Kannettavan kaasuilmaisimen suunnittelu ja toteutus

Työn tarkoituksena on suunnitella ja toteuttaa kannettava kaasuilmaisin, joka soveltuu erityisesti tavallisen kuluttajan tarpeisiin. Kaasuilmaisin on herkkä haihtuville palaville kaasuille, sekä orgaanisille kaasuille. Työssä käytetään Atmelin ATMega164P- mikrokontrolleria, piirin ohjelmointiin käytetään AVR-ISP-II, ja kehitystyökaluina AVRStudio 4:ää. Piirilevy on suunniteltu Cadsoftin Eagle- piirieditorilla. Työssä käydään läpi kokonaisvaltainen sulautetun järjestelmän suunnitteluprosessi, tuotteen spesifikaatioiden määrityksistä aina valmiin fyysisen tuotteen valmistuttamiseen asti. Tuote suunnitellaan Environics Oy:lle.

Kuorman tasaus web-palvelimissa

Web-palvelussa sivuston suorituskyky muodostaa suuren osan käyttökokemuksen mielekkyydestä. Sivuston ollessa kuormitetumpi kuin normaalisti, saattaa se toimia tavallista hitaammin. Tasaamalla yhden web-palvelimen kuormaa muille palvelimille, joko laitteisto tai ohjelmistopohjaisella kuormantasauksella, voidaan saavuttaa merkittäviä suorituskykyparannuksia koko palvelulle. Teoriaosassa selvitettiin kuormantasaukseen soveltuvien algoritmien toimintaa sekä tietokantapohjaista replikaatiota, joka välittää saamansa tiedon lähes välittömästi toiselle palvelimelle. Apachen kuormantasausmoduuliin sekä sen sisältämiin algoritmeihin luotiin myös katsaus teoriaosassa. Varsinaisessa työssä luotiin Apachen kuormantasauspalvelimen ja kahden suorituspalvelimen avulla toimiva palvelinjärjestelmä. Kuormantasaimeen asennettiin käyttöön tahmeat sessiot, joiden toimintaa selvitettiin Drupal-ohjelman avulla. Apachessa on ollut ongelmia tahmeiden sessioiden kanssa, mutta työssä huomattiin kaiken toimivan mainiosti. Kuormantasaus ja tietokantojen replikaatio toimi, kuten odotettiin.

When to Utilize Software as a Service

Cloud computing enables on-demand network access to shared resources (e.g., computation, networks, servers, storage, applications, and services) that can be rapidly provisioned and released with minimal management effort. Cloud computing refers to both the applications delivered as services over the Internet and the hardware and system software in the data centers. Software as a service (SaaS) is part of cloud computing. It is one of the cloud service models. SaaS is software deployed as a hosted service and accessed over the Internet. In SaaS, the consumer uses the provider‘s applications running in the cloud. SaaS separates the possession and ownership of software from its use. The applications can be accessed from any device through a thin client interface. A typical SaaS application is used with a web browser based on monthly pricing. In this thesis, the characteristics of cloud computing and SaaS are presented. Also, a few implementation platforms for SaaS are discussed. Then, four different SaaS implementation cases and one transformation case are deliberated. The pros and cons of SaaS are studied. This is done based on literature references and analysis of the SaaS implementations and the transformation case. The analysis is done both from the customer‘s and service provider‘s point of view. In addition, the pros and cons of on-premises software are listed. The purpose of this thesis is to find when SaaS should be utilized and when it is better to choose a traditional on-premises software. The qualities of SaaS bring many benefits both for the customer as well as the provider. A customer should utilize SaaS when it provides cost savings, ease, and scalability over on-premises software. SaaS is reasonable when the customer does not need tailoring, but he only needs a simple, general-purpose service, and the application supports customer‘s core business. A provider should utilize SaaS when it offers cost savings, scalability, faster development, and wider customer base over on-premises software. It is wise to choose SaaS when the application is cheap, aimed at mass market, needs frequent updating, needs high performance computing, needs storing large amounts of data, or there is some other direct value from the cloud infrastructure.

