniky prostředí

Industrial systems have been developing into more and more complex systems during last decades. They have changed from centralized solutions to distributed, more robust, and more exible eco-systems comprising a high number of embedded systems. In recent years, we are witnessing the research trend in the area of embedded systems which concerns the very close integration of physical and computing systems. This dissertation thesis deals with the problem of the semantic integration of components (sensors and actuators) of cyber-physical systems within industrial automation domain and presents resulting bene ts. Cyber-physical systems were created based on the aforementioned trend of the close integration of computing systems and physical systems. This tight integration involves infrastructures responsible for control, computation, communication, and sensing. These systems are composed of many subsystems produced by various manufacturers, and the subsystems produce an enormous volume of data. Furthermore, data generated from all of the system parts has di erent dimensions, sampling rates, levels of details, etc. Next, cyber-physical systems form systems which represent building blocks of the fourth industrial revolution (Industry 4.0) for example (Industrial) Internet of Things, Smart Cities, Smart Factories. Thus, the right understanding of data (data meanings, given context, subsystems purposes, and possible ways of subsystems integration) belong to essential requirements for enabling Industry 4.0 visions. In this thesis, the utilization of ontologies was proposed to deal with the semantic heterogeneity for enabling easier cyber-physical system components integration. Moreover, the current widespread e ort to create exible highly customized manufacturing requires novel methods for data handling together with subsequent data utilization. Storing knowledge and data in an ontology o ers a needed solution. For example, an ontology employment brings easy system data model management, increase an e ciency of cyber-physical system components interoperability, advanced data processing, reusability of sensors and actuators, and utilization of ontology matching methods for an integration of other data models. This work concerns the problem, how to describe cyber-physical system components using ontologies to enable e ective integration. Next, the ontology matching system suitable for integration of heterogeneous data models in industrial automation domain is described. The proposed solution of the semantic interoperability is demonstrated on the Plug&Play cyber-physical system components. On the other hand, storing data in an ontology and mainly processing of RDF statements brings one signi cant bottleneck | performance issue. Thus, Big Data technologies are employed for overcoming this issue together with a proposal of suitable storage data models. The overall approach is demonstrated on the proposed and developed prototype named Semantic Big Data Historian. In particular, the main contributions of the dissertation thesis are as follows: 1. The proposal of the solution for CPS low-level semantic integration based on Semantic web Technologies together with a veri cation of a feasibility of proposed approach using Semantic Big Data Historian. 2. The overcoming performance issues of processing shop floor data represented as RDF-triples with the help of Big Data technologies and suitable storage data models | vertical partitioning and hybrid SBDH model. 3. The proposal and implementation of a suitable way how to integrate heterogeneous data models from industrial automation domain where the highest precision and recall are required. The approach is based on similarity measures aggregation using self-organizing maps and user involvement with the help of active learning and visualization of self-organizing map output layer. 4. Enabling reusability of cyber-physical system components together with effortless configuration based on utilization of Semantic Web technologies. This approach was named as Plug&Play cyber-physical system components.

