Photoelectric Measurements and Modeling of Bacteriorhodopsin

Recent technology has provided us with new information about the internal structures and properties of biomolecules. This has lead to the design of applications based on underlying biological processes. Applications proposed for biomolecules are, for example, the future computers and different types of sensors. One potential biomolecule to be incorporated in the applications is bacteriorhodopsin. Bacteriorhodopsin is a light-sensitive biomolecule, which works in a similar way as the light sensitive cells of the human eye. Bacteriorhodopsin reacts to light by undergoing a complicated series of chemical and thermal transitions. During these transitions, a proton translocation occurs inside the molecule. It is possible to measure the photovoltage caused by the proton translocations when a vast number of molecules is immobilized in a thin film. Also the changes in the light absorption of the film can be measured. This work aimed to develop the electronics needed for the voltage measurements of the bacteriorhodopsin-based optoelectronic sensors. The development of the electronics aimed to get more accurate information about the structure and functionality of these sensors. The sensors used in this work contain a thick film of bacteriorhodopsin immobilized in polyvinylalcohol. This film is placed between two transparent electrodes. The result of this work is an instrumentation amplifier which can be placed in a small space very close to the sensor. By using this amplifier, the original photovoltage can be measured in more detail. The response measured using this amplifier revealed two different components, which could not be distinguished earlier. Another result of this work is the model for the photoelectric response in dry polymer films.

