Národní úložiště šedé literatury

Nová metoda zpracování signálů ze snímače absolutní pozice
Dvořák, Vojtěch; Husák, Miroslav; Maschke, Jan; Fujcik, Lukáš
2023 - Czech Práce je věnována vývoji a implementaci nové metody výpočtu pozice ze signálů snímače absolutní pozice Vernierova typu. Nová metoda byla vyvinuta pro zvýšení spolehlivosti určení pozice v aplikacích, kdy se vlastnosti snímače pozice mění vlivem okolního prostředí či stárnutím v průběhu života. V první části textu práce jsou představeny doposud využívané metody výpočtu pozice a identifikovány jejich limity, především vzhledem ke změně charakteristik snímače. Následně je odvozena nová metoda, detailně analyzována z hlediska robustnosti a přesnosti výpočtu pozice a představena referenční implementace do cílového obvodu FPGA. V závěru práce jsou uvedeny testy, které byly provedeny pro ověření funkčnosti a vlastností nové metody ve vzorové aplikaci, kde tato metoda našla své uplatnění. The thesis is focused on development and implementation of novel method to estimate position with absolute position encoder utilizing Vernier principle. The novel method was developed to ensure higher reliability of position estimation in applications where characteristics of position sensors are affected by environment or due to ageing of components in lifetime. In the first part of the thesis, an overview of common methods to evaluate signals of position encoder is provided together with analysis of their limits in case of drift of characteristics of position sensor itself. The novel method is derived and deeply analysed in the second part of the thesis and reference implementation into FPGA circuit is presented. The last part of the thesis summarizes tests conducted to verify functionality and properties of the novel method in real application. Keywords: Snímače absolutní pozice; Vernierův princip; noniový princip; FPGA; Absolute position sensor; Vernier principle; Nonius principle; FPGA Available in a digital repository NRGL Nová metoda zpracování signálů ze snímače absolutní pozice

Práce je věnována vývoji a implementaci nové metody výpočtu pozice ze signálů snímače absolutní pozice Vernierova typu. Nová metoda byla vyvinuta pro zvýšení spolehlivosti určení pozice v aplikacích, ...

Dvořák, Vojtěch; Husák, Miroslav; Maschke, Jan; Fujcik, Lukáš
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Studium a vývoj polymer-cementových kompozitů s důrazem na vysoký obsah druhotných surovin a kompenzaci objemových změn
Hermann, Radek; Bydžovský, Jiří; Reitermann, Pavel; Kolísko, Jiří; Drochytka, Rostislav
2023 - Czech Snižování uhlíkové stopy lidstva je jedním z hlavních směrů, kterými se v současnosti světový vývoj ubírá. Dalším z významných problémů je likvidace, recyklace a sekundární využití produkovaných odpadů z celé řady výrobních odvětví a komunálního odpadu. Tato práce se zabývá problematikou polymer-cementových kompozitů, které se využívají nejčastěji pro sanační, reprofilační a strukturální opravy především betonových konstrukcí. Jsou v ní zkoumány a ověřovány možnosti utilizace velkého množství druhotných surovin a odpadů jako náhrady cementu, jakožto primárního pojiva. Zároveň je v práci řešena plná náhrada primárního plniva odpadními surovinami, pro které v tuto chvíli neexistuje jiné využití. Také je dále řešen a ověřován vliv celé řady běžně dostupných komerčních polymerních přísad. V rámci práci je rovněž řešeno využití redispergovatelných práškových polymerních přísad různých bází. Zabývá se i otázkou objemových změn při hydrataci polymer-cementových kompozitů a jejich vlivem na fyzikálně-mechanické vlastnosti kompozitů. Vliv objemových změn, ke kterým v průběhu hydratace polymer-cementových kompozitů dochází, je nezanedbatelným kritériem při výběru a využití těchto kompozitů. Objemové změny materiálu významně ovlivňují především maximální tloušťku vrstvy a maximální plochu, kterou lze hmotou sanovat bez rizika vzniku trhlin a bez nutnosti vytvoření pracovní spáry. S výsledky této práce se pojí snížení ekonomické a ekologické zátěže výroby a použití polymer-cementových stavebních hmot a dále také zvýšení použitelnosti těchto hmot především díky možnosti provádět sanace větších ploch, než bylo dosud možno. Reducing of humanity's carbon footprint is currently one of the main directions of global research. Another significant problem is the disposal, recycling and secondary use of waste materials produced from a wide range of industries and municipal waste. This thesis deals with the problematics of polymer-cement composites, which are most often used for rehabilitation, reprofiling and structural repairs, especially of concrete structures. The thesis examines and verifies the possibilities of utilization of a large amount of secondary raw materials and waste as a substitute for cement as a primary binder. At the same time, the work deals with the full replacement of the primary filler with waste raw materials, for which there is currently no other use. The work also addresses and verifies the influence of several commonly available commercial polymer dispersions. The work deals with the use of liquid, but also powdered polymeric additives of various bases. The work also deals with the problematics of volume changes of the hydration process of polymer-cement composites and the effect of volume changes on the physical-mechanical properties of composites. The influence of volume changes that occur during the hydration of polymer-cement composites is a significant criterion in the selection and use of these composites. The volume changes of the material have a great influence especially on the maximum layer thickness and the maximum area that can be repaired with the material without the risk of cracks and the need to create a working joint. The results of this work are associated with a reduction in the economic and environmental impacts of production and use of polymer-cement building materials and increase the usability of these materials mainly due to the possibility of remediation of larger areas than previously possible. Keywords: Polymer-cementová; polymerní; objemové změny; kompenzace objemových změn; druhotná surovina; substituce; cement; obalové sklo; škvára; odpadní perlit; tavený čedič; styren-akrylát; Polymer-cement; polymer; volume changes; volume change compensation; secondary raw material; substitution; cement; container glass; slag; waste perlite; molten basalt; styrene-acrylate Available in a digital repository NRGL Studium a vývoj polymer-cementových kompozitů s důrazem na vysoký obsah druhotných surovin a kompenzaci objemových změn

