http://www.tdx.cat:80/handle/10803/195 Wed, 19 Jun 2013 11:01:03 GMT 2013-06-19T11:01:03Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/116770 Grasp plannind under task-specific contact constraints Rosales Gallegos, Carlos Several aspects have to be addressed before realizing the dream of a robotic hand-arm system with human-like capabilities, ranging from the consolidation of a proper mechatronic design, to the development of precise, lightweight sensors and actuators, to the efficient planning and control of the articular forces and motions required for interaction with the environment. This thesis provides solution algorithms for a main problem within the latter aspect, known as the {\em grasp planning} problem: Given a robotic system formed by a multifinger hand attached to an arm, and an object to be grasped, both with a known geometry and location in 3-space, determine how the hand-arm system should be moved without colliding with itself or with the environment, in order to firmly grasp the object in a suitable way. Central to our algorithms is the explicit consideration of a given set of hand-object contact constraints to be satisfied in the final grasp configuration, imposed by the particular manipulation task to be performed with the object. This is a distinguishing feature from other grasp planning algorithms given in the literature, where a means of ensuring precise hand-object contact locations in the resulting grasp is usually not provided. These conventional algorithms are fast, and nicely suited for planning grasps for pick-an-place operations with the object, but not for planning grasps required for a specific manipulation of the object, like those necessary for holding a pen, a pair of scissors, or a jeweler's screwdriver, for instance, when writing, cutting a paper, or turning a screw, respectively. To be able to generate such highly-selective grasps, we assume that a number of surface regions on the hand are to be placed in contact with a number of corresponding regions on the object, and enforce the fulfilment of such constraints on the obtained solutions from the very beginning, in addition to the usual constraints of grasp restrainability, manipulability and collision avoidance. The proposed algorithms can be applied to robotic hands of arbitrary structure, possibly considering compliance in the joints and the contacts if desired, and they can accommodate general patch-patch contact constraints, instead of more restrictive contact types occasionally considered in the literature. It is worth noting, also, that while common force-closure or manipulability indices are used to asses the quality of grasps, no particular assumption is made on the mathematical properties of the quality index to be used, so that any quality criterion can be accommodated in principle. The algorithms have been tested and validated on numerous situations involving real mechanical hands and typical objects, and find applications in classical or emerging contexts like service robotics, telemedicine, space exploration, prosthetics, manipulation in hazardous environments, or human-robot interaction in general. Wed, 19 Jun 2013 09:15:52 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/116770 2013-06-19T09:15:52Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/109158 Resource and performance trade-offs in real-time embedded control systems Lozoya Gámez, Rafael Camilo The use of computer controlled systems has increased dramatically in our daily life. Microprocessors are embedded in most of the daily- used devices. Due to cost constraints, many of these devices that run control applications are designed under processing power, space, weight, and energy constraints, i.e., with limited resources. Moreover, the embedded control systems market demands new capabilities to these devices or improvements in the existing ones without increasing the resource demands. Enabling devices with real-time technology is a promising step toward achieving cost-effective embedded control systems. Recent results of real-time systems theory provide methods and policies for an efficient use of the computational resources. At the same time, control systems theory is starting to offer controllers with varying computational load. By combining both disciplines, it is theoretically feasible to design resource-constrained embedded control systems capable of trading-off control performance and resource utilization. This thesis focuses on the practical feasibility of this new generation of embedded control systems. To this extend, two issues are addressed: 1) the effective implementation of control loops using real-time technology and 2) the evaluation of resource/performance- aware policies that can be applied to a set of control loops that concurrently execute on a microprocessor. A control task generally consists of three main activities: input, control algorithm computation, and output. The timing of the input and output actions is critical to the performance of the controller. The implementation of these operations can be conducted within the real- time task body or using hardware functions. The former introduces considerable amounts of jitters while the latter forces delays. This thesis presents a novel task model as a computational abstraction for implementing control loops that is shown to remove the endemic problems caused by jitters and delays. This model is synchronized at the output instants rather than at the input instants. This has been shown to provide interesting properties. From the scheduling point of view, the new task model can be seamlessly integrated into existing scheduling theory and practice, while improving task set schedulability. From a control perspective, the task model absorbs jitters because it allows irregular sampling by incorporating predictors, and improves reactiveness in front of perturbations. In addition, Kalman techniques have been also investigated to deal with the case of noisy measurements. The effective implementation of simple control algorithms making use of this new task model does not guarantee the feasibility of implementing state-of-the-art resource/performance-aware policies. These policies, which can be roughly divided into feedback scheduling and event-driven control, have been mainly treated from a theoretical point of view while practical aspects have been omitted. Conversely to the initial problem targeted by these policies, that is, to minimize or keep resource requirements to meet the tight cost constraints related with mass production and strong industrial competition, research advances seem to require sophisticated procedures that may impair a cost-effective implementation. This thesis presents a performance evaluation framework that permits to assess these policies in terms of the potential benefits offered by the theory as well as the pay-off in terms of complexity and overhead. The framework design is the result of a taxonomical analysis of the related state-of-the-art. Among other specifications, the framework, which is composed by a simulation and an experimental platform, supports both event/time triggered paradigms, allows different sort of control and optimization algorithms, and flexibly evaluates control performance and resource utilization.; El uso de sistemas controlados por computadora ha incrementado dramáticamente en nuestra vida cotidiana. En la mayor parte de los dispositivos que usamos diariamente encontramos microprocesadores. Debido a restricciones de coste muchos de estos dispositivos ejecutan aplicaciones de control diseñadas bajo