Katedra řídicí techniky

Přesné biomechanické modelování deltového svalu je klinickou nezbytností u stavů jako jsou rozsáhlé trhliny rotátorové manžety a po reverzní artroplastice ramene (RSA), kde se deltový sval stává primárním generátorem síly glenohumerálního kloubu. Tradiční muskuloskeletální modely reprezentují svaly jako jednorozměrné úsečky, což je zjednodušení zanedbávající zachování objemu, vydouvání svalu a zakřivenou dráhu deltového svalu kolem hlavice pažní kosti. Tato práce zkoumá, zda nástroje vyvinuté pro počítačovou grafiku (CG) mohou přemostit tuto mezeru tím, že poskytnou trojrozměrné, objemově reaktivní geometrie svalů vhodné pro kvantitativní biomechanickou analýzu. Deformovatelný model tří hlav deltového svalu byl sestaven v programu Blender s využitím doplňku X-Muscle System a animován během osmdesátistupňové abdukce glenohumerálního kloubu v koronální rovině. Biomechanické parametry byly extrahovány pomocí vlastního skriptu v jazyce Python implementujícího dvouprůchodový algoritmus vlákenné křivky. Fyziologický průřez svalu (PCSA) byl vypočten třemi metodami, z nichž dvě jsou geometricky nezávislé, a rameno síly bylo odhadnuto třemi přístupy rostoucí geometrické složitosti: přímkou působiště, analytickou opsanou koulí a těžišťovou vlákennou křivkou deformovatelné sítě. Dvě geometricky nezávislé metody výpočtu PCSA se shodovaly v mezích 10 % pro všechny hlavy a úhly abdukce, což potvrzuje geometrickou konzistenci objemové sítě. Rameno síly vlákenné křivky pars acromialis dosáhlo maxima 5,83 cm při 80 stupních abdukce, čímž bylo dosaženo maximálního izometrického momentu síly 23,73 až 40,88 N·m v závislosti na zvolené specifické svalové napjatosti. Pars clavicularis a pars spinalis vykazovaly změnu znaménka ramene síly, přecházejíce z addukce do abdukce přibližně při 12,7 a 24,7 stupních glenohumerální elevace, což je kvalitativně v souladu s kadaverickými údaji z literatury. Výsledky ukazují, že pipeline založený na open-source nástrojích počítačové grafiky je schopen reprodukovat fyziologicky relevantní biomechanické chování deltového svalu, včetně bifázické funkce anteriorní a posteriorní hlavy. Vzniklý pracovní postup poskytuje transparentní a přizpůsobitelný základ pro budoucí vývoj pacientsky specifických modelů pro předoperativní plánování rekonstrukční operace ramene.

Cílem této práce je návrh a výroba prototypu protézy na běžecké lyžování, který by řešil účinnou rekuperaci energie. Současná řešení protéz se primárně orientují na chůzi a běh a nejsou využitelné pro tento druh sportovní aktivity. Na základě přehledu používaných technik běhu na lyžích a mechanismů stávajících protéz byla navržena původní série konstrukcí s využitím zakřivených listových prvků. Daná konstrukční řešení umožňují kromě rekuperace energie také měnit mechanické vlastnosti protézy během sportovního výkonu. Na základě konzultací se sportovcem bylo vybráno řešení, u kterého byla pevnost klíčových konstrukčních prvků ověřena prostřednictvím analytického a numerického modelu a následně vyroben plně funkční prototyp pomocí technologie aditivní výroby. Prototyp byl paralympijským sportovcem otestován a byla navržena vylepšení pro využití v nastávající zimní sezóně.

Vkládání poruch elektromagnetickým pulzem (EMFI) je aktivní hardwarový útok, který využívá krátký, lokalizovaný magnetický impuls k narušení činnosti integrovaného obvodu a k vynucení chybných výsledků. Komerční platformy EMFI jsou přesné, ale drahé; jako nízkonákladová alternativa byl navržen open-source projekt PicoEMP, jehož autorem je Colin O'Flynn. V této práci sestavíme PicoEMP z desky plošných spojů a jednotlivých součástek, dokumentujeme praktické problémy, s nimiž jsme se při sestavování setkali, a zkoušíme sestavené zařízení na třech mikrokontrolérech. Následně jej použijeme k provedení útoku typu diferenciální analýzy chyb na učebnicovou implementaci AES-128 běžící na mikrokontroléru ATmega328P. Pomocí automatizovaného měření pomocí Jupyter notebooku shromáždíme chybné šifrové texty a získáme celý klíč AES-128, čímž prokážeme, že vlastní sestavené nízkonákladové zařízení EMFI postačuje k provedení kompletního útoku typu fault attack na skutečný mikrokontrolér.