Snižování uhlíkové stopy lidstva je jedním z hlavních směrů, kterými se v současnosti světový vývoj ubírá. Dalším z významných problémů je likvidace, recyklace a sekundární využití produkovaných ...

Hermann, Radek; Bydžovský, Jiří; Reitermann, Pavel; Kolísko, Jiří; Drochytka, Rostislav
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Vytváření kovových a oxidokovových nanostruktur za využití porézní aluminy pro pokročilé mikrozařízení
Kamnev, Kirill; Mardare, Andrei Ionut; Blanchar, Xavier Correig; Mozalev, Alexander
2023 - English Anodizace kovů přes masku porézní anodické aluminy (PAA) je použita namísto nanoporézní anodizace nebo tradičních nanofabrikačních metod na výrobu nových nanostrukturovaných oxidů kovů se zdokonalenými parametry. Vylepšování vlastností oxidů ZrO2 a HfO2 nanostrukturováním vzbuzuje podstatný zájem kvůli aktivní komercionalizaci těchto oxidů kovů. Nanostrukturování ZrO2 a HfO2 anodizací je náročné kvůli včasné krystalizaci anodického oxidu a téměř nulovému transportnímu číslu kationtů. Tyto problémy jsou řešeny systematickým zkoumáním anodického chování dvouvrstev složených z tenké vrstvy Al nadeponované na vrstvě Zr nebo Hf. Po prvý krát je dosažen reprodukovatelný růst ZrO2 nanostruktur přes masku PAA, které plní póry PAA masky jenom částečně. Tyto vnořené ZrO2 nanostruktury se projevují zlepšeným dielektrickým výkonem v širokém rozsahu frekvencí s nízkými zbytkovými proudy a vysokými hodnotami průrazného napětí. Tyto vlastnosti z nich dělají atraktivní struktury pro použití v mokrých a hybridních elektrolytických kondenzátorech. Vrstvy s rovným povrchem, kompatibilní se standardními metodami nanofabrikace a obsahující ZrO2 nanostruktury kompletně plnící póry PAA masky, jsou syntetizovány kombinací anodizace přes masku PAA s částečným rozpuštěním PAA. Tyto vrstvy jsou použity v experimentálních MIM mikrokondenzátorech, které vykazují nízké zbytkové proudy, vysoké hodnoty průrazného napětí, vysoké hustoty energie, nízké hodnoty teplotního koeficientu kapacity a výbornou linearitu mezi kapacitou a napětím, což z nich dělá dokonalé kandidáty pro pasivní integraci zařízení na čipu. ZrO2 nanovrstvy připraveny anodizací přes masku PAA jsou, po prvý krát, schváleny k produkci osteogenních biokeramických povlaků. Tyto nanostrukturované biokeramické ZrO2 povlaky mohou modulovat interakce mezi buňkami a povrchem a zvyšovat mineralizaci osteoblastů 5 krát oproti rovné anodické ZrO2 vrstvě. Nanostrukturované HfO2 vrstvy připraveny anodizací přes masku PAA vykazují opakovatelné nízkovýkonové bipolární rezistivní spínání, což je dělá význačnými jako tuhé elektrolyty pro aplikace v memristorech. Anodizace Hf přes masku PAA v kombinaci s vhodnými chemickými modifikacemi povrchů je použita po prvý krát k vytvoření samouspořádaných nanostrukturovaných HfO2 povlaků, které jsou superhydrofóbní, odpuzují olej, jsou transparentní pro viditelné světlo a antireflexní, což je dělá velmi vhodnými pro pasivaci fotovoltaických zařízení. The anodization of metals through porous anodic alumina (PAA) matrix (PAA-assisted anodization) is used alternatively to nanoporous anodization or conventional nanofabrication methods for producing novel nanostructured metal oxides with improved characteristics. Enhancing properties of ZrO2 and HfO2 by nanostructuring possesses significant interest due to the active commercialization of these metal oxides. Nanostructuring ZrO2 and HfO2 by anodization is challenging because of early anodic-oxide crystallization and nearly zero cation transport number. These issues are addressed by a systematical investigation of anodizing behavior of Al superimposed on Zr or Hf layers. Reproducible PAA-assisted growth of ZrO2 nanostructures partially filling the pores of the PAA matrix is achieved for the first time. The PAA-embedded ZrO2 nanostructures demonstrate enhanced dielectric performance in a wide frequency range with low leakage current and high breakdown voltage, making them attractive for application in wet and hybrid electrolytic capacitors. The planarized films compatible with standard nanofabrication methods and comprising ZrO2 nanostructures fully filling the pores in the PAA matrix are synthesized by combining the PAA-assisted anodization of Zr with partial PAA dissolution. Such films are utilized in experimental MIM microcapacitors exhibiting low leakage current, high breakdown voltage, high energy density, low temperature coefficient of capacitance, and excellent capacitance-voltage linearity, which makes them perfect candidates for on-chip passive device integration. The PAA-assisted ZrO2 nanofilms are approbated for the first time to produce osteogenic bioceramic coatings. Such nanostructured ZrO2 bioceramic coatings can module cell-surface interactions and increase osteoblast mineralization 5-fold compared to flat ZrO2 anodic coating. The PAA-assisted nanostructured HfO2 films exhibit repeatable low-power eigh-wise bipolar resistive-switching properties, making them highly prominent as solid electrolytes in memristor applications. The PAA-assisted anodization of Hf combined with appropriate surface chemical modification is utilized for the first time for creating self-organized superhydrophobic, oil-repelling, visible light transparent, and antireflective nanostructured HfO2 coatings highly suitable for passivation of photovoltaic devices. Keywords: anodizing; porous anodic alumina; ZrO2; HfO2; nanostructure; coating; dielectric; MIM capacitor; bioceramic; memristor; superhydrophobic material; anodizace; porézní anodická alumina; ZrO2; HfO2; nanostruktura; povlak; dielektrikum; MIM kondenzátor; biokeramika; memristor; superhydrofóbní materiál Available in a digital repository NRGL Vytváření kovových a oxidokovových nanostruktur za využití porézní aluminy pro pokročilé mikrozařízení

