Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Vývoj algoritmů a systémů pro řídicí, monitorovací a bezpečnostní aplikace

SP2015/154

Koziorek Jiří prof. Ing., Ph.D.

prof. Ing. Pavel Nevřiva, DrSc.
prof. Dr. Ing. Miroslav Pokorný

01. 01. 2015 - 31. 12. 2015

Základním tématem projektu je aplikovaný výzkum využití elektronických mikroprocesorových systémů v oblasti zpracování signálů, řídicích systémů, systémů pro zajištění funkční bezpečnosti, řídicích algoritmů a simulací. Projekt navazuje a dále rozvíjí problematiku řešenou v projektech s podobným zaměřením v rámci SGS2012/111, SGS2013/168 a SGS2014/156 Řešitelský tým v těchto předchozích letech dosáhl v uvedené oblasti řadu výsledků, které vedly k: - Vytvoření množství výsledků hodnocených v RIVu (viz. Zkušenosti řešitelského týmu) - Získání několika významných projektů podporovaných z grantových agentur (viz. Zkušenosti řešitelského týmu) - Uzavření několika smluv o výzkumu pro komerční partnery (viz. Zkušenosti řešitelského týmu) Hlavním úkolem projektu je podpora stávajících a zejména začínajících doktorandů při zapojení do výzkumu v této oblasti a jejich postupný přechod k řešení grantových projektů a realizaci smluvního výzkumu. Předložený projekt má za cíl rozvoj výzkumných aktivit zejména ve třech oblastech: 1. Zpracování signálů a řídicí algoritmy v průmyslových řídicích systémech V rámci této oblasti bude prováděna aplikace metod řešení optimalizačních úloh v technické kybernetice. Bude rovněž probíhat výzkum metod komplexní analýzy a zpracování obrazového signálu s využitím sofistikovaných algoritmů a moderních metod implementovaných do vestavěných systémů. Vývoj systémů se zpracováním signálů z moderních senzorů neelektrických fyzikálních veličin. Výzkum v této oblasti navazuje na úspěšné řešení této výzkumné aktivity v předchozích letech a rozšiřuje znalosti zejména výzkumem nových metod, algoritmů zpracování, detekce a vyhodnocení s ohledem na aplikovatelnost do průmyslového prostředí a oblasti inteligentních domů s důrazem na využití minimálních výpočetních kapacit, s důrazem na robustnost a spolehlivost. Cílem řešení je zejména následující oblasti: - Výzkum úlohy statické a dynamické optimalizace pro matematické modely lineárních i nelineárních systémů a také pro vybrané fyzikální výukové modely používané ve výuce teorie automatického řízení. Zejména budou aplikovány numerické metody řešení využívající prostředí Matlab&Simulink. Implementace a simulační verifikace navržených řešení budou provedeny v prostředí Matlab &Simulink, případně Comsol Multiphysics. Verifikace na reálných modelech bude provedena s použitím řídicího systému REX. - Výzkum implementace sofistikovaných algoritmů pro zpracování obrazu a zvuku do vestavěných řídicích systémů s omezeným výpočetním výkonem a minimálním paměťovým prostorem. - Vývoj systému pro detekování nebezpečnosti mateřských znamének pomocí obrazového signálu, kde dochází k jeho třídění na základě vzhledu a charakteru tvaru. - Zpracování obrazového a zvukového signálu pro analýzu biometrických znaků ve vestavěných systémech pro identifikaci osob a předmětů. - Zpracování infra-obrazového signálu pro realizaci měřicího systému při výrobě hutních materiálů v průmyslovém agresivním prostředí. 2. Monitorování fyzikálních vlastností ve vybraných typech lokalit Výzkum a vývoj systémů senzorických sítí pro monitorování neelektrických veličin s důrazem na vzájemnou komunikaci měřicích bodů. V rámci řešení budou probíhat experimentální měření a ověřování funkčnosti měřicího řetězce ve vybraných reálných lokalitách. Aktivita se věnuje zejména: - Vývoj a realizace systému pro měření analogových veličin pomocí technologie Texas Instrument AFE. Jde o moderní technologií založenou na integrovaném obvodu LMP91000. Tento obvod realizuje kompletní specializované programovatelné analogové rozhraní AFE (Analog Front End module) pro přímé připojení chemických senzorů (předně senzorů pro měření koncentrace plynů) k mikrokontrolérům. Jen pomocí samotného snímacího prvku, obvodu LMP91000 a mikrokontroléru s A/D převodníkem a I2C komunikací lze