Bakalářská práce se zabývá analýzou, návrhem a prototypu autentizačního a autorizačního modulu pro systém správy identit a řízení přístupů (IAM) Institutu postgraduálního vzdělávání ve zdravotnictví (IPVZ). Práce vzniká v rámci týmového projektu a soustředí se na klíčovou bezpečnostní vrstvu celého řešení. Teoretická část vymezuje základní pojmy z oblasti IAM, popisuje relevantní standardy a protokoly (SAML 2.0, OpenID Connect, OAuth 2.0, UMA 2.0), regulatorní rámec směrnice NIS2 a nového zákona o kybernetické bezpečnosti a přináší přehled externích poskytovatelů identity dostupných v prostředí České republiky, zejména Národního bodu pro identifikaci a autentizaci (NIA). Analytická část identifikuje tři klíčové informační systémy IPVZ (MARAST, Moodle, SYS), jejichž stávající izolovaná správa identit neumožňuje jednotné přihlašování ani centrální vynucování bezpečnostních politik. Na základě této analýzy jsou formulovány funkční a nefunkční požadavky na navrhovaný modul, priorizované metodou MoSCoW. V návrhové části je definována architektura řešení postavená na platformě Keycloak jako centrálním IAM brokeru, autentizační toky pro tři skupiny uživatelů (administrátor, zaměstnanec, uživatel) s preferovaným přihlašováním přes NIA a autorizační model kombinující RBAC a ABAC. Pro systém MARAST je navržena matice oprávnění a sada podmíněných přístupových politik. Praktickým výstupem práce je funkční prototyp, v jehož rámci se podařilo IPVZ úspěšně zaregistrovat jako poskytovatele služeb NIA a propojit Keycloak s produkčním prostředím NIA i se systémem MARAST prostřednictvím protokolu OIDC. Implementace zahrnuje konfiguraci autentizačních toků, správu rolí a mapování atributů. Součástí práce je rovněž plán testovacích scénářů pokrývající autentizaci, autorizaci a auditovatelnost systému.

Výběr základní sestavy v profesionálním fotbale je opakující se rozhodnutí s vysokými sázkami, které má významné důsledky jak pro výsledky zápasů, tak pro dostupnost hráčů v průběhu sezóny. Existující operační výzkum pojímá rozhodování o sestavě převážně jako problém jediného zápasu a ignoruje mezičasové závislosti, které vznikají, když se riziko zranění hráče kumuluje se zápasovou zátěží a když rozhodnutí o rotaci v jednom zápase omezují dostupnost hráčů v zápasech následujících. V souladu s přístupem Design Science Research se dvěma cykly návrhu a evaluace tato práce nejprve navrhuje stochastický víceperiodový optimalizační rámec pro výběr sestav, který tyto závislosti explicitně modeluje. Pro daný kádr, pevnou formaci a posloupnost nadcházejících zápasů rámec vybírá rotační plán, jednu plánovanou sestavu na zápas, který maximalizuje očekávaný celkový počet bodů v plánovacím horizontu při dodržení pozičních omezení a stochastické dostupnosti hráčů závislé na zátěži. Optimalizaci provádí algoritmus Iterated Local Search operující nad celým rotačním plánem, vyhodnocovaný simulací Monte Carlo s metodou Common Random Numbers. Čtyři experimenty s kádrem Manchesteru City ze sezóny 2015/2016 v horizontu osmi zápasů ukazují, že víceperiodový optimalizátor významně překonává hladovou i jednozápasovou referenční strategii, přičemž jeho bodová výhoda roste monotónně s intenzitou rizika zranění až na 1,73 očekávaného bodu, a že vykazuje emergentní proaktivní plánování zohledňující obtížnost soupeřů. Ablační studie připisuje dosažené zisky především reprezentaci plánu se samostatnou sestavou pro každý zápas. Druhý cyklus převádí rámec směrem do praxe. Konkurenční analýza zjišťuje, že žádný ze zkoumaných komerčních nástrojů nezastává preskriptivní funkci víceperiodové optimalizace sestav zohledňující riziko zranění, ačkoli okolní nfrastruktura je komerčně ověřená. Výzkum zainteresovaných stran zahrnující devět rozhovorů s odborníky z praxe ustaluje požadovanou podobu produktu (poradní, vysvětlitelnou, potvrzující a takticky ukotvenou) ve dvaceti číslovaných požadavcích, avšak nevaliduje poptávku. Podnikatelský případ proto dospívá k podmíněnému rozhodnutí pokračovat: pět rozhodovacích bran s pevným termínem, přičemž váha důkazů favorizuje partnerskou integraci do existující platformy před samostatným produktem. Webový prototyp pro podporu rozhodování demonstruje rámec od začátku do konce a je vyhodnocen s profesionálním hlavním trenérem, jehož zpětná vazba potvrzuje, že rozhraní komunikuje svou zamýšlenou poradní roli, a umisťuje budoucí hodnotu produktu do taktické vrstvy.