Anodizace kovů přes masku porézní anodické aluminy (PAA) je použita namísto nanoporézní anodizace nebo tradičních nanofabrikačních metod na výrobu nových nanostrukturovaných oxidů kovů se ...

Kamnev, Kirill; Mardare, Andrei Ionut; Blanchar, Xavier Correig; Mozalev, Alexander
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Stanovení mechanických vlastností tenkých filmů pomocí numerického modelování experimentálních testů
Tinoco Navarro, Hector Andres; Jančo,, Roland; Klusák,, Jan; Hutař, Pavel
2023 - English Testování tenkých filmů pomocí "Bulge testu" je experimentální technika která zahrnuje použití numerických a analytických přístupů k charakterizaci mechanických vlastností tenkých vrstev. Tato práce se zabývá některými omezeními nalezenými v klasických modelech, které popisují chování tenkých vrstev podrobených tomuto testu. Za tímto účelem byly vyvinuty nové modely a numerické strategie pro stanovení různých mechanických vlastností jednovrstvých a dvouvrstvých tenkých vrstev za odlišných strukturních podmínek, jako je elasticita, plasticita a lom. Kombinací metody konečných prvků a klasických analytických řešení byly navrženy a ověřeny různé metodiky pro výpočet elastických vlastností (E a v), zbytkových napětí, meze kluzu a lomové houževnatosti. Mechanické vlastnosti filmů z nitridu křemíku, hliníku a zlata byly charakterizovány pomocí experimentálních dat o zatížení-průhybu získaných z měření. Stanovené vlastnosti vykazovaly uspokojivou shodu s což potvrdilo, že metody navržené v této práci mohou být užitečné pro odhad mechanických vlastností se známými materiálovými vlastnostmi tenkých vrstev. Bulge testing is an experimental technique that involves the use of numerical and analytical approaches to characterize the mechanical properties of thin films. This thesis addresses some limitations found in the classical models that describe the behavior of thin films subjected to this test. This required the development of new models and numerical strategies in order to determine several mechanical properties of monolayer and bilayer thin films under different structural conditions, such as elasticity, plasticity, and fracture. By combining finite element analysis and classical analytical solutions, different methodologies for calculating the elastic properties (E and v), residual stresses, yield stress, and fracture toughness were proposed and validated. The mechanical properties of silicon nitride, aluminum, and gold films were characterized using load-deflection experimental data obtained from bulging measurements. The determined properties showed reasonable agreement with materials of known properties, which validated that the proposed methods in this work can be useful for estimating the mechanical properties of freestanding thin films. Keywords: Bulge test; thin film; finite element analysis; load-deflection; elastic properties; yield stress; fracture toughness; Bulge; tenký film; analýza metodou konečných prvků; elastické vlastnosti; mez kluzu; Lomová houževnatost Available in a digital repository NRGL Stanovení mechanických vlastností tenkých filmů pomocí numerického modelování experimentálních testů

Testování tenkých filmů pomocí "Bulge testu" je experimentální technika která zahrnuje použití numerických a analytických přístupů k charakterizaci mechanických vlastností tenkých vrstev. Tato práce ...