Learning Robot Environment through Simulation

Traditionally simulators have been used extensively in robotics to develop robotic systems without the need to build expensive hardware. However, simulators can be also be used as a “memory”for a robot. This allows the robot to try out actions in simulation before executing them for real. The key obstacle to this approach is an uncertainty of knowledge about the environment. The goal of the Master’s Thesis work was to develop a method, which allows updating the simulation model based on actual measurements to achieve a success of the planned task. OpenRAVE was chosen as an experimental simulation environment on planning,trial and update stages. Steepest Descent algorithm in conjunction with Golden Section search procedure form the principle part of optimization process. During experiments, the properties of the proposed method, such as sensitivity to different parameters, including gradient and error function, were examined. The limitations of the approach were established, based on analyzing the regions of convergence.

Verkkokaupan logistiikkaratkaisu

Tässä työssä selvitetään miten peltikattoja ja niiden oheistarvikkeita verkkokaupoissa myyvä yritys voi alkaa myydä ristiin eri valmistajien kattoja ja sadevesijärjestelmiä. Työssä tarkastellaan niin tehokkaan logistiikan kuin verkkokaupan vaatimuksia, sekä sitä miksi näitä tuotteita kannattaa myydä verkkokaupassa eikä perinteiseen tapaan rautakaupoissa. Tehokkaan logistiikan mahdollistamiseksi tuotteiden kokoa on muutettava – pitkien tuotteiden kuljettaminen on aina kallista. On pyrittävä käyttämään standardikokoisia kuljetus- ja käsittely-yksiköitä, jolloin kuljetuskustannukset alenevat ja käsittely helpottuu ja nopeutuu. Runkokuljetuksissa keskusvarastoihin pyritään täysiin kuormiin, kun taas jakelukuljetuksissa asiakkaille on pyrittävä kustannustehokkuuteen ja kattavaan palveluverkostoon, jollaisen tarjoaa esimerkiksi Matkahuolto. Verkkokaupoissa sadevesijärjestelmiä myydään kahdella eri tavalla. Kattopaketti.fi -verkkokaupassa asiakas käyttää kattonsa mitoittamisessa pienoisohjelmaa, johon hän syöttää pyydetyt mitat. Peltikauppa.com toimii tavalliseen tapaan, jolloin asiakas valitsee haluamansa tuotteet valikoimasta. Rakennustarvikkeet ovat puuttuneet verkkokaupoista niiden hankalan logistiikan vuoksi. Tuotteet ovat isoja, kömpelöitä ja niitä tarvitaan määrällisesti paljon. Keskittymällä yhteen tuoteryhmään ja hiomalla sen logistiikka kuntoon, on verkkokaupan kuitenkin mahdollista pystyä kilpailemaan perinteisiä hankintakanavia vastaan.

Field-Programmable Gate Array Card for Readout and Control of Cryoelectronics

The main goal of the present Master’s Thesis project was to create a field-programmable gate array (FPGA) based system for the control of single-electron transistors or other cryoelectronic devices. The FPGA and similar technologies are studied in the present work. The fixed and programmable logic are compared with each other. The main features and limitations of the hardware used in the project are investigated. The hardware and software connections of the device to the computer are shown in detail. The software development techniques for FPGA-based design are described. The steps of design for programmable logic are considered. Furthermore, the results of filters implemented in the software are illustrated.