Oxid gallitý (Ga2O3) je polovodič s ultraširokým zakázaným pásem s perspektivními aplikacemi ve výkonové elektronice a UV fotodetekci necitlivé na sluneční záření. Jeho metastabilní polymorf alfa sdílí korundovou strukturu se safírem, nelze jej však připravit objemovými metodami a musí být vyráběn epitaxně. V této práci byly tenké vrstvy Ga2O3 připraveny metodou mist-CVD a charakterizovány rentgenovou difrakcí (XRD) a UV-VIS spektroskopií. Obě metody potvrdily přítomnost alfa fáze a odhalily kontaminaci fází kappa-Ga2O3. Rozložení tloušťky vrstev bylo zmapováno pomocí skenovací elektronové mikroskopie (SEM). Pro posouzení vlivu rychlosti proudění vzduchu na účinnost transportu aerosolu byl v programu COMSOL vytvořen model, který ukázal, že vyšší rychlosti proudění napomáhají transportu kapek. Simulace byly v kvalitativní shodě s naměřenými rozloženími tloušťky a obojí naznačuje, že geometrie držáku substrátu brání depozici na spodní části substrátu.

Práce se zabývá teoretickou analýzou současných a budoucích přístupů k zachytávání a následnému nakládání s CO2. Teoretická část shrnuje základní technologie záchytu CO, zejména pre-combustion, oxy-fuel a post-combustion, a poskytuje přehled metod separace CO z emisních plynů. Praktická část je zaměřena na porovnání absorpční a adsorpční metody záchytu CO pro střední lokální energetický zdroj využívající dva různé druhy paliv. V simulačním softwaru AVEVA Process Simulation jsou vytvořena procesní schémata navržených technologií, sestaveny hmotnostní a energetické bilance a provedeno dimenzování hlavních technologických zařízení. Jednotlivé varianty jsou vyhodnoceny z hlediska účinnosti záchytu, energetické náročnosti a možností optimalizace. Výstupem práce je koncepční návrh vhodné technologie záchytu CO, doporučení jejích provozních parametrů a posouzení možností jejího nasazení v reálných podmínkách s přihlédnutím k ekonomickým aspektům.

Diplomová práce nejprve v teoretické části shrnuje základní poznatky o kmenech mikrořas, specifikách jejich kultivace, možnostech průmyslového využití biomasy a obecných limitech separace. Dále obsahuje ucelenou rešerši základních separačních metod, u nichž analyzuje provozní i energetické parametry a definuje jejich výhody a nevýhody. Stěžejní experimentální část se pak věnuje stanovení hydrodynamických charakteristik modelového míchaného separátoru. Pro vybrané geometrické konfigurace byly experimentálně stanoveny dva klíčové procesní parametry příkonová charakteristika a doba homogenizace. Následné vyhodnocení dat se zaměřilo na posouzení závislosti příkonového čísla v turbulentní oblasti na různých geometrických konfiguracích separátoru a určení bezrozměrné doby homogenizace pro zvolenou geometrickou konfiguraci.

Tato bakalářská práce se zabývá CO2 mineralizací do alkalických odpadů, konkrétně do cementářských odprašků. Jejím cílem je přiblížit problematiku mineralizace, popsat její mechanismy a porozumět požadavkům pro optimální karbonataci. Výstupem práce je za prvé literární rešerše zaměřená na identifikaci používaných laboratorních uspořádání a procesních podmínek, za druhé ideový návrh reaktoru pro laboratorní testování mineralizace.

Tato diplomová práce se zaměřuje na rozšíření logbookového systému experimentu AMBER prostřednictvím integrace metod umělé inteligence a implementace nových funkcionalit. Hlavním cílem je zlepšit zpracování a interpretaci dat ze směn, zejména pomocí detekce neobvyklých hodnot, tvorby přehledných souhrnů vyplněných checklistů a automatizované sumarizace průběhu směny na základě dostupných dat. Navržené řešení klade důraz na uživatelskou přívětivost, přehlednost a přesnost zobrazovaných informací. Součástí práce je návrh a implementace algoritmů minimalizujících chybovost detekce i sumarizace, čímž nástroj poskytuje spolehlivý nástroj pro efektivní analýzu a správu experimentálních dat.