Tinoco Navarro, Hector Andres; Jančo,, Roland; Klusák,, Jan; Hutař, Pavel
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Aktualizace výpočtového modelu kapacity okružních křižovatek
Patočka, Miroslav; Bačová, Katarina; Kumpošt, Petr; Radimský, Michal
2023 - Czech Disertační práce se zabývá novým přístupem k charakteristice dopravních proudů na okružních křižovatkách ve vztahu k výpočtu jejich kapacity. Aktuálně používaná metodika, jejíž základy formuloval v roce 1973 Werner Siegloch, vychází z nepřesných předpokladů a zjednodušení, která mohou v konečném důsledku zkreslovat výsledky kapacitních posouzení provedených podle stávajícího platného národního předpisu. V této práci je využito nejen inovativního postupu při získávání empirických dat formou analýzy obrazu využitím tzv. počítačového vidění, ale především je zde řešen proces akceptace časových světlostí v nadřazeném dopravním proudu vozidly z podřazeného dopravního proudu jako stochastický jev. Tento přístup si klade za cíl nahradit deterministicky stanovené hodnoty kritické časové světlosti a následného časového odstupu vhodným rozdělením hustoty pravděpodobnosti, které bude nejlépe odpovídat naměřeným empirickým datům. The doctoral thesis deals with a new approach to the characteristics of traffic flows at roundabouts in relation to the capacity estimation. The currently used methodology, which was introduced in 1973 by Werner Siegloch, is based on imprecise assumptions and simplifications, which may ultimately distort the results of capacity assessments carried out according to the existing valid national regulation. This thesis uses not only an innovative procedure for obtaining empirical data by image analysis using so-called computer vision, but above all, the process of gap-acceptance of main-stream time clearances by minor stream vehicles is solved as a stochastic phenomenon. This approach aims to replace the deterministic values of the critical gap and follow-up headway with an appropriate probability density function that will meet empirical data in the best way. Keywords: teorie časových odstupů; kritická časová světlost; následný časový odstup; okružní křižovatka; kapacita; hustota pravděpodobnosti; zobecněné inverzní Gaussovo rozdělení (GIG); Gamma rozdělení; exponenciální rozdělení; gap-acceptance theory; critical gap; follow-up time; roundabout; capacity; probability density function; generalized inverse Gaussian distribution; Gamma distribution; exponential distribution Available in a digital repository NRGL Aktualizace výpočtového modelu kapacity okružních křižovatek

Disertační práce se zabývá novým přístupem k charakteristice dopravních proudů na okružních křižovatkách ve vztahu k výpočtu jejich kapacity. Aktuálně používaná metodika, jejíž základy formuloval v ...

Patočka, Miroslav; Bačová, Katarina; Kumpošt, Petr; Radimský, Michal
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Processing of metallic materials by Selective Laser Melting at elevated temperatures
Malý, Martin; Filho, Sergio de Traglia Amancio; Dr. Michael R. Tucker; Koutný, Daniel
2023 - English Tato disertační práce se zabývá vlivem předehřevu na výrobu komponent 3D tiskem kovů technologií Selective Laser Melting (SLM), také známou pod označením Laser Powder Bed Fusion (LPBF). V práci je obsažen přehled současného stavu poznání v oblasti realizace předehřevu a fyzikální podstaty předehřevu. Dále je v práci obsažen přehled vlivu předehřevu na konkrétní typy materiálů. Mezi tyto typy materiálů byly zařazeny titanové, intermetalické, niklové a hliníkové slitiny a měď. Z rešeršní části byly identifikovány perspektivní oblasti, které doposud nebyly dostatečně zkoumány, a kde by předehřev mohl vést k zefektivnění technologie LPBF a rozšíření oblasti zpracovatelných materiálů. Mezi tyto oblasti bylo zařazeno zkoumání vlivu předehřevu v kombinaci s dalšími procesními parametry na zbytková napětí u slitiny Ti6Al4V, vliv předehřevu na niklovou slitinu Inconel 939 a na měď. Předpokladem u Ti6Al4V a Inconelu 939 bylo, že předehřev sníží zbytková napětí a bude tak možné snížit množství podpůrných struktur během výroby, což by vedlo k zefektivnění technologie. Tato hypotéza byla zamítnuta, protože i přes snížení zbytkových napětí u Ti6Al4V nedošlo k jejich eliminaci a navíc, došlo k rychlé degradaci nepoužitého prášku, což zvyšuje náklady na výrobu. U Inconelu 939 dokonce zvýšená teplota vedla k vyšším deformacím, a tedy zbytkovým napětím v důsledku evoluce karbidické fáze. Další perspektivní oblastí, kde by předehřev mohl vést k zvýšení portfolia zpracovatelných materiálů, je měď. Měď je díky vysoké tepelné vodivosti a odrazivosti laserového záření považována za obtížně zpracovatelnou technologií LPBF. Z experimentů byl potvrzen velice pozitivní vliv předehřevu na relativní hustotu vzorků. Vzorky dosáhly hodnot relativní hustoty přes 99 % pokud byly tisknuty s předehřevem 400 °C. Bylo tedy experimentálně ověřeno, že předehřev může významně zlepšit zpracovatelnost skupiny materiálů, které mají nízkou pohltivost laserového záření a materiálů s vysokou teplenou vodivostí. Všechny výsledky vedou k lepšímu pochopení chování materiálů během zpracování technologií LPBF a mohou vést k jejímu rozšíření do dalších průmyslových odvětví. Výsledky jsou shrnuty ve třech publikacích, které byly vydány ve vědeckých časopisech. This dissertation thesis deals with the influence of preheating on the components produced using Selective Laser Melting (SLM), also known as Laser Powder Bed Fusion (LPBF) technology. The thesis contains an overview of the current state of knowledge in the field of preheating and the physical nature of preheating. Furthermore, the work contains an overview of the effect of preheating on specific types of materials. These types of materials included in the state of the art are titanium, intermetallic, nickel and aluminium alloys, and copper. From the state of knowledge, promising research areas were identified, where preheating could lead to more efficient production using LPBF technology and to expansion of the area of processable materials. These areas include the investigation of the effect of preheating in combination with other process parameters on the residual stresses of Ti6Al4V alloy, the effect of preheating on nickel alloy Inconel 939 and copper. The premise of the Ti6Al4V and Inconel 939 topics was that preheating would reduce residual stresses, and thus will be possible to reduce the necessary amount of support structures. The results can lead to more cost-effective production using LPBF technology. This hypothesis was rejected. Despite the reduction in residual stresses in Ti6Al4V, they were not fully eliminated and, in addition, a rapid degradation of unused powder was detected, which increases production costs. The preheating of the Inconel 939, against the assumption based on behaviour of other materials, led to higher deformations and thus residual stresses, due to the evolution of precipitates. Another selected area where preheating could lead to an increase in the portfolio of processable materials is the processing of copper. Copper is a difficult to process material using LPBF technology due to its high thermal conductivity and laser reflectivity. The experiments confirmed a very positive effect of preheating on the relative density of the samples. The samples reached relative density values of over 99% when fabricated with preheating at 400 °C. Thus, preheating can significantly improve the process ability of reflective and high conductive materials. All of the results lead to a better understanding of the behaviour of the materials during processing by LPBF technology and may lead to its further expansion to more industries. The results are summarized in three publications that have been published in scientific journals. Keywords: Laser powder bed fusion; Selective laser melting; residual stress; preheating; Ti6Al4V; Inconel; copper; Laser powder bed fusion; Selective laser melting; zbytková napětí; předehřev; Ti6Al4V; Inconel; měď Available in a digital repository NRGL Processing of metallic materials by Selective Laser Melting at elevated temperatures

