The modern battlefield is a changing environment where new ideas and technology are being tried and implemented. One such technology that has brought recent changes to the battlefield is the Unmanned Aerial Combat Vehicles (UCAV), commonly (and often incorrectly) referred to as “drones”. UCAV can be considered the new weapon of choice to deal with irregular opponents or terrorist organisations, such as those in Afghanistan and Pakistan. However, the use of UCAV is not without contradictory elements and leads to debate. It is within this debate that this study takes foothold. This study will be analysing the debate and issues surrounding this by evaluating four contrasting variables, measuring impact through different means and aiming to increase the understanding of UACV in the field. There are several crossovers in the analysis of all four variables citing the strengths and weaknesses of UCAV provisions in conflict. The analysis, however, conclude that a sole, holistic use of UCAV strikes would not resort in a termination of threats, such as the Taliban or Al-Qaida. This means that both the positive and the negative aspects of UCAV are seen in the conflict and do not contradict one another. Regretfully, this implicates that even if the Taliban and Al-Qaida becomes less effective due to the UCAV strikes, they will not perish.

This thesis studies the possibility to replace the global navigation satellite system (GNSS) with a phased array radio system (PARS) for positioning and navigation of an unmanned aerial vehicle (UAV). With the increase of UAVs in both civilian and military applications, the need for a robust and accurate navigation solution has increased. The GNSS is the main solution of today for UAV navigation and positioning. However, the GNSS can be disturbed by malicious sources, the signal can either be blocked by jamming or modified to give the wrong position by spoofing. Studies have been conducted to replace or support the GNSS measurements with other drift free measurements, e.g. camera or radar systems. The position measurements from PARS alone is shown not to provide sufficient quality for the application in mind. The PARS measurements are affected by noise and outliers. Reflections from the ground makes the PARS elevation measurements unusable for this application. A root mean square error (RMSE) accuracy of 10 m for a shorter flight and 198 m for a longer flight are achieved in the horizontal plane. The decrease in accuracy for the longer flight is assumed to come from a range bias that increases with distance due to the flat earth approximation used as the navigation frame. Positioning based on PARS aided with a filter and other GNSS independent sensors is shown to reduce the noise and remove the outliers. Five filters are derived and evaluated: a constant velocity extended Kalman filter (EKF), an inertial measurement unit (IMU) aided EKF, an IMU and barometer aided EKF, a converted measurements Kalman filter (CMKF) and a stationary Kalman filter (KF). The IMU and barometer aided EKF performed the best results with a RMSE of 8 m for a shorter flight and 106 m for a longer flight. The noise is significantly reduced compared to the standalone PARS measurements. The conclusion is that PARS can be used as a redundancy system with the IMU and barometer aided EKF. If the EKF algorithm is too computational demanding, the simpler stationary KF can be motivated since the accuracy is similar to the EKF. The GNSS solution should still be used as the primary navigation solution as it is more accurate.