Jalkaväkimiinojen suorituskykyä korvaavat tykistöasejärjestelmät

Suomi liittyy henkilömiinat kieltävään Ottawan sopimukseen vuonna 2012 ja hävittää jalkaväkimiinat vuoden 2016 loppuun mennessä. Jalkaväkimiinojen suorituskyky on pääosin korvattavissa. Jalkaväkimiinojen suorituskyvyn korvaaminen on toteutettava useiden, teknisesti kehittyneiden, mutta kalliiden osajärjestelmien yhdistelmällä. Suomelle on ehdotettu hankittavaksi muun muassa, itsenäisiä sensorijärjestelmiä, älypanoksia, joissa on integroidut sensorijärjestelmät sekä tykistön tai heittimistön älyammuksia. Pääesikunnan maavoimaosaston mukaan hankittavilla korvaavilla järjestelmillä on kyettävä korvaamaan jalkaväkimiinojen suorituskyky seuraavissa tehtävissä - panssari- ja ajoneuvomiinojen sekä esteiden ja murrosteiden suojaaminen sekä niiden raivaamisen estäminen tai vaikeuttaminen (ajanvoiton hankkiminen) - omien joukkojen ryhmityksen suojaaminen - alueen vapaan käytön estäminen hyökkääjältä - tappioiden tuottaminen hyökkääjälle. Tutkimuksen pääkysymys on, miten tykistöasejärjestelmää voidaan käyttää miinoitteen tehon nostamiseen sekä miinoittamiseen ja mitkä ovat ne tykistöasejärjestelmän osat, joilla miinoitteen suorituskyky ylläpidetään tai kehitetään? Tutkimuksen pohjaksi lasketaan tavanomaisen sulutteen teho vihollisen mekanisoitua komppaniaa vastaan. Saatua tulosta verrataan tykistöasejärjestelmän tuottamiin tappioihin vastaavaa maalia vastaan sekä arvioidaan, minkälainen yhteisvaikutus järjestelmillä on. Tutkimuksessa selvitetään tykistöasejärjestelmän kyky valvontaan ja maalinosoitukseen, tulivaikutukseen erityisesti miinoitteisiin liittyen sekä kaukomiinoittamiseen. Kymmenien kilometrien etäisyydelle vaikuttamaan kykenevät asejärjestelmät vaativat tehokkaan maalinosoitusjärjestelmän tai niiden suurta kantamaa ei kyetä täysin hyödyntämään. Ranger – lentotiedustelujärjestelmä on tehokas väline maalien paikantamiseen vihollisen selustasta, sen käyttöä rajoittaa lähinnä lennokkien vähäinen määrä ja toimintakyky vaativissa sääolosuhteissa. Sulutteiden valvontaan tehokkaimpia laitteita ovat maastonvalvontatutkat sekä sensorivalvontajärjestelmät. Maastovalvontatutkien keskimääräinen havaintoetäisyys ihmiseen on 1000 – 5000 metriä, joka riittää esimerkiksi pataljoonan painopistesuunnan sulutteiden valvontaan. Tulevaisuudessa miinoitteiden valvontaan tarkoitetut sensorivalvontajärjestelmät tulevat todennäköisesti olemaan pääosin miinoitteisiin asennettavia, pienikokoisia valvontalaitteita, joiden toiminta perustuu esimerkiksi infrapuna-, seismisiin tai magneettisiin sensoreihin. Raskaasta raketinheittimestä tulee Suomessa merkittävä operatiivisen tulenkäytön väline hyvän kantaman ja erittäin suuren tulen tehon ansiosta. Kaukomiinoittamiseen kykenevät AT2 miinaraketit ovat tehokkaita ja tulevat laajentamaan tavanomaisen panssarimiinoittamisen keinovalikoimaa huomattavasti. Raskaan raketinheittimen käyttöä rajoittaa eniten ampumalaitteiden vähyys sekä alkuvaiheessa yksipuoleinen ampumatarvikevalikoima. Älykkäillä tytärammuksilla varustetuilla kuorma-ammuksilla kyetään vaikuttamaan tehokkaasti omaan miinoitteeseen pysähtynyttä panssaroitua vihollista vastaan laskematta merkittävästi oman miinoitteen torjunta-arvoa. Kuorma-ammuksilla saavutetaan maalialueella huomattavan korkea tulentiheys, joka aiheuttaa viholliselle tuntuvat tappiot. Tutkimuksessa todetaan, että jalkaväkimiinoitteiden suorituskyky voidaan pääosin korvata tykistöasejärjestelmällä. Suurimmat haasteet aiheutuvat valvontatarpeen laajuudesta. Valvottavia miinoitteita on paljon eikä kaikkialle ole mahdollista suunnata tykistön valvonta- ja maalinosoituslaitteita. Taistelujen painopisteeseen tykistöllä on kuitenkin tarjota erittäin moderneja ja tehokkaita valvonta- ja maalinosoitusjärjestelmiä, kuten maavalvontatutka ja Maakotka. Tulivoimassa jalkaväkimiinat kyetään korvaamaan, suoraan miinoitteeseen vaikuttamaan kykenevät DM 662 kuorma-ammukset aiheuttavat merkittävää tuhoa erityisesti jalkaväelle mutta myös panssaroitujen maalien tappioprosentti maalialueella on korkea. Kaukomiinoittamiskyvyllä nostetaan suluttamisjärjestelmän kyky alueen vapaan käytön estämiseen uudelle tasolle, etäisyys, työvoiman tarve ja aikatekijät muuttuvat merkittävästi miinarakettien myötä. Omien joukkojen ryhmityksen suojaamiseen erityisesti komppaniatasolla jalkaväkimiinat ovat erinomainen ase, jonka suorituskykyä on tykistöllä vaikea suoranaisesti korvata. Raketinheittimen miinaraketit kykenevät vastaamaan nopeasti yllättävään vihollisuhkaan sivusta suunnasta mutta niillä ei voi vaikuttaa riittävän lähelle omia joukkoja, jotta niiden suorituskyvyllä voitaisiin suoraan korvata jalkaväkimiinojen jättämä aukko katvealueiden ja vartiopaikkojen suojana.