Tato disertační práce se zabývá vlivem předehřevu na výrobu komponent 3D tiskem kovů technologií Selective Laser Melting (SLM), také známou pod označením Laser Powder Bed Fusion (LPBF). V práci je ...

Malý, Martin; Filho, Sergio de Traglia Amancio; Dr. Michael R. Tucker; Koutný, Daniel
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Field Programmable Neural Networks odolná proti poruchám
Krčma, Martin; Kordík, Pavel; Stopjaková, Viera; Drábek, Vladimír
2023 - English Tato práce se zaměřuje na koncept Field Programmable Neural Networks jehož cílem je učinit implementaci umělých neuronových sítí v hradlových polích méně náročnou jejich prostředky. Za tímto účelem práce koncept rozvíjí a představuje několik jeho různých typů jež se vyznačují různými poměry mezi spotřebou zdrojů hradlových polí a přesností s jakou aproximují původní neuronovou síť jíž implementují. Teze díle rozšiřuje koncept o metody zabezpečení proti poruchám s využitím redundance a také bez ní. This thesis focuses on the Field Programmable Neural Networks concept intended to make implementation of neural networks in FPGAs less resource demanding. The thesis introduces and discusses several types of Field Programmable Neural Networks which provide different trad-offs between the resource consumption and the accuracy of the implemented neural network approximation. This thesis also introduces and discusses methods of hardening the Field Programmable Neural Networks against faults with and without redundancy. Keywords: Field Programmable Neural Networks; fault tolerance; neural networks; FPGAs; Field Programmable Neural Networks; odolnost proti poruchám; neuronové sítě; FPGA Available in a digital repository NRGL Field Programmable Neural Networks odolná proti poruchám

Tato práce se zaměřuje na koncept Field Programmable Neural Networks jehož cílem je učinit implementaci umělých neuronových sítí v hradlových polích méně náročnou jejich prostředky. Za tímto účelem ...