Neste trabalho foi realizada a coleta de imagens de um trecho da área seca da UHE Álvaro de Souza Lima (Bariri – SP) e do lago da UNISINOS (São Leopoldo – RS), com câmeras e sensores, embarcados em RPAS (sistemas aéreos remotamente pilotados). As imagens resultantes foram processadas através da técnica estrutura do movimento (SfM), gerando ortomosaicos e modelos digitais de terrenos (MDTs). Pontos de checagem observados nestas imagens foram comparados com seus homólogos, obtidos por meio de posicionamento global diferencial no modo RTK. Testes estatísticos para verificação de hipóteses prévias de independência, aleatoriedade e normalidade, bem como, cálculos estatísticos e testes de inferência estatística foram realizados nas discrepâncias horizontais e verticais de ambos os produtos cartográficos. A verificação da exatidão vertical foi realizada somente nos produtos MDTs, a partir de feições de controle. O objetivo principal foi avaliar produtos cartográficos digitais gerados a partir de imagens coletadas por RPAS, quanto aos requisitos mínimos de exatidão geométrica para atendimento às leis estabelecidas pelos órgãos reguladores de energia elétrica. As discrepâncias horizontais observadas no ortomosaico da Unidade Hidroelétrica de Bariri apresentaram independência, não aleatoriedade e distribuição normal. Já para as discrepâncias verticais, foram independentes, aleatórias e normais. O teste t Student revelou tendência na posição horizontal e não tendência na vertical. O desvio padrão e o RMSE horizontais foram confrontados com o Padrão de Exatidão Cartográfica brasileiro através do teste Qui quadrado, indicando que os produtos têm precisão horizontal na escala 1:2000 (classe C) e, o MDT, na escala 1:10.000 (classe C), ambos com 95% de confiança e 22 e 19 graus de liberdade, respectivamente. A comparação entre MDTs conduziu a resultados semelhantes, porém demostrou que maiores discrepâncias ocorreram devido a fraca sobreposição de imagens. Para os produtos do lago UNISINOS, as discrepâncias cumpriram as hipóteses de independência e aleatoriedade. Porém, a normalidade não foi constatada pelo teste de Shapiro-Wilk. No entanto, através do teste U de Mann-Whitney, os produtos obtidos via sensor apresentaram semelhanças entre os pontos amostrados e seus homólogos. Através do teste direcional, os ângulos de direção foram medidos e caracterizaram a tendência horizontal para os ortomosaicos da UHE e do lago UNISINOS. Os resultados demonstraram que o mapeamento através de imagens via sensores embarcados em RPAS e processadas por SfM apresentaram exatidão posicional para integração com cartas de outras fontes, nas mesmas escalas. Portanto, estes produtos possibilitam a atualização de dados cartográficos para atender as demandas legais imputadas aos operadores de reservatórios. / In this work, the image collection was carried out on a stretch of dry area of the Alvaro de Souza Lima UHE (Bariri - SP) and of the UNISINOS lake (São Leopoldo) by cameras and sensors embedded in RPAS (Remotely Piloted Aerial System). The resulting images were processed using the Struture from Motion (SfM) technique in order to generate ortomosaicos and Digital Terrain Models (MDTs). Checkpoints observed in these images were compared with their counterparts obtained through differential global positioning in the RTK mode. Statistical tests for checking previous hypotheses of independence, randomness and normality, as well as statistical calculations and inference tests were conducted in the EN and h discrepancies of both cartographic products. The vertical accuracy verification was performed only in the MDTs products, from control features. The main objective of this work was to evaluate of digital cartographic products generated from photogrammetry collected by RPAS, with regard to the minimum requirements of geometric accuracy for fulfillment of the laws established by electric power regulatory agencies. The discrepancies observed in the orthomosaic of the Bariri Hydropower Plant exhibited independence, non randomness and normal distribution. However, for the MDT, these were independent, random, and normal. Students t-test showed a trend in the horizontal position and a non-trend in the vertical position. The horizontal standard deviation and RMSE (root mean square error) were analyzed according to the PEC-PCD Standard by the Chi-squared test, indicating that the orthomosaic fits at the 1:2,000 scale (class C), and the MDT, fits at the 1:10,000 scale (class C), both with a 95% confidence level and with degrees of freedom of 22 and 19, respectively. The comparison between MDTs leads to similar results, but showed that the largest discrepancies occur due to the weak overlap of the images. For the UNISINOS lake products, the discrepancies fulfilled the previous hypotheses of independence and randomness. But, the normality was not verified by the Shapiro-Wilk test. However, using the Mann-Whitney U test, the cartographic products obtained from a sensor showed similarities between the sampling points and their counterparts. By the directional test, it was measured the azimuth angles which characterizes the horizontal trend for the UHE and UNISINOS lake orthomosaics. The results demonstrated that the mapping by using images collected from sensors embedded in RPAS and processed through SfM presents positional accuracy for integration with maps from other sources, on the same scales. And therefore allows the updating of cartographic data map to meet the legal demands attributed to the reservoir operators.

<div> <div> <div> <p>This paper introduced a near real-time acoustic unmanned aerial vehicle detection system with multiple listening nodes using machine learning models. An audio dataset was collected in person by recording the sound of an unmanned aerial vehicle flying around as well as the sound of background noises. After the data collection phase, support vector machines and convolutional neural networks were built with two features, Mel-frequency cepstral coefficients and short-time Fourier transform. Considering the near real-time environment, the features were calculated after cutting the audio stream into chunks of two, one or half seconds. There are four combinations of features and models as well as three versions per combination based on the chunk size, returning twelve models in total. To train support vector machines, the exhaustive search method was used to find the best parameter while convolutional neural networks were built by selecting the parameters manually. Four node configurations were devised to find the best way to place six listening nodes. Twelve models were run for each configuration, generating color maps to show the paths of the unmanned aerial vehicle flying along the nodes. The model of short-time Fourier transform and support vector machines showed the path most clearly with the least false negatives with 2-second chunk size. Among the four configurations, the configuration for experiment 3 showed the best results in terms of the distance of detection results on the color maps. Web-based monitoring dashboards were provided to enable users to monitor detection results. </p> </div> </div> </div>