restricciones de potencia, espacio, peso y energía, esto es, con recursos limitados. Además, el mercado de sistemas de control embebido demanda nuevas capacidades a estos dispositivos o mejoras en los dispositivos ya existentes sin incrementar las demandas de recursos. Incluir en estos dispositivos tecnología de tiempo real es un prometedor paso para conseguir sistemas de control embebido de bajo coste. Resultados recientes en sistemas de tiempo real proporcionan métodos y políticas para un uso eficiente de los recursos. Al mismo tiempo, los sistemas de control empiezan a ofrecer controladores con carga computacional variable. Al combinar estas dos disciplinas, es teóricamente posible diseñar sistemas de control embebido con recursos restringidos capaces de balancear el rendimiento de control y la utilización de recursos. El objetivo de esta tesis es determinar la viabilidad de la implementación práctica de esta nueva generación de sistemas de control embebidos. En este sentido, dos problemas principales son abordados: 1) la efectiva implementación de lazos de control usando tecnología de tiempo real, y 2) la evaluación de políticas de mejoras en recursos y rendimiento que pueden ser aplicados a un conjunto de lazos de control que se ejecutan concurrentemente en un microprocesador. Una tarea de control consiste generalmente en tres actividades principales: entrada, cómputo del algoritmo de control y salida. El tiempo en el que se ejecutan las acciones de entrada y salida es crítico con respecto al rendimiento del controlador. La implementación de estas operaciones puede ser ejecutada dentro del cuerpo de la tarea de tiempo real o a través de funciones hardware como interrupciones. La primera opción introduce una considerable cantidad de jitters (variaciones), mientras que la segunda introduce retardos. Esta tesis presenta un nuevo modelo de tareaspara la implementación de lazos de control que es capaz de eliminar los problemas endémicos causados por los jitters y los retardos. En este modelo la sincronización se realiza en los instantes de salida, en lugar de los instantes de entrada. Esto ha demostrado tener propiedades interesantes. Desde el punto de vista de planificación de tareas, el nuevo modelo puede ser integrado en forma directa a la teoría y práctica de planificación de tareas, mejorando la capacidad de planificación. Desde una perspectiva de control, el modelo de tareas absorbe los jitters al permitir muestreos irregulares mediante el uso de predictores, y además mejora la capacidad de reacción del sistema frente a perturbaciones. Adicionalmente, técnicas basadas en filtros de Kalman han sido también investigadas para tratar situaciones en que se tengan mediciones con ruido. La efectiva implementación de algoritmos simples de control haciendo uso de este nuevo modelo de tarea no garantiza la factibilidad de implementar políticas más avanzadas, aparecidas recientemente en el estado del arte, para mejorar el rendimiento del control y el uso eficiente de recursos. Estas políticas, que pueden ser divididas en planificación con retroalimentación (feedback scheduling) y control guiado por eventos (event-driven control), han sido principalmente abordadas desde una perspectiva teórica mientras los aspectos prácticos usualmente son omitidos. Contrariamente al problema inicial al que se enfocan estas políticas, que es minimizar o mantener los requerimientos de uso de recursos para lograr las restricciones de coste debidas a la producción en masa y a la fuerte competencia industrial, los avances en las investigaciones parecen requerir procedimientos sofisticados que van en detrimento de una implementación de bajo coste. Esta tesis presenta una plataforma de evaluación de rendimiento que permite valorar estas políticas en términos de los beneficios potenciales ofrecidos por la teoría, además de valorar los costes en términos de complejidad y uso adicional de recursos. El diseño de la plataforma es el resultado de un análisis taxonómico de distintos métodos que forman parte del estado del arte. Entre otras especificaciones, la plataforma, que está compuesta por una plataforma de simulación y una experimental, soporta tanto los paradigmas basados en tiempo como los basados en eventos, permite la implementación de distintos algoritmos de optimización y control, y es capaz de evaluar tanto el rendimiento de control como el uso de recursos. Tue, 09 Apr 2013 10:23:21 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/109158 2013-04-09T10:23:21Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96775 Efficient approaches for object class detection Villamizar Vergel, Michael Alejandro La visión por computador y más específicamente el reconocimiento de objetos han demostrado en los últimos años un impresionante progreso que ha llevado a la aparición de nuevas y útiles tecnologías que facilitan nuestras actividades diarias y mejoran ciertos procesos industriales. Actualmente, nosotros podemos encontrar algoritmos para el reconocimiento de objetos en computadores, videocámaras, teléfonos móviles, tablets o sitios web para la realización de ciertas tareas específicas tales como la detección de caras, el reconocimiento de gestos y escenas, la detección de peatones, la realidad aumentada, etc. No obstante, estas aplicaciones siguen siendo problemas abiertos que cada año reciben más atención por parte de la comunidad de visión por computador. Esto se demuestra por el hecho de que cientos de artículos abordando estos problemas son publicados en congresos internacionales y revistas anualmente. Desde una perspectiva general, los trabajos más recientes intentan mejorar el desempeño de clasificadores, hacer frente a nuevos y más desafiantes problemas de detección, y a aumentar la eficiencia computacional de los algoritmos resultantes con el objetivo de ser implementados comercialmente en diversos dispositivos electrónicos. Aunque actualmente, existen enfoques robustos y confiables para la detección de objetos, la mayoría de estos métodos tienen un alto coste computacional que hacen imposible su aplicación en tareas en tiempo real. En particular, el coste computacional y el desempeño de cualquier sistema de reconocimiento está determinado por el tipo de características, método de reconocimiento y la metodología utilizada para localizar los objetos dentro de las imágenes. El principal objetivo de estos métodos es obtener sistemas de detección eficaces pero también eficientes. A través de esta tesis diferentes enfoques son presentados para abordar de manera eficiente y discriminante la detección de objetos en condiciones de imagen diversas y difíciles. Cada uno de los enfoques propuestos ha sido especialmente diseñado y enfocado para la detección de objetos en circunstancias distintas, tales como la categorización de objetos, la detección bajo rotaciones en el plano o la detección de objetos a partir de múltiples vistas. Los métodos propuestos combinan varias ideas y técnicas para la obtención de detectores de objetos que son tanto altamente discriminantes como eficientes. Esto se demuestra experimentalmente en varias bases de datos del estado del arte donde los resultados alcanzados son competitivos al ser contrastados con otros métodos recientes. En concreto, esta tesis estudia y desarrolla características rápidas, algoritmos de aprendizaje, métodos para reducir el coste computacional de los clasificadores y representaciones de imagen integral que permiten un mejor cálculo de las características.; Computer vision and more specifically object recognition have demonstrated in recent years an impressive progress