Krčma, Martin; Kordík, Pavel; Stopjaková, Viera; Drábek, Vladimír
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Access and Backhaul Solutions for Cellular-Enabled Industrial Wearables
Saafi, Salwa; Bečvář, Zdeněk; Tölli, Antti; Hošek, Jiří
2023 - English Smartphones are no longer the only portable devices changing the lives and daily routines of today’s digitally connected consumers. Smart glasses, watches, headsets, cameras, bands, trackers, monitors, and scanners are all examples of hands-free inherently mobile wearable devices that enable the emerging consumer and industrial applications. Similarly to customers who are ready to embrace life-changing experiences with new devices, companies and industries are also employing smart helpers and intelligent assistant systems to improve the efficiency of their automated processes and the productivity and safety of their workers. Not limited to the employment of smart helpers, the industrial digital transformation relies heavily on the deployment of communication infrastructures that utilize efficient cellular technologies to meet the dissimilar requirements of industrial applications. Motivated by these intelligent assistant systems and communication technologies, this dissertation focuses on the role of wearable technology and cellular connectivity in enabling the automation of vertical domains. Aiming to address the current technology gap behind cellular-enabled industrial wearables, the present work is dedicated to assessing the applicability of cellular connectivity to industrial wearables and developing efficient access and backhaul solutions for the support of the requirements of emerging industrial applications. The following outline of this dissertation is built around the main objectives as highlighted above and presents the main outcomes of this work, which include (i) a concise technology review capturing the evolution of the recent solutions proposed by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) for wearable devices and communications, (ii) an introduction to novel categories of industrial wearable applications with mid-end requirements that fall in-between the two extremes of high-end and low-end Fifth-Generation (5G) service classes, (iii) an assessment of the applicability of the emerging Reduced-Capability New Radio (NR RedCap) technology to the newly introduced wearable applications, (iv) an extension of the RedCap wearable communications with Device-to-Device (D2D) and Supplementary Uplink (SUL) capabilities for enhanced access network performance, (v) a cost-efficient backhaul selection solution based on Markov Decision Processes (MDPs) for time-sensitive wearable applications in an integrated terrestrial and non-terrestrial communication scenario, and (vi) a data-driven Artificial Intelligence (AI)-aided approach for the management of complex industrial networks with dissimilar device capabilities, communication solutions, and application requirements. A set of simulation and analytical models is developed to assess the relevant key performance indicators as part of the above contributions. Beyond indicating the need for technology improvement demanded by the efficient integration of wearable devices into cellular networks and the satisfaction of industrial application requirements, the numerical results reported in this dissertation confirm the network performance enhancements achieved by the access and backhaul solutions contributed in this work. Smartphones are no longer the only portable devices changing the lives and daily routines of today’s digitally connected consumers. Smart glasses, watches, headsets, cameras, bands, trackers, monitors, and scanners are all examples of hands-free inherently mobile wearable devices that enable the emerging consumer and industrial applications. Similarly to customers who are ready to embrace life-changing experiences with new devices, companies and industries are also employing smart helpers and intelligent assistant systems to improve the efficiency of their automated processes and the productivity and safety of their workers. Not limited to the employment of smart helpers, the industrial digital transformation relies heavily on the deployment of communication infrastructures that utilize efficient cellular technologies to meet the dissimilar requirements of industrial applications. Motivated by these intelligent assistant systems and communication technologies, this dissertation focuses on the role of wearable technology and cellular connectivity in enabling the automation of vertical domains. Aiming to address the current technology gap behind cellular-enabled industrial wearables, the present work is dedicated to assessing the applicability of cellular connectivity to industrial wearables and developing efficient access and backhaul solutions for the support of the requirements of emerging industrial applications. The following outline of this dissertation is built around the main objectives as highlighted above and presents the main outcomes of this work, which include (i) a concise technology review capturing the evolution of the recent solutions proposed by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) for wearable devices and communications, (ii) an introduction to novel categories of industrial wearable applications with mid-end requirements that fall in-between the two extremes of high-end and low-end Fifth-Generation (5G) service classes, (iii) an assessment of the applicability of the emerging Reduced-Capability New Radio (NR RedCap) technology to the newly introduced wearable applications, (iv) an extension of the RedCap wearable communications with Device-to-Device (D2D) and Supplementary Uplink (SUL) capabilities for enhanced access network performance, (v) a cost-efficient backhaul selection solution based on Markov Decision Processes (MDPs) for time-sensitive wearable applications in an integrated terrestrial and non-terrestrial communication scenario, and (vi) a data-driven Artificial Intelligence (AI)-aided approach for the management of complex industrial networks with dissimilar device capabilities, communication solutions, and application requirements. A set of simulation and analytical models is developed to assess the relevant key performance indicators as part of the above contributions. Beyond indicating the need for technology improvement demanded by the efficient integration of wearable devices into cellular networks and the satisfaction of industrial application requirements, the numerical results reported in this dissertation confirm the network performance enhancements achieved by the access and backhaul solutions contributed in this work. Keywords: Wearables; cellular connectivity; industrial networks; 5G and beyond; NR RedCap; access solutions; D2D; SUL; backhaul selection; MDP; AI.; Wearables; cellular connectivity; industrial networks; 5G and beyond; NR RedCap; access solutions; D2D; SUL; backhaul selection; MDP; AI. Available in a digital repository NRGL Access and Backhaul Solutions for Cellular-Enabled Industrial Wearables

Smartphones are no longer the only portable devices changing the lives and daily routines of today’s digitally connected consumers. Smart glasses, watches, headsets, cameras, bands, trackers, ...