A presente pesquisa estudou a dinâmica dos processos de arenização atuantes no areal do Cerro da Esquina, no município de São Francisco de Assis - RS pela perspectiva da fisiologia da paisagem proposta por Ab’Saber em 1969. O recorte temporal do estudo foi de um ano, de junho de 2016 a março de 2017. Nesse período foram realizados quatro trabalhos de campo, no final de cada estação do ano, nos quais foram efetuados levantamentos aerofotogramétricos com um veículo aéreo não tripulado. A partir dos produtos cartográficos obtidos, foram identificadas as principais micro-feições de relevo e realizada a compartimentação do areal em cinco setores de acordo com a sua drenagem. Tais compartimentos foram analisados e caracterizados de acordo com os processos atuantes. A partir da análise minuciosa de cada setor, foi elaborado um mapa síntese da fisiologia da paisagem do areal. Durante o período estudado, observou-se que os processos de erosão, transporte e deposição de origem hídrica foram os predominantes na maior parte do areal. Em relação à área ocupada pelo areal, observou-se que esta não sofreu alteração significativa, ou seja, areal manteve-se estável. Não foram observados avanços significativos da mancha de areia em direção ao campo, nem o contrário – avanço do campo sobre o areal. Considera-se, por fim, que o monitoramento com a utilização de VANT apoiado por outras técnicas de levantamento topográfico é muito eficiente em pesquisas como a que foi realizada, pois permite o levantamento de um grande volume de informações com qualidade cartográfica, com menores custos e com resolução temporal variável de acordo com os objetivos da pesquisa. / The present research has studied the dynamics of sand forming process in sandspot of Cerro da Esquina, in São Francisco de Assis – RS under the perspective of the physiology studies of landscapes proposed by Ab’Saber in 1969. The time frame for the study was one year – from June, 2016 to March, 2017 –, in which were performed four aerophotogrammetric surveys through unmanned aerial vehicle, one survey at the end of each season of the year. Based on the cartographic data obtained, it was possible to identify the main micro features of relief and the area was compartmentalized in five sections, according to its drainage process. The compartments were analyzed and described according to the processes active in them. A sintesys map of the physiology of the areal landscape was created based on a detailed analysis of each section. During the time frame of the study, the data showed that the processes prevailing in the major part of the area were erosion, transportation and deposition with hydric origins. In what regards the total area occupied by the areal, it didn’t suffer any significant changes, what means it kept stable. There were not found significative advances in sandspots towards the surrounding meadow, nor the opposite – from the meadow towards the areal. Lastly, there are strong indications that monitoring an area with unmanned aerial vehicle and the support of other techniques of topographic survey is highly efficient in researches like the present study, once it enables a large data collection with cartographic quality, with lesser costs and the adequate variable temporal resolution according to the objectives of the research.

Submitted by SBI Biblioteca Digital (sbi.bibliotecadigital@puc-campinas.edu.br) on 2018-06-13T12:23:13Z No. of bitstreams: 1 JOSE RICARDO ALVES.pdf: 4604947 bytes, checksum: f43a40d3029436f7ad7bf03fe51c7e87 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-13T12:23:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JOSE RICARDO ALVES.pdf: 4604947 bytes, checksum: f43a40d3029436f7ad7bf03fe51c7e87 (MD5) Previous issue date: 2017-12-18 / Pontif?cia Universidade Cat?lica de Campinas - PUC - Campinas / The aim of this dissertation was to use current technology to collect environmental quantities of forests to perform a periodic monitoring that would aid in preventing the advance of degradation and deforestation of the urban forest remnants of Campinas, more specifically Mata do Quilombo, located in the Bar?o Geraldo district. The use of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) in the diagnosis and preservation of this urban forest remnant provided a low-cost method and a non-invasive monitoring. The strategy was to use the UAV with embedded remotely-activated electronic sensors in order to collect units of environmental quantities such as the location of clearings within the forest created by deforestation, air temperature and humidity, luminosity and the georeferenced location of the study site. In addition to the UAV technology, wireless technology was also used to communicate with various frequency bands, thus validating the simultaneous operation of the embedded sensors without any interference between them or external sources. After the data was collected, the objective was to submit it to an outlier verification method and make them available in a monitoring center, so that the user could later save this information in a remote access system known as supervisory system. / Esse trabalho teve o intuito de utilizar tecnologias atuais para coleta das grandezas ambientais das matas para realizar um acompanhamento peri?dico dos remanescentes florestais urbanos de Campinas, mais especificamente a Mata do Quilombo, localizada no distrito de Bar?o Geraldo, que auxiliasse na preven??o do avan?o da degrada??o frequente e do desmatamento. A utiliza??o do VANT (Ve?culo A?reo N?o Tripulado) no diagn?stico e preserva??o desse remanescente florestal urbano proporcionou um m?todo de baixo custo e uma avalia??o de forma n?o invasiva. A estrat?gia visou utilizar o VANT com sensores eletr?nicos embarcados acionados remotamente afim de capturar unidades de grandezas ambientais como a localiza??o de clareiras no interior da mata provindas do desmatamento, temperatura e umidade do ar, luminosidade e localiza??o georreferenciada do local de estudo. Aliada ? tecnologia do VANT, tamb?m foi utilizada a tecnologia de comunica??o sem fio com diversas faixas de frequ?ncias, validando assim o funcionamento desses sensores embarcados em atividade simult?nea sem que houvesse interfer?ncias entre os mesmos e de meios externos. Ap?s a coleta, o intuito foi submeter os dados coletados a um tratamento de verifica??o de outlier (m?todo de descarte de dados que se distanciam dos demais) e disponibiliz?-los numa central de monitoramento, de forma que o usu?rio pudesse salvar essas informa??es posteriormente num servidor de acesso remoto conhecido como sistema supervis?rio.