that has led to the emergence of new and useful technologies that facilitate daily activities and improve some industrial processes. Currently, we can find algorithms for object recognition in computers, video cameras, mobile phones, tablets or websites, for the accomplishment of specific tasks such as face detection, gesture and scene recognition, detection of pedestrians, augmented reality, etc. However, these applications are still open problems that each year receive more attention in the computer vision community. This is demonstrated by the fact that hundreds of articles addressing these problems are published in international conferences and journals annually. In a broader view, recent work attempts to improve the performance of classifiers, to face new and more challenging problems of detection and to increase the computational efficiency of the resulting algorithms in order to be implemented commercially in diverse electronic devices. Although nowadays there are robust and reliable approaches for detecting objects, most of these methods have a high computational cost that make impossible their application for real-time tasks. In particular, the computational cost and performance of any recognition system is determined by the type of features, the method of recognition and the methodology used for localizing objects within images. The main objective of these methods is to produce not only effective but also efficient detection systems. Through this dissertation different approaches are presented for addressing efficiently and discriminatively the detection of objects in diverse and difficult imaging conditions. Each one of the proposed approaches are especially designed and focus on different detection problems, such as object categorization, detection under rotations in the plane or the detection of objects from multiple views. The proposed methods combine several ideas and techniques for obtaining object detectors that are both highly discriminative and efficient. This is demonstrated experimentally in several state-of-the-art databases where our results are competitive with other recent and successful methods. In particular, this dissertation studies and develops fast features, learning algorithms, methods for reducing the computational cost of the classifiers and integral image representations for speeding up feature computation. Tue, 18 Dec 2012 12:14:09 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96775 2012-12-18T12:14:09Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96772 Generació de decisions davant d'incerteses Escobet i Canal, Antoni Aquesta tesi tracta sobre la metodologia del raonament inductiu difús (FIR, de l’anglès fuzzy inductive reasoning) aplicada a sistemes de detecció i diagnòstic de fallades. La metodologia FIR sorgeix de l’enfocament del general systems problem solver (GSPS) proposat per Klir l’any 1989 i és una eina per analitzar i estudiar els modes de comportament dels sistemes dinàmics. FIR és una metodologia de modelització i simulació qualitativa de sistemes basada principalment en l’observació del comportament del sistema. Aquesta metodologia ha anat evolucionant al llarg del temps amb l'objectiu d'ampliar la classe de problemes que es poden abordar amb FIR. El treball desenvolupat en aquesta tesi té el propòsit de contribuir a reduir els esforços de modelització i simulació de sistemes industrials reals complexos. En aquesta línia, s’ha aconseguit augmentar, mitjançant diferents aportacions, la robustesa de FIR i desenvolupar una nova metodologia que permeti crear sistemes de detecció i diagnòstic de fallades robustos i eficients. L’objectiu principal d’aquesta tesi és reduir tant com sigui possible la sensibilitat de la metodologia FIR, és a dir, maximitzar-ne la robustesa, de manera que esdevingui una eina cabdal per desenvolupar sistemes de detecció i diagnòstic de fallades eficients. Les contribucions principals de la tesi són: •Incrementar la robustesa del FIR creant una nova eina, anomenada Visual-FIR, que permet identificar models i predir comportaments futurs de sistemes dinàmics en un entorn molt senzill d’utilitzar i molt eficient. •Desenvolupar una nova metodologia per crear sistemes de detecció i diagnòstic de fallades basats en FIR. S’ha desenvolupat una tècnica de detecció, anomenada envolupant, i una mesura per al diagnòstic, anomenada mesura d’acceptabilitat del model, que han permès millorar i fer més sòlids els processos de detecció i diagnòstic de fallades del FIRFDDS (sistema de detecció i diagnòstic de fallades basat en FIR). •Desenvolupar una eina que permeti crear de manera senzilla i altament eficient FIRFDDS per a aplicacions específiques. S’ha desenvolupat una plataforma, anomenada VisualBlock-FIR, que permet que l’usuari creï, d’una manera senzilla, sistemes de detecció i diagnòstic de fallades basats en el FIR. Per validar la metodologia i les eines desenvolupades es mostren un parell de casos d’estudi. El primer correspon al problema de referència de la vàlvula automàtica de Damadics, en què es proposen quatre fallades de petita i mitjana magnitud que es detecten i s’aïllen/s’identifiquen d’una manera molt ràpida i eficient. En el segon es posa a prova el VisualBlock-FIR en una pila de combustible simulada a la qual s’apliquen cinc fallades diferents, les quals són detectades i identificades correctament. Finalment, es comprova la robustesa afegint soroll blanc, en diferents magnituds, a les sortides de la pila de combustible.; This thesis deals with the Fuzzy Inductive Reasoning (FIR) methodology applied to fault detection and diagnosis systems. FIR, based on the General Systems Problem Solver (GSPS) proposed by Klir in 1989, is a methodological tool for data-driven construction of dynamical systems and for studying their conceptual modes of behavior. FIR is a qualitative modeling and simulation methodology that is based on observation of the input¿output behavior of the system to be modeled, rather than on structural knowledge about its internal composition. This methodology has evolved over time with the aim of enlarging the class of problems that can be dealt with by FIR. The work presented in this thesis aims to contribute to reducing modeling and simulation efforts of real industrial complex systems. Several methodological contributions have been made to increase FIR robustness as well as to develop a new methodology to create robust and efficient fault detection and diagnosis systems. The main objective of this thesis is to reduce as much as possible the sensitivity of the FIR methodology, by maximizing its robustness, in such a way that it becomes a fundamental tool for developing efficient fault detection and diagnosis systems. The main contributions of this thesis are: ¿To improve the robustness of FIR by creating a new tool, Visual-FIR, that identifies patterns and predicts future behavior of dynamical systems in a very efficient and simple to use environment. ¿To develop a new methodology for creating fault detection and diagnosis systems based on FIR. We have developed a detection technique, the enveloping, and a diagnosis measure, known as the acceptability measure, that allow improving and making more robust the fault detection and diagnosis processes of the FIRFDDS (fault detection and diagnosis system based on FIR). ¿To develop a tool that allows to easily create highly efficient FIRFDDS for specific applications. A platform, named VisualBlock-FIR, has been developed that allows the user to create, in a simple way, fault detection and diagnosis systems based on FIR. In order to validate