Saafi, Salwa; Bečvář, Zdeněk; Tölli, Antti; Hošek, Jiří
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Machine Learning-Aided Monitoring and Prediction of Respiratory and Neurodegenerative Diseases Using Wearables
Skibińska, Justyna; Esposito, Anna; Faundez-Zanuy, Marcos; Hošek, Jiří
2023 - English This thesis focuses on wearables for health status monitoring, covering applications aimed at emergency solutions to the COVID-19 pandemic and aging society. The methods of ambient assisted living (AAL) are presented for the neurodegenerative disease Parkinson's disease (PD), facilitating 'aging in place' thanks to machine learning and around wearables - solutions of mHealth. Furthermore, the approaches using machine learning and wearables are discussed for early-stage COVID-19 detection. Firstly, a publicly available dataset containing COVID-19, influenza, and healthy control data was reused for research purposes. The solution presented in this thesis is considering the classification problem and outperformed the state-of-the-art methods, whereas the original paper introduced just anomaly detection. The proposed model in the thesis for early detection of COVID-19 achieved 78 % for the k-NN classifier. Moreover, a second dataset available on request was utilized for recognition between COVID-19 cases and two types of influenza. The scrutinisation in the form of the classification between the COVID-19 and Influensa groups is proposed as the extension to the research presented in the original paper. The accuracy of the distinction between COVID-19 cases and influenza in the middle of the pandemic was equal to 73 % thanks to the k-NN. Furthermore, the contribution as the classification model of two aforementioned combined datasets was provided, and COVID-19 cases were able to be distinguished from healthy controls with 73 % accuracy thanks to XGBoost algorithm. The undeniable advantage of the illustrated approaches is taking into consideration the incubation period and contagiousness of the disease. In addition, some solutions for the detection of the aforementioned aging society phenomenon are presented. This study explores the possibility of fusing computerised analysis of hypomimia and hypokinetic dysarthria for the spectrum of Czech speech exercises. The introduced dataset is unique in this field because of its diversity and myriad of speech exercises. The aim is to introduce a new techniques of PD diagnosis that could be easily integrated into mHealth systems. A classifier based on XGBoost was used, and SHAP values were used to ensure interpretability. The presented interpretability allows for the identification of clinically valuable biomarkers. Moreover, the fusion of video and audio modalities increased the balanced accuracy to 83 %. This methodology pointed out the most indicative speech exercise – tongue twister from the clinical point of view. Furthermore, this work belongs to just a few studies which tackle the subject of utilising multimodality for PD and this approach was profitable in contrast with a single modality. Another study, presented in this thesis, investigated the possibility of detecting Parkinson's disease by observing changes in emotion expression during difficult-to-pronounce speech exercises. The obtained model with XGBoost achieved 69 % accuracy for a tongue twister. The usage of facial features, emotion recognition, and computational analysis of tongue twister was proved to be successful in PD detection, which is the key novelty and contribution of this study. Additionally, the unique overview of potential methodologies suitable for the detection of PD based on sleep disorders was depicted. This thesis focuses on wearables for health status monitoring, covering applications aimed at emergency solutions to the COVID-19 pandemic and aging society. The methods of ambient assisted living (AAL) are presented for the neurodegenerative disease Parkinson's disease (PD), facilitating 'aging in place' thanks to machine learning and around wearables - solutions of mHealth. Furthermore, the approaches using machine learning and wearables are discussed for early-stage COVID-19 detection. Firstly, a publicly available dataset containing COVID-19, influenza, and healthy control data was reused for research purposes. The solution presented in this thesis is considering the classification problem and outperformed the state-of-the-art methods, whereas the original paper introduced just anomaly detection. The proposed model in the thesis for early detection of COVID-19 achieved 78 % for the k-NN classifier. Moreover, a second dataset available on request was utilized for recognition between COVID-19 cases and two types of influenza. The scrutinisation in the form of the classification between the COVID-19 and Influensa groups is proposed as the extension to the research presented in the original paper. The accuracy of the distinction between COVID-19 cases and influenza in the middle of the pandemic was equal to 73 % thanks to the k-NN. Furthermore, the contribution as the classification model of two aforementioned combined datasets was provided, and COVID-19 cases were able to be distinguished from healthy controls with 73 % accuracy thanks to XGBoost algorithm. The undeniable advantage of the illustrated approaches is taking into consideration the incubation period and contagiousness of the disease. In addition, some solutions for the detection of the aforementioned aging society phenomenon are presented. This study explores the possibility of fusing computerised analysis of hypomimia and hypokinetic dysarthria for the spectrum of Czech speech exercises. The introduced dataset is unique in this field because of its diversity and myriad of speech exercises. The aim is to introduce a new techniques of PD diagnosis that could be easily integrated into mHealth systems. A classifier based on XGBoost was used, and SHAP values were used to ensure interpretability. The presented interpretability allows for the identification of clinically valuable biomarkers. Moreover, the fusion of video and audio modalities increased the balanced accuracy to 83 %. This methodology pointed out the most indicative speech exercise – tongue twister from the clinical point of view. Furthermore, this work belongs to just a few studies which tackle the subject of utilising multimodality for PD and this approach was profitable in contrast with a single modality. Another study, presented in this thesis, investigated the possibility of detecting Parkinson's disease by observing changes in emotion expression during difficult-to-pronounce speech exercises. The obtained model with XGBoost achieved 69 % accuracy for a tongue twister. The usage of facial features, emotion recognition, and computational analysis of tongue twister was proved to be successful in PD detection, which is the key novelty and contribution of this study. Additionally, the unique overview of potential methodologies suitable for the detection of PD based on sleep disorders was depicted. Keywords: aging society; artificial intelligence; COVID-19; machine learning; Parkinson’s disease; signal processing; wearables; aging society; artificial intelligence; COVID-19; machine learning; Parkinson’s disease; signal processing; wearables Available in a digital repository NRGL Machine Learning-Aided Monitoring and Prediction of Respiratory and Neurodegenerative Diseases Using Wearables

This thesis focuses on wearables for health status monitoring, covering applications aimed at emergency solutions to the COVID-19 pandemic and aging society. The methods of ambient assisted living ...