Desde o início do século XX que há registros do uso de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) utilizados com finalidade militar. Mas esta não é a única forma que se pode utilizá-los, o ambiente civil também é próspero em possíveis utilizações deste tipo de aeronave. Faltam ainda estudos e comprovações de que a integração dos VANTs no espaço aéreo juntamente com a aviação tripulada convencional não vá trazer alterações nos níveis de segurança já estabelecidos. Juntam-se a este desafio alguns outros, tais como padronizações de normas, classificações e legislação que regulamente o vôo das aeronaves não tripuladas. A presente dissertação faz uma coletânea de alguns modelos relacionados a cálculos de níveis de segurança no vôo de VANTs, bem como compara esses modelos entre si visando o estabelecimento de um método de escolha do modelo mais adequado para aplicação em alguns cenários civis de utilização. Esse trabalho ainda faz a aplicação desse método considerando os modelos relacionados à segurança dos VANTs. / There are records of the use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) used for military activities since the beginning of the 20th century. But that is not the only way to use it; the civil environment is also promising as to the use of this kind of aircraft. More studies and validations have to be performed about the alterations in the safety levels with the integration of UAVs in the air space with classic manned air vehicles. There are others challenges such as the standardization of norms, classification and legislation to regulate the Unmanned Aerial Vehicle flights. This dissertation presents some models related to the calculation of the safety levels in UAVs flight, it compares them to establish a method for choosing the most suitable model to apply in some civil scenarios. This work also brings the application of this method considering the models related to the safety of UAVs.

O uso de aeronaves não tripuladas (VANTs) tem crescido substancialmente nos últimos anos, tanto no campo militar quanto no civil. Roadmaps preveem que em um futuro próximo essas aeronaves compartilhem o espaço aéreo com aeronaves convencionais, exigindo novas arquiteturas de sistemas embarcados que possam garantir uma operação coordenada e segura desses robôs. A maior parte das suas missões baseia-se fortemente em um conjunto de sensores transportados pela aeronave como parte da payload da missão. Contudo, não é trivial a integração de diferentes missões em diferentes aeronaves, visto que ainda não há uma padronização para a comunicação nesses robôs. Para possibilitar essa associação foi proposto neste trabalho a criação de um middleware. Para que se pudesse entender sobre a área de conhecimento dos VANTs realizou-se uma pesquisa sobre esses veículos e suas aplicações e então um protocolo chamado Smart Sensor Protocol (SSP) foi modelado, utilizando-se de técnicas formais para isso. O comportamento do protocolo está modelado com diagrama de estados, seguindo uma gramática escrita utilizando a forma BNF. Este modelo foi verificado com a ferramenta UPPAAL e sua implementação testada em placas Arduino. Os resultados dos testes mostraram que o modelo é viável para o ambiente de embarcados críticos visto que ele provê as funcionalidades necessárias neste cenário sem acrescentar um overhead na comunicação / UNMANNED Aerial Vehicles applications have grown substantially in recent years, both in military and civil fields. Roadmaps predict that in the near future these aircrafts will share the airspace with the conventional planes, requiring new architectures for embedded systems which may ensure a coordinated and safe operation. Most of its tasks are mainly based on a set of sensors carried by the aircraft as part of its payload. However, it is not trivial to integrate different missions in different aircraft plataforms, since there is no standardization for communication in such robots yet. To enable this type of association it was proposed in this masters project the designing of a middleware. It has been carried out a bibliographic review to find out the state-of-the-art in such field, including the specific applications in UAVs, and then a protocol has been modeled following formal techniques. This protocol is called Smart Sensor Protocol (SSP). The SSPs behavior was modeled through state diagrams according to a grammar described using BNF form. This model was verified with the UPPAAL tool and its implementation was run and tested on Arduino boards. The test results pointed out that the model is feasible for critical embedded environments since it provides the necessary functionality in this scenario without addition of an overhead in its communication