Sensoriteknologia rakennetun alueen taistelussa

Nykyajan sodankäynti painottuu yhä enemmän taisteluun informaatiosta. Informaation perusteella muodostetaan tilannekuva, jonka avulla päätökset tehdään. Informaation hankinnassa on sensoriteknologia keskeisessä asemassa. Kaupunkien merkityksen korostumisen seurauksena pääosa nykyajan taisteluista tullaan käymään ainakin osittain rakennetulla alueella. Sensorien toiminnan kannalta rakennettu alue on aivan erilainen ympäristö kuin esimerkiksi metsämaasto. Esimerkiksi lyhyet tähystysetäisyydet erityisesti sisätiloissa, rajoitettu näkyvyys, erilaisista materiaaleista valmistetut rakennukset ja pinnat sekä valoisuuden vaihtelu sisätiloissa asettavat uusia vaatimuksia sensorien suorituskyvylle. Tutkimuksessa tarkastellaan uhkamallina Yhteiskunnan turvallisuusstrategian mukaista strategista iskua, jonka osakohteina voivat olla esimerkiksi sähkön jakelun valvomot ja materiaalin varastotilat. Näiden kohteiden lisäksi tarkastellaan ulkotiloja yleisesti. Tutkimus on kirjallisuustutkimus ja sen tarkastelutapa on tekninen. Tutkimuksen ensimmäisen osan tarkoituksena on selvittää eri sensoreiden suorituskyky ja kehityksen tulevaisuudennäkymiä. Tutkimuksen toisessa osassa tarkastellaan eri sensorijärjestelmien sopivuutta tilannekuvan hankkimiseen ja ylläpitoon rakennetulla alueella kahta esimerkkitapausta soveltaen. Tavoitteena on selvittää rakennetun alueen asettamat reunaehdot eri sensorijärjestelmille. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että yksittäiseen teknologiaan perustuva sensori ei ole suorituskykyinen rakennetulla alueella. Eri teknologiat soveltuvat eri olosuhteisiin ja monien nykyisten järjestelmien suorituskyky rakennetulla alueella on hyvin rajoittunut. Tutkimuksen perusteella tulevaisuudessa korostuvat erityisesti optronisten sensorien integrointi yhteen laitteeseen, liikuteltavat sensorit sekä langattomat sensoriverkot. Sensoriteknologia rakennetulla alueella vaatii runsaasti lisätutkimusta esimerkiksi sensorin lavetin merkityksestä ja taistelunkestävyydestä sekä taktisten miehittämättömien ilmaalusten käytöstä sisä- ja ulkotiloissa.

Vedenalainen datasiirto : langallisten ja langattomien tiedonsiirtojärjestelmien nykytila ja kehitysnäkymät

Vedenalaisen datasiirron tutkimus on edennyt voimakkaasti kahden viime vuosikymmenen aikana. Vedenalaisen datasiirron tutkimuksen tavoitteena on tiedonsiirtokapasiteetin kasvattaminen ja äärimmäisen haastavan vedenalaisen signaaliympäristön hallinta. Vedenalainen datasiirto voidaan jakaa langalliseen ja langattomaan datasiirtoon. Langalliset tiedonsiirtoyhteydet, sensorit ja muut laitteet muodostavat langallisia tiedonsiirtojärjestelmiä. Langattomat tiedonsiirtojärjestelmät perustuvat tällä hetkellä akustisiin tiedonsiirtomenetelmiin. Äänen etenemiseen liittyvät rajoitteet asettavat laitteille suuria vaatimuksia ja pienentävät niiden tiedonsiirtokapasiteettia. Yhdysvallat on tutkinut ja 1990-luvulta alkaen laajamittaista akustista tiedonsiirtojärjestelmää ja sen käyttöä vedenalaiseen valvontaan. Tulevaisuudessa optiset langattomat tiedonsiirtojärjestelmät voivat tulla osaksi akustisia tiedonsiirtojärjestelmiä.

