In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell zur Beschreibung des Energiebedarfs elektrischer Fahrzeuge des ÖPNV auf Basis von Wahrscheinlichkeitsdichten entwickelt, das insbesondere eine Dimensionierung von fahrzeugseitigem Energiespeichersystem und wegseitiger Energieversorgungsinfrastruktur in einem fahrleitungsfreien Betriebskonzept (DockingPrinzip) erlaubt. Im Gegensatz zur deterministischen Energiebedarfsbestimmung ermöglicht die stochastische Modellierung mit einer Kombination aus Markov-Kette und Semi-Markov-Prozess die Berücksichtigung von Zuverlässigkeitsvorgaben im Sinne einer Missionserfüllung. Schließlich kann so die Größe hybrider Fahrzeugenergiespeichersysteme und die Lage von Nachladestationen entlang der Strecke optimiert werden. Die Wirksamkeit der Modellierung wird anhand einer Fallstudie basierend auf Messdaten für ein Straßenbahnfahrzeug demonstriert. Für die Auslegung der wegseitigen Energieversorgungsinfrastruktur werden die Belastungsgänge des Nachladeprozesses in Form von zeitgewichteten Belastungsdauerkurven für charakteristische Netztopographien hergeleitet. Ein Laden des fahrzeugseitigen Energiespeichers aus einer wegseitigen Energie-Vorsammel-Station (Docking-Station) bringt einerseits eine erhebliche Glättung des Leistungsverlaufs beim Energiebezug. Andererseits ist ein elektrischer Anschluss dieser Station an das Niederspannungsnetz in gewöhnlichen städtischen Siedlungsstrukturen innerhalb weniger hundert Meter möglich.

In the last years, the use of indoor drones has increased significantly in many different areas. However, one of the main limitations of the potential of these drones is the battery life. This is due to the fact that the battery size has to be limited since the drones have a maximum payload in order to be able to take-off and maintain the flight. Therefore, a recharging process need to be performed frequently, involving human intervention and thus limiting the drones applications. In order to solve this problem, this master thesis presents an autonomous recharging system for a nano drone, the Crazyflie 2.0 by Bitcraze AB. By automating the battery recharging process no human intervention will be needed, and thus overall mission time of the drone can be considerably increased, broadening the possible applications. The main goal of this thesis is the design and implementation of a control system for the indoor nano drone, in order to control it towards a landing platform and accurately land on it. The design and implementation of an actual recharging system is carried out too, so that in the end a complete full autonomous system exists. Before this controller and system are designed and presented, a research study is first carried out to obtain a background and analyze existing solutions for the autonomous landing problem. A camera is integrated together with the Crazyflie 2.0 to detect the landing station and control the drone with respect to this station position. A visual system is designed and implemented for detecting the landing station. For this purpose, a marker from the ArUco library is used to identify the station and estimate the distance to the marker and the camera orientation with respect to it. Finally, some tests are carried out to evaluate the system. The flight time obtained is 4.6 minutes and the landing performance (the rate of correct landings) is 80%. / Under de senaste åren har användningen av inomhusdrönare ökat betydligt på många olika områden. En av de största begränsningarna för dessa drönare är batteritiden. Detta beror på att batteristorleken måste begränsas eftersom drönarna har en väldigt begränsad maximal nyttolast för att kunna flyga. Därför måste de laddas ofta, vilket involverar mänskligt ingripande och därmed begränsar drönartillämpningarna. För att lösa detta problem presenterar detta examensarbete ett autonomt laddningssystem för en nanodrönare, Crazyflie 2.0. Genom att automatisera batteriladdningsprocessen behövs inget mänskligt ingrepp, och därigenom kan uppdragstiden för drönaren ökas avsevärt och bredda de möjliga tillämpningarna. Huvudmålet med denna avhandling är designen och implementationen av ett styrsystem för en inomhusdrönare, för att styra den mot en landningsplattform och landa korrekt på den. Arbetet inkluderar det faktiska