the methodological contributions and the developed tools a couple of case studies have been presented in this dissertation. The first corresponds to the benchmark problem of the Damadics automatic valve system, which proposes four failures of small and medium sizes that are detected and isolated / identified in a quick and highly efficient way. The second is a simulated fuel cell where five different faults are applied. The five faults are detected and identified correctly. Finally, we check the robustness of the FIRFDDS by adding white noise, at different magnitudes, to the outputs of the fuel cell. Manresa Tue, 18 Dec 2012 11:48:15 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96772 2012-12-18T11:48:15Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96769 Digital repetitive control under varying frequency conditions Ramos Fuentes, Germán Andrés The tracking/rejection of periodic signals constitutes a wide field of research in the control theory and applications area and Repetitive Control has proven to be an efficient way to face this topic; however, in some applications the period of the signal to be tracked/rejected changes in time or is uncertain, which causes and important performance degradation in the standard repetitive controller. This thesis presents some contributions to the open topic of repetitive control working under varying frequency conditions. These contributions can be organized as follows: One approach that overcomes the problem of working under time varying frequency conditions is the adaptation of the controller sampling period, nevertheless, the system framework changes from Linear Time Invariant to Linear Time-Varying and the closed-loop stability can be compromised. This work presents two different methodologies aimed at analysing the system stability under these conditions. The first one uses a Linear Matrix Inequality (LMI) gridding approach which provides necessary conditions to accomplish a sufficient condition for the closed-loop Bounded Input Bounded Output stability of the system. The second one applies robust control techniques in order to analyse the stability and yields sufficient stability conditions. Both methodologies yield a frequency variation interval for which the system stability can be assured. Although several approaches exist for the stability analysis of general time-varying sampling period controllers few of them allow an integrated controller design which assures closed-loop stability under such conditions. In this thesis two design methodologies are presented, which assure stability of the repetitive control system working under varying sampling period for a given frequency variation interval: a mu-synthesis technique and a pre-compensation strategy. On a second branch, High Order Repetitive Control (HORC) is mainly used to improve the repetitive control performance robustness under disturbance/reference signals with varying or uncertain frequency. Unlike standard repetitive control, the HORC involves a weighted sum of several signal periods. With a proper selection of the associated weights, this high order function offers a characteristic frequency response in which the high gain peaks located at harmonic frequencies are extended to a wider region around the harmonics. Furthermore, the use of an odd-harmonic internal model will make the system more appropriate for applications where signals have only odd-harmonic components, as in power electronics systems. Thus an Odd-harmonic High Order Repetitive Controller suitable for applications involving odd-harmonic type signals with varying/uncertain frequency is presented. The open loop stability of internal models used in HORC and the one presented here is analysed. Additionally, as a consequence of this analysis, an Anti-Windup (AW) scheme for repetitive control is proposed. This AW proposal is based on the idea of having a small steady state tracking error and fast recovery once the system goes out of saturation. The experimental validation of these proposals has been performed in two different applications: the Roto-magnet plant and the active power filter application. The Roto-magnet plant is an experimental didactic plant used as a tool for analysing and understanding the nature of the periodic disturbances, as well as to study the different control techniques used to tackle this problem. This plant has been adopted as experimental test bench for rotational machines. On the other hand, shunt active power filters have been widely used as a way to overcome power quality problems caused by nonlinear and reactive loads. These power electronics devices are designed with the goal of obtaining a power factor close to 1 and achieving current harmonics and reactive power compensation. Tue, 18 Dec 2012 11:18:58 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96769 2012-12-18T11:18:58Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96767 Experimental characterization and diagonosis tools for proton exchange membrane fuel cells Primucci, Mauricio A fuel cell is a device that gives electric power directly from electrochemical reduction and oxidation reactions. PEM fuel cells present some properties that make them appropriate for portable and transport applications: high efficiency, no emissions, solid electrolyte, low operating temperatures and high power density. However, some technical problems can be improved, durability of the materials and the appropriate control of the operating conditions. One important aspect of the operating conditions is the water management. The right water content is needed in the electrolyte and catalyst layers to maximize the efficiency of the PEMFC by minimizing the voltage losses. Water content in the fuel cell is given basically by the generation of the water in the cathode due to the reaction, the humidity of the inlet gases and the transport trough the membrane. This thesis studies, proposes and compares different experimental characterisation methods aimed to provide performance indicators of the PEMFC water state. A systematic use of Electrochemical Impedance Spectroscopy technique is presented and its results are studied in order to analyse the influence of different operating conditions over the PEMFC response. The variables under analysis include: load current, pressure temperature and gas relative humidity. All these variables are considered with inlet gases feeding: H2/O2 and H2/Air. A set of relevant characteristics from the EIS response has been considered. Several equivalent circuits has been analysed and those that have the best fitting with the experimental EIS data are selected. When air is used as oxidant, a simple equivalent circuit with a resistance and a Warburg element is proposed. When Oxygen is used as oxidant, a more complex equivalent circuit is needed. A detailed sensitive analysis is performed indicating those parameters that best capture the influence of the operating conditions. A new experimental characterisation technique, based on the inlet gases humidification interruption is proposed. This dynamic technique combines the information extracted from EIS and the temporal response in order to study the water transport and storage effects in the PEMFC. Two advantages of this proposed technique is the simple hardware configuration used and the relative low impact on the fuel cell response, making attractive the humidification interruption as an in-situ technique. Three different sets of performance indicators are proposed as diagnosis tool. Relevant Characteristics from the EIS response, if properly monitored, can give