Häivehävittäjän torjunta nykyaikaisella torjuntahävittäjällä

Sotilasilmailun viimeisintä kehitystä edustavat häivehävittäjät, joissa pyritään häiveominaisuuksia sekä uusinta sensori- ja moottoritekniikkaa hyödyntämällä ylivertaiseen suorituskykyyn muihin hävittäjiin verrattuna. Tässä tutkimuksessa tarkastellaan häivehävittäjien suorituskykyä taktisesta näkökulmasta. Tutkimuksen tavoitteena on hyödyttää taktiikan jatkotutkimusta selvittämällä, mitkä häivehävittäjän ominaisuudet ja taktiset periaatteet ovat merkittävimpiä, kun suunnitellaan sen torjuntaa nykyaikaisella torjuntahävittäjällä. Tutkimus toteutettiin julkisesti saatavilla olevien kirjallisten lähteiden sisältöä analysoimalla hyödyntämällä hypoteettisdeduktiivista tutkimusmenetelmää. Tutkimusaineisto koostuu ilmailualan kirjallisista julkaisuista sekä internet-sivustoilta kerätyistä artikkeleista. Aineiston johdonmukainen analyysi tehtiin tarkastelemalla tutkimustyön aikana syntynyttä tutkimushypoteesia, jonka mukaan paras menetelmä häivehävittäjän torjumiseksi nykyaikaisella torjuntahävittäjällä olisi pyrkiä huomaamattomasti näköetäisyydelle ja haastaa se taisteluun infrapunasensoreiden kantamalla. Myös tutkimusraportti ja tutkimuksen tulokset rakentuvat tämän tutkimushypoteesin ympärille. Häivehävittäjän havaitseminen näköetäisyyden ulkopuolella hävittäjätutkan avulla on erittäin vaikeaa. Näköetäisyydelle kannattaisi pyrkiä hakeutumaan häivehävittäjän alta matalalla lentäen samalla maanpinnan tutkakatveita hyödyntäen. Nykyaikaisten ilmataisteluohjusten suorituskyvyllä taistelun ratkaisemiseksi ei välttämättä edes synny kaartotaistelua, vaan taistelun voittaa yllätykseen kyennyt osapuoli. Jos torjuntahävittäjällä sitoudutaan kaartotaisteluun häivehävittäjän kanssa, häivehävittäjän jatkuva liikehtimiskyky on ylivoimainen, mutta sen hetkellinen liikehtimiskyky ei tämän tutkimuksen perusteella ole merkittävästi parempi. Taistelu on siis mahdollista voittaa, jos ratkaisuun kyetään nopeasti taistelun alkuvaiheessa. Tämän tutkimuksen perusteella nykyaikaisella torjuntahävittäjällä voidaan torjua häivehävittäjä sen huomattavasta suorituskyvystä huolimatta. Taktisista periaatteista torjunnassa on tärkeää pyrkiä hyödyntämään erityisesti yllätystä ja aloitetta. Tutkimuksen mukaan häivehävittäjä kannattaa aina pyrkiä haastamaan mahdollisimman matalalla ja suurella nopeudella. Torjunnan suunnittelun kannalta tulisi tutkia tarkemmin osapuolten tutkien suorituskykyä ja hakeutumisgeometrioita häivehävittäjän nopeusluokan maalille. Näköetäisyydellä taistelun kannalta tärkeimmät tutkittavat kohteet ovat häiveominaisuuksien vaikutukset infrapunaohjusten seurantaetäisyyksiin ja häivehävittäjien todellinen aerodynaaminen suorituskyky. Ylipäätään torjunnan mahdollistamiseksi tärkeimmät tutkimuskohteet ovat häivehävittäjän seurantaan kykenevät sensorit, sillä nykyaikaisilla torjuntahävittäjillä on erittäin rajallinen kyky löytää häivehävittäjä. Olisi kannattavaa tutkia, onko torjuntahävittäjään asennettava pitkän kantaman infrapunasensori ehdoton varuste tulevaisuuden ilmasodankäynnissä häiveominaisuuksia vastaan.