A cada dia novos modelos de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) estão sendo lançados no mercado para serem utilizados em diversas aplicações, tais como mapeamento de ambientes e vigilância. Geralmente, estes robôs utilizam um sensor GPS como fonte de estimativa de localização. Contudo, para um bom funcionamento, este sensor depende de um número mínimo de satélites sincronizados com ele e que o sinal emitido pelos satélites seja recebido com boa qualidade, o que pode ser considerado um fator negativo. Uma forma de contornar este problema é empregar um sistema de localização baseado em visão computacional utilizando a câmera que já está embarcada no robô e imagens de satélite como mapa. Este sistema estima a localização do VANT através de comparações entre as imagens capturadas por ele e uma imagem de satélite, buscando encontrar a sua posição nesta imagem de satélite. Neste contexto, apresentamos uma variação do descritor BRIEF, o abBRIEF, para ser utilizado em um novo modelo de observação que também está sendo proposto. O modelo de observação é responsável por medir quão parecidas são as leituras do robô com diversas partes do mapa, para estimar a sua localização correta. Devido ao grande número de comparações necessárias, é importante que o descritor utilizado no processo seja rápido, não consuma muitos recursos computacionais e seja robusto para lidar com as várias diferenças entre as imagens. O modelo proposto foi utilizado no algoritmo de Monte Carlo (Monte Carlo Localization, MCL) para realizar a localização de VANTs e apresentou resultados satisfatórios que corroboram a eficácia do modelo e do descritor. / New models of Unnamed Aerial Vehicles (UAVs) are developed on a daily basis and applied to several tasks, such as mapping terrains and surveillance. GPS sensors are usually the main source of information to estimate the robot position, however, a downside of these sensors is that a minimum number of satellites must be available and emitting high quality signals. A vision-based system can be used to overcome this problem by using a robot embedded camera and satellite images as maps. Computational vision systems estimate the UAV localization through the comparison between the robot extracted image and several parts of the satellite image. These comparisons are performed in order to localize the part of the map which is most similar to the robot perspective. Taking into account all this information, we propose BRIEF descriptor variation, called abBRIEF, to be used on a novel observation model, also proposed in this master thesis. An observation model is responsible for evaluate how similar the robot measurements and the different map parts are. The used descriptor must run fast, consume low computational resources and be robust regarding image changes, all to compensate the large number of necessary comparisons. The proposed model is applied with Monte Carlo Localization (MCL) method to the auto localization of UAVs and presented solid results that corroborate the model and descriptor efficiency.

Este trabalho apresenta os principais conceitos de um modelo de referência, chamado de Consciência Situacional em Voo (In-Flight Awareness, IFA), e sua implementação embarcada IFA2S (In-Flight Awareness Augmentation System). IFA é um conceito novo e realista e voltado à melhoria da segurança de voo de VANTs. IFA2S tem o potencial de alavancar confiabilidade dos VANTs aos níveis encontrados na aviação geral. Ele aumenta a consciência aeronave tanto em relação a si mesma e seu ambiente circundante e, ao mesmo tempo reconhece restrições da plataforma para agir de acordo com algoritmos de decisão pré-definidos. Este trabalho apresenta o IFA como consequência dos requisitos de segurança estabelecidos através da metodologia STPA, faz uma avaliação quantitativa do impacto do IFA2S no risco operacional dos VANTs e apresenta orientações de implementação em hardware. Simulações de validação são realizadas com uso do software Labview e do simulador de voo XPlane. / This work presents the key concepts of IFA, In-Flight Awareness, and its implementation IFA2S (In-Flight Awareness Augmentation System). IFA is a novel and realistic concept intended to enhance flight safety. IFA2S has the potential to leverage UAVs reliability to the levels of general aviation aircraft. It increases aircraft awareness regarding both itself and its environment and, at the same time recognizes platform constraints to act in accordance to predefined decision algorithms. This paper presents the IFA as a consequence of the safety requirements established using STPA methodology, a quantitative assessment of the impact of IFA2S in the operational risk of UAVs as well as suggestions for hardware implementation. Simulations are carried out using Labview software and the flight simulator XPlane.