Tactile-Proprioceptive Robotic Grasping

Robotic grasping has been studied increasingly for a few decades. While progress has been made in this field, robotic hands are still nowhere near the capability of human hands. However, in the past few years, the increase in computational power and the availability of commercial tactile sensors have made it easier to develop techniques that exploit the feedback from the hand itself, the sense of touch. The focus of this thesis lies in the use of this sense. The work described in this thesis focuses on robotic grasping from two different viewpoints: robotic systems and data-driven grasping. The robotic systems viewpoint describes a complete architecture for the act of grasping and, to a lesser extent, more general manipulation. Two central claims that the architecture was designed for are hardware independence and the use of sensors during grasping. These properties enables the use of multiple different robotic platforms within the architecture. Secondly, new data-driven methods are proposed that can be incorporated into the grasping process. The first of these methods is a novel way of learning grasp stability from the tactile and haptic feedback of the hand instead of analytically solving the stability from a set of known contacts between the hand and the object. By learning from the data directly, there is no need to know the properties of the hand, such as kinematics, enabling the method to be utilized with complex hands. The second novel method, probabilistic grasping, combines the fields of tactile exploration and grasp planning. By employing well-known statistical methods and pre-existing knowledge of an object, object properties, such as pose, can be inferred with related uncertainty. This uncertainty is utilized by a grasp planning process which plans for stable grasps under the inferred uncertainty.

Sähköajoneuvon sähkökäytön ja mekaniikan reaaliaikaisen yhdistelmäsimulaation toteuttaminen virtuaaliympäristössä

Esitetyn tutkimuksen tavoite on selvittää yksinkertaisen sähköajoneuvosimulaation avulla sähkökäyttösimulaation ja mekaniikkasimulaation välisen ohjelmallisen rajapinnan toimivuutta ja samalla toteuttaa LUT Energian hybridilaboratorion ensimmäinen rajapintaa hyödyntävä sähkökäytön ja mekaniikan yhdistelmäsimulaatio. Tutkimus on osa Lappeenrannan teknillisen yliopiston hybridikäyttötutkimusta, jossa muun muassa virtuaalisimuloinnin ja in-loop –simulaatioiden avulla tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisoinnin vaikutuksia esimerkiksi niiden suorituskykyyn, energiatehokkuuteen ja käytettävyyteen. Tulokset osoittavat mainitun rajapinnan toimivuuden, mikä mahdollistaa tutkimuksen etenemisen. Lisäksi raportti selvittää virtuaalisimuloinnin keskeisiä käsitteitä (virtual prototyping, hardware-in-the-loop sekä human-in-the-loop –simulointi).

Exploration and Design of Power-Efficient Networked Many-Core Systems

Multiprocessing is a promising solution to meet the requirements of near future applications. To get full benefit from parallel processing, a manycore system needs efficient, on-chip communication architecture. Networkon- Chip (NoC) is a general purpose communication concept that offers highthroughput, reduced power consumption, and keeps complexity in check by a regular composition of basic building blocks. This thesis presents power efficient communication approaches for networked many-core systems. We address a range of issues being important for designing power-efficient manycore systems at two different levels: the network-level and the router-level. From the network-level point of view, exploiting state-of-the-art concepts such as Globally Asynchronous Locally Synchronous (GALS), Voltage/ Frequency Island (VFI), and 3D Networks-on-Chip approaches may be a solution to the excessive power consumption demanded by today’s and future many-core systems. To this end, a low-cost 3D NoC architecture, based on high-speed GALS-based vertical channels, is proposed to mitigate high peak temperatures, power densities, and area footprints of vertical interconnects in 3D ICs. To further exploit the beneficial feature of a negligible inter-layer distance of 3D ICs, we propose a novel hybridization scheme for inter-layer communication. In addition, an efficient adaptive routing algorithm is presented which enables congestion-aware and reliable communication for the hybridized NoC architecture. An integrated monitoring and management platform on top of this architecture is also developed in order to implement more scalable power optimization techniques. From the router-level perspective, four design styles for implementing power-efficient reconfigurable interfaces in VFI-based NoC systems are proposed. To enhance the utilization of virtual channel buffers and to manage their power consumption, a partial virtual channel sharing method for NoC routers is devised and implemented. Extensive experiments with synthetic and real benchmarks show significant power savings and mitigated hotspots with similar performance compared to latest NoC architectures. The thesis concludes that careful codesigned elements from different network levels enable considerable power savings for many-core systems.