Panssaroidun pyöräajoneuvon tilannetietoisuuden parantaminen sensoreilla

Sodan kuvan muutos on luonut haasteen vastata informaatioajan taistelukentän vaatimuksiin. Ratkaisuna tähän nähdään verkostokeskeinen sodankäynti, jonka tärkeimpiä käsitteitä on tilannetietoisuus. Tilannetietoisuus perustuu oikeaan tilannekuvaan, jonka muodostuminen panssaroiduissa pyöräajoneuvoissa on haastavaa, koska se perustuu pääsääntöisesti ajoneuvon johtajan tekemiin havaintoihin. Erilaisilla sensoreilla on mahdollista parantaa panssaroidun pyöräajoneuvon tilannekuvaa, ja täten luoda edellytykset tilannetietoisuuden muodostumiselle. Tutkimuksen pääkysymyksenä on, kuinka panssaroidun pyöräajoneuvon tilannetietoisuutta saadaan parannettua sensoreilla. Tämän lisäksi tutkimuksessa vastataan alakysymyksiin, mitä ovat optroniset sensorit, ja miten tilannetietoisuutta saadaan välitettyä ajoneuvosta ja ajoneuvoon. Tutkimuksessa käsitellään optronisia sensoreita ja tiedonsiirtoa VHF-radioverkossa sekä USB-laitteella. Tutkimusmenetelmänä on kirjallisuustutkimus, jonka lähtökohtana on hyödynnetty alan painettuja perusteoksia. Näitä on täydennetty muun muassa verkkojulkaisuilla. Panssaroidun pyöräajoneuvon tilannetietoisuuden parantamiseksi voidaan käyttää videokameraa, valonvahvistinta ja lämpökameraa. Näistä optronisista sensoreista lämpökamera tarjoaa suurimman yksittäisen hyödyn verrattuna videokameraan ja valonvahvistimeen. Lämpökameran toiminta on riippumaton valaistusolosuhteista toisin kuin videokamera ja valonvahvistin. Lämpökameroiden erojen takia on selvitettävä, minkälainen laite soveltuu parhaiten Suomen olosuhteisiin. Parhaiten tilannetietoisuutta saadaan parannettua sensorilla, joka yhdistää edellä mainittujen sensorien kuvat. Nykyiset tiedonsiirtotekniikat luovat haasteita sensorien luoman tilannekuvan siirtämiselle. Esimerkiksi videokuvan siirtäminen VHF-radioverkkoa käyttäen ei ole mahdollista nykyisin käytössä olevalla tekniikalla. Erilaisten radiotekniikoiden kehittymisen myötä VHFradioverkkojen tiedonsiirtokapasiteetti kasvaa, mutta videokuvan siirtäminen kyseistä kanavaa pitkin ei liene mahdollista. USB-muistin käyttäminen tiedonsiirtämiseen taistelukentällä mahdollistaa suuren tietomäärän siirtämisen kerralla, mutta edellyttää taistelulähetin käyttöä, mikä lisää viivettä tiedon välittämiseen.

Probabilistic position and orientation estimation of rigid objects using an RGB-D sensor

The recent emergence of low-cost RGB-D sensors has brought new opportunities for robotics by providing affordable devices that can provide synchronized images with both color and depth information. In this thesis, recent work on pose estimation utilizing RGBD sensors is reviewed. Also, a pose recognition system for rigid objects using RGB-D data is implemented. The implementation uses half-edge primitives extracted from the RGB-D images for pose estimation. The system is based on the probabilistic object representation framework by Detry et al., which utilizes Nonparametric Belief Propagation for pose inference. Experiments are performed on household objects to evaluate the performance and robustness of the system.

Mini-UAV:n käyttö lentotukikohdan valvonnassa

Mini-UAV on miehittämätön pienoisilma-alus, joka tarjoaa käyttäjälleen mahdollisuuden reaaliaikaiseen tilannekuvaan, laajojen vastuualueiden valvontakykyyn ja iskun jälkeiseen tiedusteluun. Pienen kokonsa puolesta järjestelmä kulkee joukkojen mukana valvontatehtä-vällä ja se on helppo lähettää suorittamaan tehtävää laukaisukatapultilta tai kädestä. Mini-UAV:n modulaarinen rakenne mahdollistaa vaurioituneiden osien nopean huollon sekä pa-rantaa taistelunkestävyyttä. Sensorit luovat valvonta- ja tiedustelukyvyn rungon, sillä lennokki itsessään on vain lavetti, joka kuljettaa sensorit valvottavan kohteen ylle. Videokameralla varustetut päiväsensorit pystyvät havaitsemaan kohteen ja seuraamaan sitä reaaliajassa. Yösensoreissa käytettävät valonvahvistimet mahdollistavat operoinnin hämärällä ja yöaikana. Sensoreissa voidaan hyödyntää myös lämpökameraa, joka mahdollistaa kohteiden havaitsemisen peitteisestä maastosta. Lentotukikohdan toimintaympäristö luo laajuudellaan ja peitteisyydellään haasteita valvon-taa suorittaville toimijoille. Laajaa ja vaikeakulkuista aluetta ei pystytä valvomaan aukot-tomasti, vaan pyritään estämään vapaa kulku alueella. Erikoisjoukkouhka luo lentotukikoh-dalle haasteita, jotka tulee kiistää tehokkaalla valvonnalla. Lentotukikohdan kriittisten koh-teiden maalittamisen perusteella iskut toteutetaan ilmalavetin toimittamana asekuormana tai risteilyohjuksin. Toimintaympäristö luo haasteita mini-UAV:n toiminnalle. Peitteinen maasto hankaloittaa valvontaa ja mahdollistaa erikoisjoukkojen oman toiminnan salaamisen. Kesän ja talven ai-kana vallitsevat huonon lentosään olosuhteet rajoittavat lennokilla suoritettavaa tiedustelua. Iskun jälkeisessä tiedustelussa lennokki tarjoaa mahdollisuuden nopeaan tilannekuvan muodostamiseen. Tutkimuksen perusteella voidaan todeta mini-UAV:n olevan tehokas valvontatyökalu lento-tukikohdan valvontaa suorittaville toimijoille. Toimintaympäristön tuomat haasteet tulee ottaa huomioon valvonnan suunnittelussa ja organisoinnissa, jolloin heikkoudet voidaan minimoida.