laddningssystemet också, så att slutresultatet är ett fullständigt autonomt system. Innan regulatorn och systemet utformas och presenteras presenteras en genomgång av bakgrundsmaterial och analys av befintliga lösningar för problemet med autonom landning. En kamera monteras på Crazyflie 2.0 för att kunna detektera och positionera landningsstationen och styra drönaren med avseende på detta. För detektion används ArUcobibliotekets markörer vilka också gör det möjligt att räkna ut kamerans position och orientering med avseende på markören och därmed laddstationen. Slutligen utförs tester för att utvärdera systemet. Den erhållna flygtiden är 4,6 minuter och landningsprestandan (andel korrekta landningar på första försöket) är 80%.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell zur Beschreibung des Energiebedarfs elektrischer Fahrzeuge des ÖPNV auf Basis von Wahrscheinlichkeitsdichten entwickelt, das insbesondere eine Dimensionierung von fahrzeugseitigem Energiespeichersystem und wegseitiger Energieversorgungsinfrastruktur in einem fahrleitungsfreien Betriebskonzept (DockingPrinzip) erlaubt. Im Gegensatz zur deterministischen Energiebedarfsbestimmung ermöglicht die stochastische Modellierung mit einer Kombination aus Markov-Kette und Semi-Markov-Prozess die Berücksichtigung von Zuverlässigkeitsvorgaben im Sinne einer Missionserfüllung. Schließlich kann so die Größe hybrider Fahrzeugenergiespeichersysteme und die Lage von Nachladestationen entlang der Strecke optimiert werden. Die Wirksamkeit der Modellierung wird anhand einer Fallstudie basierend auf Messdaten für ein Straßenbahnfahrzeug demonstriert. Für die Auslegung der wegseitigen Energieversorgungsinfrastruktur werden die Belastungsgänge des Nachladeprozesses in Form von zeitgewichteten Belastungsdauerkurven für charakteristische Netztopographien hergeleitet. Ein Laden des fahrzeugseitigen Energiespeichers aus einer wegseitigen Energie-Vorsammel-Station (Docking-Station) bringt einerseits eine erhebliche Glättung des Leistungsverlaufs beim Energiebezug. Andererseits ist ein elektrischer Anschluss dieser Station an das Niederspannungsnetz in gewöhnlichen städtischen Siedlungsstrukturen innerhalb weniger hundert Meter möglich.

There are different transportations in the city logistics (e.g., passengers, freights, and wastes), which are handled respectively by single-purpose vehicles (SVs) of the corresponding type. The multi-purpose vehicle (MV) is a future concept whose load modules can be changed for different urban transportations. MVs enable the sequential sharing of different mobilities, thus theoretically improving the efficacy of the city logistics by higher utilization of vehicles. A variant model of the Pick-up and Delivery Problem with Time Windows is established to describe the sequential sharing problem considering both MVs and SVs with the features of multiple depots, partial recharging strategies, and fleet sizing. In the problem, MVs can change their load modules for all types of objects carried by SVs. An adaptive large neighborhood algorithm (ALNS) is developed with new mechanisms for MVs. The proposed ALNS is tested by 15 artificial data cases and compared with the MIP solver. The results show the proposed ALNS is time-effective and validated to find good solutions. / Det finns olika transporter i stadslogistiken (t.ex. passagerare, gods och avfall), som hanteras av enskilda fordon (SV) av motsvarande typ. Multifunktionsfordonet (MV) är ett framtida koncept vars lastmoduler kan ändras för olika stadstransporter. MV möjliggör sekventiell delning av olika mobiliteter, vilket på ett teoretiskt sätt förbättrar stadslogistikens effektivitet genom högre användning av fordon. En variantmodell av Pick-up and Delivery Problem with Time Windows är etablerad för att beskriva det sekventiella delningsproblemet med beaktande av både MV och SV med funktionerna i flera depåer, partiella laddningsstrategier och flottans storlek. I problemet kan MV: er ändra sina belastningsmoduler för alla typer av objekt som bärs av SV: er. En adaptiv stor stadsdelalgoritm (ALNS) har utvecklats med nya mekanismer för MV. Den föreslagna ALNS testas av 15 artificiella datafall och jämförs med MIP-lösaren. Resultaten visar att det föreslagna ALNS är tidseffektivt och validerat för att hitta bra lösningar.