a diagnostic of the fuel cell internal state. After an analysis, the chosen ones are: low and high frequency resistances (RLF and RHF) and the frequency of the maximum phase. These RC are helpful to determine if the PEMFC with the current operating conditions is well humidified. If the zone defined by RLF decrease, RHF slight increase and the frequency of the maximum phase increase is minimal, the cathode is optimally humidified. Equivalent Circuit are used in order to give a physical interpretation. The selected parameters as performance indicators are: membrane resistance, Rm, time constant and resistance of diffusion process (using Warburg elements: Tw and Rw). In this case, the humidification of the fuel cell is optimum if the zone where Rw and Tw decrease and Rm has slow increase is minimal. Model Based performance indicators are proposed: Rm, effective diffusion coefficient, Deff and effective active area, Aeff. The optimal humidification occurs when the zone where Deff is stationary and Rm has not changed significantly, is minimal. The parameter Aeff involved in this last diagnosis procedure can be detached from the humidification interruption test and be used to estimate the effective active area and then is also helpful to compare the PEMFC performance in different operating conditions.; Una pila de combustible es un dispositivo que da energía eléctrica a partir de reacciones electroquímicas de reducción y oxidación. Las pilas del tipo PEMFC presentan propiedades que las hacen adecuadas para aplicaciones de transporte: alta eficiencia, cero emisiones, electrolito sólido, bajas temperaturas de operación y alta densidad de potencia. Sin embargo, algunos problemas técnicos deben ser estudiados: la durabilidad de los materiales y la correcta selección de las condiciones de funcionamiento. Una de las más importantes es la gestión del agua. Un balance adecuado del agua en la pila es necesario para maximizar la eficiencia de la PEMFC reduciendo al mínimo las pérdidas de tensión. El contenido de agua en la PEMFC viene dado por su generación en el cátodo debido a la reacción, la humedad de los gases de entrada y el transporte de agua a través de la membrana. La tesis estudia, propone y compara los diferentes métodos de caracterización experimental con el objetivo de obtener indicadores del estado del agua en la PEMFC. Se realiza un uso sistemático de la técnica “espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS)” y el análisis de la influencia de las diferentes condiciones de operación sobre la respuesta de la PEMFC. Las variables estudiadas son: corriente de carga, presión de los gases, temperatura, humedad relativa y también la alimentación de los gases de entrada: H2/O2 y H2/aire. Se presenta un conjunto de características relevantes de la respuesta del EIS y se usan para dar valores iniciales a los circuitos equivalentes. Se estudian diferentes configuraciones de circuitos equivalentes y se seleccionan aquellos que tienen la mejor conexión con los datos experimentales. Se realiza un análisis de sensibilidad de los parámetros de los circuitos equivalentes con respecto a las diferentes condiciones de operación, para encontrar aquellos que sean útiles para representar estas variaciones. Se propone una nueva técnica experimental de caracterización, basada en la interrupción de la humidificación de los gases de entrada. Esta técnica combina la información de la respuesta temporal con la frecuencial (EIS) y es útil para analizar la influencia del agua en la respuesta de la PEMFC. Algunas ventajas de esta técnica son: la fácil implementación física y el bajo impacto sobre la respuesta de la PEMFC, lo cual convierte esta técnica en candidata para ser utilizada “In-situ”. Se proponen tres conjuntos de indicadores de comportamiento de la pila como herramientas de diagnosis. En primer lugar, se presentan las “Características Relevantes” de la respuesta de la EIS que dan un diagnóstico del estado interno de la PEMFC. De entre ellas se selecciona como indicadas: las resistencias de baja y alta frecuencia (RLF y RHF) y la frecuencia del máximo de fase. Estas características sirven para determinar la correcta humidificación de la pila en las condiciones actuales de operación. El cátodo está correctamente humidificado si la respuesta de las características, muestran que la zona definida por RLF bajando, RHF subiendo ligeramente y la frecuencia de la máxima fase está subiendo, es mínima. En segundo lugar, se usan los “Circuitos Equivalentes” para dar una interpretación física a los indicadores. Los parámetros seleccionados son: la resistencia de la membrana, Rm, la resistencia y la constante de tiempo de la difusión (Rw y Tw). En este caso, la humidificación correcta del cátodo ocurre cuando la zona donde Rw y Tw bajan y Rm sube ligeramente, es mínima. Por ultimo, se proponen indicadores de comportamiento utilizando un modelo: Rm, coeficiente de difusión efectivo, Deff y el área activa efectiva, Aeff. La humidificación óptima del cátodo ocurre cuando la zona donde Deff es estable y Rm no cambia significativamente, es mínima. El parámetro Aeff es útil para estimar el área activa efectiva aun cuando no se realice una interrupción de humidificación y para comparar la respuesta de la PEMFC bajo diferentes condiciones de operacion Tue, 18 Dec 2012 10:57:16 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96767 2012-12-18T10:57:16Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96189 Planificación de movimientos en entornos dinámicos o inciertos mediante la coordinación de métodos aleatorios de búsqueda y funciones armónicas Íñiguez Galbete, Pedro En los métodos planificadores de trayectorias basados en funciones potenciales, la utilización de las funciones armónicas tiene la importante propiedad de no presentar mínimos locales. Sin embargo, la creación de planificadores basados en estas funciones armónicas se ha encontrado con serias dificultades, sobre todo cuando el número de grados de libertad es elevado. Por este motivo, esta tesis realiza inicialmente un estudio de las propiedades más relevantes de dichas funciones armónicas; destacando aquellas que han sido la causa de su reducida aplicación en la generación de trayectorias. Al mismo tiempo, el resultado de este estudio sirve de base para la proposición de métodos compensatorios que permitan reducir las propiedades negativas de las funciones armónicas, como funciones potenciales aplicables a la generación de movimientos en robótica. Después se considera los métodos numéricos de cálculo de las funciones armónicas, así como el coste computacional de los mismos. Con el objetivo de reducir el tiempo de cálculo, esta tesis propone una discretización jerárquica y un método eficiente de etiquetado de celdas. Por su parte, dicha discretización jerárquica, se va realizando progresivamente mediante muestreo aleatorio y descomposición de celdas, lo que genera un escenario parcialmente conocido que, sin embargo, permitirá en cierto número de casos encontrar la trayectoria buscada. Por lo tanto, esta propuesta reduce drásticamente el número de puntos de cálculo y, por consiguiente, el tiempo de computación. La tesis completa la propuesta de un planificador combinando las técnicas de muestreo con el cálculo de funciones armónicas mediante un método de exploración aleatorio conducido (PHM), aplicado a un espacio de configuraciones discretizado jerárquicamente sobre el que se va recalculando la función armónica. De esta forma la exploración se guía hacia zonas más prometedoras, intentando obtener la solución por fases.; In methods based trajectories