Teollinen internet uuden liiketoiminnan katalysaattorina

TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknistaloudellinen tiedekunta Tuotantotalouden koulutusohjelma Seppo Kuittinen Teollinen Internet uuden liiketoiminnan katalysaattorina Case CGI Diplomityö 2015 78 sivua, 33 kuvaa, 1 taulukko, 1 liite Työn tarkastajat: Professori Timo Pihkala Tutkijatohtori Marita Rautiainen Hakusanat: teollinen internet, IoT, kehittynyt analytiikka, sensorit Keywords: Industrial internet, IoT, advanced analytics, sencors Tämän työn tarkoituksena on tutkia asiakaskyselyn avulla luoko teollinen internet case yritykselle uutta ohjelmisto- tai palveluliiketoimintaa. Case yritys valitsi omasta asiakaskunnastaan 15 kohdeasiakasta, joille kysely lähetettiin. Vastauksista käy ilmi, että asiakaskunnassa on näkemys siitä, mitä teollinen internet on. Nykyisten ratkaisujen ei nähdä ratkaisevan kaikkia teollisen internetin mukanaan tuomia ongelmia. Ongelmaksi koetaan sensoridatan analysointi, jonka ei vielä katsota olevan riittävän kehittynyttä ja luotettavaa. Kyselystä voidaan päätellä, ettei mitään räjähtävää kasvua ole odotettavissa lähiaikoina. Teollinen internet tulee olemaan osa yritysten liiketoimintaa, mutta sen käyttö laajenee pikkuhiljaa.

Rankahakkeen laadunhallinta aumavarastoinnissa

Diplomityössä selvitettiin rankahakeaumojen peittämisen vaikutuksia laatuun voimalaitoksen polttoaineena. Selvityksen kohteena olivat aumojen sisälämpötilat eri kohdissa aumoja sekä hakkeen kosteuden muutos ja kuiva-ainetappiot varastoinnin aikana. Tutkimuksen kohteena olivat Etelä-Savon Energian polttoaineterminaaliin kootut hakeaumat. Aumojen sisäistä lämpötilaa asennettiin mittaamaan yhdeksän lämpötilasensoria kuhunkin aumaan. Hakkeiden kokonaismassat tutkimuksen alussa laskettiin aumoihin purettujen kuormien massoista. Kuormista määritettiin kosteudet ja lämpöarvot standardien mukaisesti. Näytteiden käsittely tapahtui terminaalilla ja niiden kosteus selvitettiin uunikuivausmenetelmällä. Käyttöpaikalle kuljetuksen yhteydessä kuormat punnittiin ja kosteudet mitattiin uudestaan. Tutkimuksen aikana havaittiin langattomien lämpötilasensorien lukemisen hakeaumojen sisältä olevan vaikeaa. Sensorit olivat kuitenkin pääsääntöisesti säilyneet toimintakuntoisina varastoinnin aikana ja niiden sisältämät lämpötilatiedot päästiin lukemaan aumojen purkamisen jälkeen. Tutkimuksen perusteella hakeaumojen peittäminen on kannattavaa. Hake säilyi tutkimuksen ajankohtana peitetyssä aumassa kuivempana kuin peittämättömässä. Hake ei myöskään jäädy peitteen alla yhtä paljon kuin peittämättömänä, mikä parantaa hakkeen käsiteltävyyttä kuormaa tehdessä ja voimalaitoksella. Kuiva-ainetappioista ei voitu esittää luotettavia tuloksia kokeen keskeydyttyä sään takia.