AMB system for high-speed motors using automatic commissioning

The general trend towards increasing e ciency and energy density drives the industry to high-speed technologies. Active Magnetic Bearings (AMBs) are one of the technologies that allow contactless support of a rotating body. Theoretically, there are no limitations on the rotational speed. The absence of friction, low maintenance cost, micrometer precision, and programmable sti ness have made AMBs a viable choice for highdemanding applications. Along with the advances in power electronics, such as signi cantly improved reliability and cost, AMB systems have gained a wide adoption in the industry. The AMB system is a complex, open-loop unstable system with multiple inputs and outputs. For normal operation, such a system requires a feedback control. To meet the high demands for performance and robustness, model-based control techniques should be applied. These techniques require an accurate plant model description and uncertainty estimations. The advanced control methods require more e ort at the commissioning stage. In this work, a methodology is developed for an automatic commissioning of a subcritical, rigid gas blower machine. The commissioning process includes open-loop tuning of separate parts such as sensors and actuators. The next step is to apply a system identi cation procedure to obtain a model for the controller synthesis. Finally, a robust model-based controller is synthesized and experimentally evaluated in the full operating range of the system. The commissioning procedure is developed by applying only the system components available and a priori knowledge without any additional hardware. Thus, the work provides an intelligent system with a self-diagnostics feature and an automatic commissioning.

Ohjelmistotuotannon menetelmien käyttö sulautetuissa järjestelmissä

Sulautettujen järjestelmien tekemisessä käytettävät metodit ovat moninaiset. Tämä johtuu siitä, että sulautettuja järjestelmiä on tuhansia erilaisia, sekä laitteiston ja ohjelmiston rakentamisen eroavaisuuksista. Sovellukset vaihtelevat kännyköistä aina avaruusluotaimiin. Näihin projekteihin on sovellettu metodeita joita ei ole alun perin suunniteltu laitteiston ja ohjelmiston yhteissuunnitteluun ja toteuttamiseen. Ohjelmistotuotannon menetelmistä oikean valinta nimenomaan tietylle sulautetulle järjestelmälle on haasteellista. Viimeisimpinä ovat tulleet erilaiset ketterät menetelmät ja niitäkin on olemassa useita erilaisia. Ketteriä ja perinteisempiä ohjelmistotuotannon menetelmiä esitellään tässä kandidaatin työssä. Tässä työssä on tarkoituksena selvittää mitkä olisivat parhaiten soveltuvia sulautetun järjestelmän projektille.

Learning Grasp Affordances from Vision

Monimutkaisissa ja muuttuvissa ympäristöissä työskentelevät robotit tarvitsevat kykyä manipuloida ja tarttua esineisiin. Tämä työ tutkii robottitarttumisen ja robottitartuntapis-teiden koneoppimisen aiempaa tutkimusta ja nykytilaa. Nykyaikaiset menetelmät käydään läpi, ja Le:n koneoppimiseen pohjautuva luokitin toteutetaan, koska se tarjoaa parhaan onnistumisprosentin tutkituista menetelmistä ja on muokattavissa sopivaksi käytettävissä olevalle robotille. Toteutettu menetelmä käyttää intensititeettikuvaan ja syvyyskuvaan po-hjautuvia ominaisuuksi luokitellakseen potentiaaliset tartuntapisteet. Tämän toteutuksen tulokset esitellään.