planners potential functions, the use of harmonic functions has the important property of not presenting local minima. However, the creation of planners based on these harmonic functions has met with serious difficulties, especially when the number of degrees of freedom is high. For this reason, this thesis makes an initial study of the properties most relevant of these harmonic functions, highlighting those that have been the cause of their limited application in the generation of trajectories. At the same time, the result of this study provides a basis for proposing compensatory methods to reduce the negative properties of harmonic functions as potential functions applicable to the generation of robotic movements. Then we consider numerical methods for calculating the harmonic functions and the computational cost of the same. In order to reduce computation time, this thesis proposes a hierarchical discretization and an efficient method of labeling cells. Meanwhile, this discretization hierarchical be made gradually by random sampling and decomposition of cells, generating a scene partially known, however, allow a number of cases in finding the trajectory sought. Therefore, this proposal drastically reduces the number of calculation points, and hence the computation time. The thesis, complete a proposed planner combining sampling techniques to the calculation of harmonic functions by a method of random exploration conducted (PHM), applied to a hierarchically discretized configuration space on which the harmonic function is recalculated. In this way the exploration is guided to more promising, trying to obtain the solution phases. Fri, 30 Nov 2012 11:44:51 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96189 2012-11-30T11:44:51Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96177 Asistencia háptica basada en planificación de movimientos para la teleoperación cooperativa de sistemas multirobot Pérez Ruiz, Alexander This work proposes a framework for the teleoperation of anthropomorphic industrial robots using desktop haptic devices that provides an aid to the operator in the form of haptic guidance based on path planning techniques. The teleoperation framework incorporates a new model of correspondence mapping between the workspace of the haptic device used to command the remote node and that of the robot. The mapping takes into account the position and orientation of the active camera that provides the video fed back from the remote node. The main features of this system are: 1. The user can change the position of the active camera to increase the visibility or to change the scales related to the workspaces in order to set the precision. 2. The user feels slight guiding forces that attract and push him/her to the path towards the goal configuration, particularly when it contains configuration changes. 3. When the operator requests it or when he/she reaches the limits of the workspace of the haptic device, the assistance system calculates the new configuration for the haptic device, taking over the teleoperation and guiding the operator to that configuration where teleoperation can resume. All kinesthetic aids are generated based on a Planner which includes a novel algorithm that is able to find feasible paths between both static and mobile obtacles or a mitxture of both. The main features of the proposed Planner are: 1. It is based on a Probabilistic RoadMap strategy based on a lazy evaluation of the possible collisions of the path. 2. It uses a reduced graph to find the solution path, which is a subset of a larger graph, thus ensuring both computational efficiency and coverage of the whole configuration space. 3. Each planned path is evaluated and iteratively improved by creating a new set of samples closer to the obstacles when any edge-validation fails. 4. Replanning is useful when moving obstacles are present or when the initial configuration changes and this process always brings as a result a new path very close to the one previously valid. The Planner frees the user from paying attention to potential collisions between the environment and any part of the robot (not only the end-effector, as other approaches do). This can be applied especially in multi-robot environments, where the other robots present in the cell may interfere with the remote teleoperated movements. The planner deals with other robots as collections of moving obstacles. The bilateral control scheme of the teleoperation system ensures its stability despite time delays. Additionally, the system influences on the remote node damping factor as a way of dealing with potential collisions, slowing the teleoperation when the system detects one. The system has been validated with multiple users, both in simulated environments and with the real robot, and it has shown that with the use of its assistance the operator increases speed and security in performance, lightening the burden of teleoperation, especially when there are moving obstacles.; En el presente trabajo se propone un marco para la teleoperación de robots industriales antropomórficos que cuenta con elementos de ayuda al operador en forma de guiado háptico basado en técnicas de planificación de caminos (path planning) para facilitarle su labor. Incorpora un novedoso modelo de correspondencia entre el espacio de trabajo del dispositivo háptico con el que va a ser comandado y el del robot. Esta correspondencia tiene en cuenta la posición y orientación de la cámara activa que proporciona el video desde el sitio remoto. Las principales características de este sistema son: 1. El usuario puede cambiar de cámara activa para incrementar la visibilidad o cambiar las escalas que relacionan los espacios de trabajo para ajustar la precisión. 2. El usuario experimenta ligeras fuerzas de guiado que lo atraen hacia el camino planificado y también lo empujan a lo largo del mismo hacia la configuración objetivo, en particular cuando contiene cambios de configuración. 3. Cuando se alcanzan los limites del espacio de trabajo del dispositivo háptico o cuando el usuario lo solicita, se calcula la nueva configuración de este dispositivo, desde donde pueda retomar y efectuar la teleoperación y lo guía hasta ella. Las ayudas hápticas son generadas a partir de un camino que soluciona la tarea. Para lo cual se ha desarrollado un planificador que incorpora un novedoso algoritmo que es capaz de encontrar caminos realizables tanto entre obstáculos estáticos como entre móviles o la mezcla de unos y otros. Las principales características del planificador propuesto en el presente trabajo son: 1. Está basado en un planificador de mapa de carreteras probabilístico (Probabilistic Roadmap) con evaluación tardía de las colisiones del camino encontrado. 2. Se reduce la cantidad de muestras que componen el grafo donde se busca la solución a partir de uno más grande que cubre el espacio de configuraciones. 3. Cada camino planificado es evaluado y mejorado progresivamente de forma iterativa, creando un nuevo conjunto de muestras cerca de los obstáculos cuando la validación de alguna arista falla. 