tak relativně snadno vytvořit mikropříkonové systémy (čidla) nejen pro měření složení / koncentrace plynů. S použitím této technologie se navrhnou a zrealizují jednotlivé měřicí systémy pro koncentraci plynů a experimentálně instalují na důlním odvale Ema a Hedvika. - Pokračování experimentálního vývoje a testování systému založeného na technologii IQRF, kde bude probíhat testování MESH sítě senzorů pro měření teploty, koncentrace CO, prachu a vlhkosti. Jako nadřazený systém je realizována DCS, která zajišťuje koncentraci dat a jejich přenos pomocí FTP na server. Prototyp jednotky je konstrukčně hotov, v roce 2015 bude probíhat jeho testování v reálných provozních podmínkách. - Vývojové a experimentální práce na systému monitoringu provozu IQRF sítě s využitím dostupných HW a SW prostředků pořízených v rámci IQRF aliance. Bude použita platforma IQVCP. Výsledný monitorovací systém umožní on-line informaci o stavu a nastavení jednotlivých uzlů IQRF sítě. - Oblast měření teplotní odezvy horninového masivu – Jedná se o výzkum možností měření teplot, tepelných vlastností a teplotního profilu v hloubkových vrtech pro tepelná čerpadla. Měřené veličiny jsou velmi důležité pro následný návrh komplexního systému vytápění/chlazení pomocí tepelných čerpadel. - Zpracování dat z neelektrických fyzikálních veličin, které je možné dále využít v procesech implementovaných v řídicích systémech pro realizaci analýzy zkoumaného prostředí. 3. Výzkum a vývoj v oblasti vestavěných a průmyslových řídicích systémů V rámci této oblasti budou prováděny výzkumné aktivity týkající se vestavěných a průmyslových řídicích systémů. Bude se jednat zejména o následující oblasti: - Inteligentní vestavěné algoritmy řízení energetické bilance – Vestavěné zařízení musí zpravidla fungovat autonomně s minimálními nároky na uživatelský zásah. V energeticky nezávislých zařízeních obsažen jeden nebo více komponentů schopných získávat energii z prostředí (např. solární panely, větrné zdroje, vibrační zdroje, atd.). Zařízení pracují optimálně v režimu tzv. energetické neutrality, kdy na svoji činnost spotřebují přesně tolik energie, kolik jsou schopny získat z prostředí. Pro zajištění optimálního provozu zařízení v režimu energetické neutrality je třeba nasadit dva neoddělitelné přístupy. Zařízení musí predikovat na základě historických dat množství energie, které v určitém krátkém horizontu je schopno z prostředí získat a zařízení rovněž musí vyhodnotit, dle zadaných priorit, jaká funkcionalita je v daném období a čase důležitá. - Systémy pro uživatelskou bezpečnost – cílem řešení je vývoj systémů, které vyhodnocují měřené parametry z automotive orientovaných aplikací. Tyto systémy slouží ke zvýšení bezpečnosti uživatelů motorového vozidla a přivolání pomocí v krizových situacích. Součástí řešení je zpracování a vyhodnocení události z inerciálního detektoru a následný přenos informace až do centra tísňového volání. - Lokalizační algoritmy pro mobilní robotiku - cílem řešení je návrh a realizace algoritmů uplatnitelných v oblasti řízení mobilních robotů, zejména v oblasti Lokalizace a mapování (SLAM) a rozvoj lokalizace bezdrátových uzlů založených na metodě Monte Carlo a dalších lokalizačních metod. Vyvinuté algoritmy jsou implementovány přímo v řídicí elektronice mobilních robotů. - Impedanční tomografie a spektrometrie – cílem řešení je vývoj elektroniky a měřicích algoritmů pro širokospektrální impedanční spektroskopii a impedanční tomografii, kterými může být monitorováno složení materiálů. Vývoj bude zaměřen zejména na návrh přesného měřicího řetězce, rychlých algoritmů pro rekonstrukcí spektra signálu a paralelních vestavěných algoritmů pro rekonstrukci obrazu. - Funkční bezpečnost v průmyslových aplikacích - cílem řešení je vytvoření personálních a technických podmínek pro rozvoj výzkumných aktivit v této oblasti. Bude provedena rekapitulace předchozích aktivit odborné skupiny v této oblasti a nastartování nových aktivit v této oblasti. Tento bod souvisí s chystanými projekty OP VVV. - Vývoj a implementace metod moderní teorie řízení v technice programovatelných automatů.