Kaivoslastauskoneen hybridisointianalyysi virtuaali- ja in-loop -simuloinnin avulla

Työssä tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisointimitoitusta simuloimalla. Työssä esitetään simulation-in-the-loop-simulointiin perustuva järjestelmä, jolla esimerkkitapauksena oleva kaivoslastauskone työympäristöineen voidaan mallintaa mekaaniselta osaltaan monikappaledynamiikkaan perustuvalla ohjelmistolla ja hybridijärjestelmän osalta Simulinkissa. Yhdistetty simulointi mahdollistaa hybridityökoneen virtuaalimallin ohjaamisen käyttäjän toimesta reaaliajassa. Simuloinnista saadaan tuloksena mm. työsykli, jota voidaan käyttää hybridisointimitoitukseen. Hybridisointi toteutetaan kahdella erilaisella kokoonpanolla, joista analysoidaan suorituskykyä sekä polttoaineen kulutusta. Tuloksia verrataan pelkästään dieselmoottoria voimanlähteenä käyttävään lastauskoneeseen. Työssä tehty tutkimus osoittaa, että (sarja-) hybridisoinnilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja raskaiden työkoneiden polttoainetehokkuudessa. Dieselmoottoria voidaan ajaa sellaisessa staattisessa toimintapisteessä, jonka hyötysuhde on korkea riippumatta työkoneen kuormituksesta. Saavutettu hyöty on toteutetussa tutkimuksessa parhaimmillaan jopa 56 % vähennys polttoaineenkulutuksessa. Lisäksi tarvittava dieselin nimellisteho pienenee huomattavasti. Tutkimuksen osana esitellään myös Hardware-in-the-Loop -laitteisto, jonka avulla voidaan liittää oikea sähkömoottori ja taajuudenmuuttaja osaksi virtuaalisesti simuloitua työkonetta.

Ketterien menetelmien hyödyntäminen sulautettujen järjestelmien kehityksessä

Sulautettujen järjestelmien projekti voidaan toteuttaa monella tavalla. Projektiin liittyy aina ohjelmiston, sekä laitteiston kehittäminen. Ohjelmiston suunnittelulla on suuri painoarvo ja tämä näkyy erityisesti varsinkin kulutuselektroniikassa. Kannettavien laitteiden räjähdysmäisesti lisääntynyt myynti ja käyttö ovat tuoneet markkinoille lisää rahaa ja mielenkiintoa. Tästä johtuen markkinoille tulee joka vuosi entistä kehittyneempiä laitteita. Laitteiston kehittymisen sekä asiakkaiden vaatimusten lisääntyessä ohjelmistojen koko on kasvanut. Tämä on luonut tarpeen myös sulautettujen järjestelmien projekteille ottaa käyttöön jokin tietty metodi ohjelmistojen tuotannossa. Ongelmana on kuitenkin se, että sulautettujen järjestelmien projekteihin on sovellettu metodeita, joita ei ole alun perin suunniteltu laitteiston ja ohjelmiston yhteissuunnitteluun ja toteuttamiseen. Miten voidaan valita oikea metodi sulautettujen järjestelmien projektiin? Tässä työssä esitellään perinteisiä ohjelmistotuotannon metodeita, sekä keskitytään eri ketterien metodien tutkimiseen. Tämä työ selvittää mikä vaikuttaa metodin valintaan sulautetun järjestelmän projektille. Tässä tutkimuksessa päädytään siihen johtopäätökseen, että sulautetuin järjestelmän suunnittelussa ja toteutuksessa ketterien menetelmien käyttö parantaa projektin mahdollisuutta onnistua täyttämään asiakkaan vaatimukset. Ketterien menetelmien käyttö ei poista tarvetta kehittää menetelmää, joka lähtökohtaisesti ottaa huomioon laitteiston ja ohjelmiston yhteissuunnittelun.

Virtual technology and haptic interface solutions for design and control of mobile working machines

Commercially available haptic interfaces are usable for many purposes. However, as generic devices they are not the most suitable for the control of heavy duty mobile working machines like mining machines, container handling equipment and excavators. Alternative mechanical constructions for a haptic controller are presented and analysed. A virtual reality environment (VRE) was built to test the proposed haptic controller mechanisms. Verification of an electric motor emulating a hydraulic pump in the electro-hydraulic system of a mobile working machine is carried out. A real-time simulator using multi-body-dynamics based software with hardware-in-loop (HIL) setup was used for the tests. Recommendations for further development of a haptic controller and emulator electric motor are given.