4. Es útil para replanificar cuando están presentes obstáculos móviles o cuando la configuración inicial cambia, dando siempre como resultado un camino muy cercano al anteriormente válido. Con esta ayuda el usuario se libera de prestar atención a las potenciales colisiones de cualquier parte del robot con el entorno y no solamente del efector final del robot (TCP) como se hace en otros enfoques. Esto es aplicado especialmente en entornos multirobot donde los otros robots presentes en la celda remota pueden interferir con los movimientos teleoperados y que en este trabajo son considerados como colecciones de obstáculos móviles. El esquema de control del sistema de teleoperación bilateral, garantiza la estabilidad a pesar de los retardos de las variables. Adicionalmente, se influye sobre su factor de amortiguamiento en el nodo remoto como una forma de hacer frente a potenciales colisiones, ralentizando la teleoperación cuando se advierte una potencial colisión. El sistema ha sido validado con varios usuarios, tanto en simulación como en experimentación con el robot real,mostrando que con esta asistencia se incrementa la velocidad y la seguridad en la ejecución de la tarea y se aligera la carga de la teleoperación, en especial cuando existen obstáculos móviles. Fri, 30 Nov 2012 10:09:23 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/96177 2012-11-30T10:09:23Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/83516 Distance-based formulations for the position analysis of kinematic chains Rojas, Nicolàs This thesis addresses the kinematic analysis of mechanisms, in particular, the position analysis of kinematic chains, or linkages, that is, mechanisms with rigid bodies (links) interconnected by kinematic pairs (joints). This problem, of completely geometrical nature, consists in finding the feasible assembly modes that a kinematic chain can adopt. An assembly mode is a possible relative transformation between the links of a kinematic chain. When an assignment of positions and orientations is made for all links with respect to a given reference frame, an assembly mode is called a configuration. The methods reported in the literature for solving the position analysis of kinematic chains can be classified as graphical, analytical, or numerical. The graphical approaches are mostly geometrical and designed to solve particular problems. The analytical and numerical methods deal, in general, with kinematic chains of any topology and translate the original geometric problem into a system of kinematic analysis of all the Assur kinematic chains resulting from replacing some of its revolute joints by slider joints. Thus, it is concluded that the polynomials of all fully-parallel planar robots can be derived directly from that of the widely known 3-RPR robot. In addition to these results, this thesis also presents an efficient procedure, based on distance and oriented area constraints, and geometrical arguments, to trace coupler curves of pin-jointed Gr¨ubler kinematic chains. All these techniques and results together are contributions to theoretical kinematics of mechanisms, robot kinematics, and distance plane geometry. equations that defines the location of each link based, mainly, on independent loop equations. In the analytical approaches, the system of kinematic equations is reduced to a polynomial, known as the characteristic polynomial of the linkage, using different elimination methods —e.g., Gr¨obner bases or resultant techniques. In the numerical approaches, the system of kinematic equations is solved using, for instance, polynomial continuation or interval-based procedures. In any case, the use of independent loop equations to solve the position analysis of kinematic chains, almost a standard in kinematics of mechanisms, has seldom been questioned despite the resulting system of kinematic equations becomes quite involved even for simple linkages. Moreover, stating the position analysis of kinematic chains directly in terms of poses, with or without using independent loop equations, introduces two major disadvantages: arbitrary reference frames has to be included, and all formulas involve translations and rotations simultaneously. This thesis departs from this standard approach by, instead of directly computing Cartesian locations, expressing the original position problem as a system of distance-based constraints that are then solved using analytical and numerical procedures adapted to their particularities. In favor of developing the basics and theory of the proposed approach, this thesis focuses on the study of the most fundamental planar kinematic chains, namely, Baranov trusses, Assur kinematic chains, and pin-jointed Gr¨ubler kinematic chains. The results obtained have shown that the novel developed techniques are promising tools for the position analysis of kinematic chains and related problems. For example, using these techniques, the characteristic polynomials of most of the cataloged Baranov trusses can be obtained without relying on variable eliminations or trigonometric substitutions and using no other tools than elementary algebra. An outcome in clear contrast with the complex variable eliminations require when independent loop equations are used to tackle the problem. The impact of the above result is actually greater because it is shown that the characteristic polynomial of a Baranov truss, derived using the proposed distance-based techniques, contains all the necessary and sufficient information for solving the position; Esta tesis aborda el problema de análisis de posición de cadenas cinemáticas, mecanismos con cuerpos rígidos (enlaces) interconectados por pares cinemáticos (articulaciones). Este problema, de naturaleza geométrica, consiste en encontrar los modos de ensamblaje factibles que una cadena cinemática puede adoptar. Un modo de ensamblaje es una transformación relativa posible entre los enlaces de una cadena cinemática. Los métodos reportados en la literatura para la solución del análisis de posición de cadenas cinemáticas se pueden clasificar como gráficos, analíticos o numéricos. Los enfoques gráficos son geométricos y se diseñan para resolver problemas particulares. Los métodos analíticos y numéricos tratan con cadenas cinemáticas de cualquier topología y traducen el problema geométrico original en un sistema de ecuaciones cinemáticas que define la ubicación de cada enlace, basado generalmente en ecuaciones de bucle independientes. En los enfoques analíticos, el sistema de ecuaciones cinemáticas se reduce a un polinomio, conocido como el polinomio característico de la cadena cinemática, utilizando diferentes métodos de eliminación. En los métodos numéricos, el sistema se resuelve utilizando, por ejemplo, la continuación polinomial o procedimientos basados en intervalos. En cualquier caso, el uso de ecuaciones de bucle independientes, un estándar en cinemática de mecanismos, rara vez ha sido cuestionado a pesar de que el sistema resultante de ecuaciones es bastante complicado, incluso para cadenas simples. Por otra parte, establecer el análisis de la posición de cadenas cinemáticas directamente en términos de poses, con o sin el uso de ecuaciones de bucle independientes, presenta dos inconvenientes: sistemas de referencia arbitrarios deben ser introducidos, y todas las fórmulas implican traslaciones y rotaciones de forma simultánea. Esta tesis se aparta de este enfoque estándar expresando el problema de posición original como un sistema de restricciones basadas en distancias, en lugar de directamente calcular posiciones cartesianas. Estas restricciones son posteriormente resueltas con procedimientos analíticos y numéricos adaptados a sus particularidades. Con el propósito de desarrollar los conceptos básicos y la teoría del enfoque propuesto, esta tesis se centra en el estudio de las cadenas cinemáticas planas más fundamentales, a saber, estructuras de Baranov, cadenas cinemáticas de Assur, y cadenas cinemáticas de Grübler. Los resultados obtenidos han demostrado que las técnicas desarrolladas son herramientas prometedoras para el análisis de posición