Skibińska, Justyna; Esposito, Anna; Faundez-Zanuy, Marcos; Hošek, Jiří
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Prvky s podélnými fotonickými strukturami v optických vláknech
Urban, František; Róka,, Rastislav; Slavíček, Karel; Smékal, Zdeněk
2023 - Czech Cílem práce je analyzovat možnosti využítí specifické metody přípravy podélných vláknových kvaziperiodických struktur typu Braggových mřížek, k návrhu a přípravě optovláknových difrakčních prvků pro senzoriku. Ohniskem práce se staly apodizované Braggovy mřížky a metoda jejich návrhu a přípravy založená na vzájemném překrytí dvou i více mírně se lišících uniformních struktur. První část práce shrnuje teoretické poznatky o Braggových mřížkách a prezentuje rozbor základních typů mřížek a jejich významných vlastností. Dále se práce zabývá významnými aspekty použití mřížek v senzorice, analyzuje způsoby vyhodnocování účinků měřených veličin na mřížky. Ukazuje cesty optimalizace přesnosti měření ovlivněné šumy z hlediska vlastností mřížek i postupů vyhodnocování. V kapitole 4. práce ukazuje význam a vlastnosti apodizace mřížek. Stěžejní kapitola 5. rozšiřuje a zobecňuje použití metody Moaré pro přípravu apodizovaných mřížek. Jsou představeny principy a vytvořen matematický popis zobecněné metody Moaré překryvu více nestejných uniformních mřížkových struktur, který je zaměřen na implementaci metody do technického systému přípravy mřížek systémem bočního osvitu vlákna přes společnou fázovou masku s napínáním a posuvy vlákna při expozicích jednotlivých submřížek struktury. Princip metody je aplikován do optimalizací návrhů devíti zvláštních mřížkových struktur s dvěma a třemi submřížkami pro dosažení specifických parametrů výhodných pro senzorické aplikace. Kapitola 6. prezentuje kroky přípravy expozičního zařízení k rozvinutí expozice mřížek zobecněnou Moaré metodou a uvádí výsledky experimentálních prací při realizaci navržených apodizovaných dvoj a trojmřížkových struktur. Jsou prezentovány optimalizované struktury pro vysoký odstup postranních maxim, struktury s ostrým spektrálním poklesem odrazivosti v hlavním maximu a struktury s plochým temenem maxima odrazivosti. The focus of the thesis is to analyse the specific ways and the means of preparation of the longitudinal quasi-periodical optical structures of the Bragg grating type made in the fibre waveguides with a scope of forming the fibre diffractive elements for sensorics. Apodized Bragg gratings and their design and preparation based on the overlying of two or more nonidentical uniform structures became the target of the work. The first part presents the Bragg grating theory and the outline of the grating types and features. Further the thesis discusses the important aspects of grating applications in sensors. The ways of sensorial grating optimization and grating evaluation optimization are shown. Chapter 4. shows the impact and properties of the grating apodization. The next part of the thesis spreads and generalises the usage of the Moaré method of apodized gratings preparation. The principles of the generalized method are introduced and its math description based on the multiple nonequal subgratings overlays formulated. The math formulation respects the specifics of the gratings writing by the side exposition of the fibre with the interference pattern of the UV radiation passing through the phase mask, where all the subgratings use the common mask and the fibre stretches and shifts are applied. These principles are applied in optimised designs of nine application specific grating structures using two and three subgratings. Chapter 6. presents the necessary steps for the exposition system to adopt the needs of the generalised Moaré method and shows the results of the experimental works in the preparation of the designed apodized two and three subgrating based structures. The optimized grating structures with high side lobe suppression, structures with sharp central reflectance drop and the structures with flat reflectance maximum are presented. Keywords: Braggova mřížka; skenování spektra; odrazné spektrum mřížky; apodizace mřížky; Moaré; odstup postranních maxim.; Bragg grating; spectrum scanning; grating reflectance spectrum; grating apodization; Moaré; side lobe suppression. Available in a digital repository NRGL Prvky s podélnými fotonickými strukturami v optických vláknech

Cílem práce je analyzovat možnosti využítí specifické metody přípravy podélných vláknových kvaziperiodických struktur typu Braggových mřížek, k návrhu a přípravě optovláknových difrakčních prvků pro ...

Urban, František; Róka,, Rastislav; Slavíček, Karel; Smékal, Zdeněk
Vysoké učení technické v Brně, 2023