doc. Ing. Štěpán Ožana, Ph.D.
Ing. Vilém Srovnal, Ph.D.
doc. Ing. Radovan Hájovský, Ph.D.
Ing. Zdeněk Macháček, Ph.D.
doc. Ing. Jan Vaňuš, Ph.D.
Ing. Blanka Filipová, Ph.D.
Ing. Martin Stankuš, Ph.D.
Ing. Martin Pieš, Ph.D.
doc. Ing. Michal Prauzek, Ph.D.
doc. Ing. Jaromír Konečný, Ph.D.
prof. Ing. Jiří Koziorek, Ph.D.
Ing. Martin Mikolajek, Ph.D.
Ing. Jiří Haška
Ing. Aleš Kurečka
Ing. Jakub Hlavica
Ing. Markéta Venclíková
Ing. Jan Šramota
Ing. Lukáš Pátek
Ing. Agáta Mročková
prof. Ing. Pavel Nevřiva, DrSc.
prof. Dr. Ing. Miroslav Pokorný

Cílem projektu je rozvoj aktivit aplikovaného výzkumu v oblasti průmyslových i embedded měřicích a řídicích systémů. Projekt vychází z dlouhodobé výzkumné činnosti odborné skupiny Průmyslové automatizace a počítačů pro řízení, Katedry kybernetiky a biomedicínského inženýrství, FEI, VŠB-TU Ostrava. Projekt navazuje na v minulosti dosažené výsledky a dále je rozvíjí. Důraz bude kladen na podporu publikačních aktivit v časopisech s impaktním faktorem a na motivaci studentů doktorského a magisterského studia k zapojení se do výzkumné činnosti.

V rámci projektu bude vytvořena pozice postdoka, jehož mzda bude hrazena z projektu. Úlohou postdoka bude podpoření publikačních aktivit týmu v časopisech s impaktním faktorem, kdy bude mít za úkol zpracovávání vytvořených výsledků formou publikačních výstupů.

Konkrétní cíle a oblasti řešení projektu jsou popsány také v bodě „Předmět výzkumu v rámci projektu“.

Předpokládaným výsledkem projektu bude:
- 8 publikací v časopisech s impaktním faktorem (ve fázi recenzního řízení nebo již indexované na ISI WOK)
- 8 kvalitních konferencích (zejména Springer a IEEE, které budou indexovány v databázi Thomson ISI Proceedings a SCOPUS).
- Podání projektových přihlášek do grantových agentur dle aktuálních výzev vycházejících z témat řešených v projektu SGS (MPO, TAČR, GAČR, MSK, Horizon2020 apod., smluvní výzkumu formou HS)

Časový harmonogram řešení projektu
Leden 2015 – Zahájení řešení, analýza výsledků předchozích výzkumných aktivit, návrh postupů prací pro rok 2015, sestavení plánu publikačních aktivit a plánu registrace výsledků VaV.
Únor – Březen 2015 – Analýza metod sběru, zpracování a archivace dat z uvedených systémů.
Březen – Říjen 2015 – Vývoj metod a systémů pro sběr, archivaci, zpracování a vizualizaci dat pro uplatnění v různých oblastech.
Listopad 2015 – Zpracování a ověřování výsledků.
Prosinec 2015 – Závěrečné hodnocení projektu, revize výsledků, tvorba závěrečné zprávy.