Tesis por compendio / [ES] La energía juega un papel fundamental en el desarrollo sostenible de las comunidades. Así, proporcionar recursos energéticos fiables, económicamente aceptables, medioambientalmente respetuosos y socialmente beneficiosos, resulta esencial para el desarrollo sostenible de las mismas. A pesar de la universalidad de dicha definición, el uso de la energía está muy vinculada al nivel de desarrollo de los países. De este modo, la problemática energética de los países desarrollados contrasta enormemente con la de los países en desarrollo. En esta tesis doctoral se ha identificado la principal problemática energética de ambas realidades: grave impacto medioambiental de los modelos de generación del transporte tradicionales en los países desarrollados y pobreza energética en los países en desarrollo. A partir del compendio de artículos científicos de esta tesis doctoral se ha caracterizado el uso de sistemas renovables avanzados que permite solucionar dicha problemática de forma sostenible. En concreto, el principal problema energético en países desarrollados ha sido tratado mediante la planificación energética y el diseño óptimo de sistemas híbridos de energías renovables (HRES por sus siglas en inglés) en electrolineras, necesarios para la introducción de vehículos eléctricos como alternativa de movilidad sostenible. Por otro lado, el estudio de metodologías de diseño óptimas de HRES off grid y de las estufas para cocinar mejoradas mediante gasificación de biomasa se ha focalizado en la inaccesibilidad eléctrica y a sistemas de cocina limpia que sufren las comunidades en desarrollo. Así, esta tesis aporta una serie de metodologías para optimizar y adecuar los sistemas renovables presentados para el desarrollo energético sostenible de las comunidades. Además, no sólo demuestra la idoneidad de estos sistemas para dicho fin, sino también su versatilidad de aplicación en función del nivel de crecimiento de las comunidades. / [CA] L'energia juga un paper fonamental en el desenvolupament sostenible de les comunitats. Així, proporcionar recursos energètics fiables, econòmicament acceptables, mediambientalment respectuosos i socialment beneficiosos, resulta essencial per al desenvolupament sostenibles de les mateixes. A pesar de la universalitat d'aquesta definició, l'ús de la energia està vinculada al nivell de desenvolupament dels països. D'aquesta manera, la problemàtica energètica dels països desenvolupats contrasta enormement amb la dels països en desenvolupament. A aquesta tesis doctoral s'ha identificat la principal problemàtica energètica d'ambdues realitats: greu impacte mediambiental dels models de generació del transport tradicional en els països desenvolupats i pobresa energètica en els països en desenvolupament. A partir del compendi d'articles científics d'aquesta tesis doctoral s'ha caracteritzat l'ús de sistemes renovables avançats que permet solucionar aquesta problemàtica de manera sostenible. En concret, el principal problema energètic en països desenvolupats s'ha tractat mitjançant la planificació energètica i el disseny òptim de sistemes híbrids d'energies renovables (HRES, per les seues segles en anglès) en electrolineres, necessaris per la introducció de vehicles elèctrics com alternativa de mobilitat sostenible. D'altra banda, l'estudi de metodologies de disseny òptimes de HRES off grid i d'estufes per a cuinar millorades mitjançant gasificació de biomassa s'ha focalitzat en la inaccessibilitat elèctrica i a sistemes de cuina neta que pateixen les comunitats en desenvolupament. Així, aquesta tesis aporta una sèrie de metodologies per optimitzar i adequar el sistemes renovables presentats per al desenvolupament energètic sostenible de les comunitats. A més, no tan sols demostra la idoneïtat d'aquests sistemes per a aqueix fi, sinó també la seua versatilitat d'aplicació en funció del nivell de creixement de les comunitats. / [EN] Energy plays a significant role for the sustainable development of communities. Hence, supplying reliable energy resources, which result economically acceptable, environmentally friendly and socially beneficial, arises as essential for their sustainable development. Despite the universality of such definition, the energy use is highly linked to the development degree of the countries. Thus, energy problems of developed countries sharply contrast with those of developing countries. This doctoral thesis identifies the main energy issues of both realities: severe environmental impact of energy generation models for traditional transport in developed countries and energy poverty in developing countries. The compendium of scientific papers of this doctoral dissertation characterizes the use of advanced renewable energy systems to solve such problems in a sustainable way. Namely, the main energy issue in developed countries has been addressed by means of energy planning and the optimal design of Hybrid Renewable Energy Systems (HRES) in electric vehicle charging stations, which ensure the introduction of electric vehicles as a sustainable mobility alternative. Moreover, the study of methodologies for the optimal design of off grid HRES and improved cooking stoves based on biomass gasification have approached the inaccessibility to electricity and to clean cooking systems that developing communities suffer. Therefore, this thesis provides a number of methodologies to optimize and adapt the presented renewable energy systems for the sustainable energy development of communities. Furthermore, it demonstrates not only the suitability of these systems for such aim, but also their versatility of application regarding the growing degree of the communities. / Bastida Molina, P. (2021). Estudio de sistemas renovables avanzados para el desarrollo energético sostenible [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172548 / Compendio