de cadenas cinemáticas y problemas relacionados. Por ejemplo, usando dichas técnicas, los polinomios característicos de la mayoría de las estructuras de Baranov catalogadas se puede obtener sin realizar eliminaciones de variables o sustituciones trigonométricas, y utilizando solo álgebra elemental. Un resultado en claro contraste con las complejas eliminaciones de variables que se requieren cuando se utilizan ecuaciones de bucle independientes. El impacto del resultado anterior es mayor porque se demuestra que el polinomio característico de una estructura de Baranov, derivado con las técnicas propuestas, contiene toda la información necesaria y suficiente para resolver el análisis de posición de las cadenas cinemáticas de Assur que resultan de la sustitución de algunas de sus articulaciones de revolución por articulaciones prismáticas. De esta forma, se concluye que los polinomios de todos los robots planares totalmente paralelos se pueden derivar directamente del polinomio característico del conocido robot 3-RPR. Adicionalmente, se presenta un procedimiento eficaz, basado en restricciones de distancias y áreas orientadas, y argumentos geométricos, para trazar curvas de acoplador de cadenas cinemáticas de Grübler. En conjunto, todas estas técnicas y resultados constituyen contribuciones a la cinemática teórica de mecanismos, la cinemática de robots, y la geometría plana de distancias. Barcelona 13- Mon, 09 Jul 2012 09:57:09 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/83516 2012-07-09T09:57:09Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/77954 Transformación escalar de la interfaz de operador en teleoperación asistida Muñoz Morgado, Luis Miguel Human-machine interaction in teleoperation, through the adequate user interface, allows achieving the level of intelligence necessary to execute complex tasks that cannot be executed by machines or robots alone neither directly by humans. H-R interaction techniques facilitate the execution of such tasks making them more efficient and effective through the improvement of their user interface. Humans have inherent motor limitations (such as physiological tremor) and perceptive limitations (mainly perception of distance and time), which can prevent them from operating smoothly and precisely enough for certain applications. Some studies have already tackled this problem and its effect on the human-machine interaction and teleoperated systems. There are psychomotor models that show that the human manipulation efficiency, in actions such as pointing an object, depends on several factors. Among these models, the most representative corresponds to Fitts’ Law, in which the execution time is a logarithmic function of the size and distance to the object. In teleoperation, and based on these models, a modification of the visual scale in the user’s interface has a direct effect on the task execution time and on the precision that can be achieved. The same occurs with a change in the amplitude of the movement executed by the human operator with respect to that performed by the system. Therefore, scaling the movement between master and slave has a significant effect on the efficiency and effectiveness executing a task. This research work is oriented to the design and development of a method conceived to improve effectiveness thanks to a larger visual and motor efficiency of the human-machine interface. The method is based on the modification of the information flow between human, machine and interface by means of the scaling of both, the human movements and the image of the visualized task. Operation time, hand movements and the need for visual attention can thus be reduced with this computerized assistance. The changes of scale adapt to the task, which positively affects its performance in terms of precision and speed. Therefore, the proposed methodology aims to link the human operator working space to the machine or robot working space through an interface that introduces two scaling processes. A first change of scale is applied between the movement produced by the human operator and the movement produced in the visual interface (for instance, movement of the robot end-effector that is visualized on the computer screen); and a second change oriented to scale the real space of the task over the visual space of the interface. These changes of scale should be adjusted to the objects of interest, which result in a modification of the spatial resolution according to the task to be performed and to the size, shape distance and speed of the objects. Such changes modify the information flow between human and machine according to the characteristics and limitations of both.; La interacció persona-màquina en teleoperació, a través de la interfície d’usuari, permet aconseguir el nivell d’intel•ligència necessari per executar en cooperació tasques complexes que no poden ser realitzades per màquines o robots per si sols o directament per les persones. Les tècniques d’interacció faciliten el desenvolupament d’aquestes tasques fent-les mes eficients i eficaces, mitjançant la millora de qualsevol sistema que incorpori una interfície d’usuari. Les persones posseeixen limitacions motores inherents a la naturalesa humana (com la tremolor fisiològica) i limitacions perceptives (com la percepció de la distància o el temps) que impedeixen realitzar una operació suficientment suau i precisa en certes aplicacions. Alguns estudis tracten aquest fenomen i el seu efecte en els sistemes persona-màquina i sistemes teleoperats. Existeixen models psicomotors que mostren que la eficiència de la manipulació humana en la selecció d’un objecte depèn de determinats factors. Entre aquests models, el més representatiu correspon a la Llei de Fitts, in on el temps d’execució es una funció logarítmica de la mida i la distancia al objecte. En teleoperació, i en base a aquests models psicomotors, es demostra que una modificació en l’escala visual de la interfície té un efecte directe en el temps d’execució d’una tasca i en la precisió assolible. El mateix succeeix amb un canvi en l’amplitud del moviment que realitza l’operador respecte al realitzat pel sistema, de manera que l’escalat del moviment entre mestre i esclau té un efecte significatiu en l’eficiència i eficàcia amb la que s’executa una tasca. Aquest treball d’investigació està orientat al disseny i desenvolupament d’un mètode concebut per millorar l’eficàcia gràcies a una major eficiència visual i motora de la interfície persona-màquina. El mètode es basa en la modificació del flux d’informació entre persona, màquina i interfície mitjançant l’escalat tant del moviment de la persona com de la imatge de la tasca visualitzada. El temps d’operació, els moviments de la mà de la persona i el grau d’atenció poden reduir-se amb aquesta assistència computeritzada. Els canvis d’escala s’adapten a la tasca, afectant positivament el rendiment en termes de precisió i rapidesa. Així doncs, la metodologia proposada està orientada a connectar l’espai de treball de la persona amb l’espai de treball de la màquina o robot a través de la interfície que introdueix dos processos d’escala. Un primer canvi d’escala s’aplica entre el moviment produït per l’operador i el produït a la interfície visual i un segon canvi està orientat a escalar l’espai real de la tasca sobre la interfície visual. Aquests canvis d’escala han de ser ajustats als objectes d’interès, resultant en una modificació de la resolució espacial d’acord amb la tasca a realitzar i la mida, forma, i velocitat dels objectes. Aquests canvis d’escala modifiquen el flux d’informació entre l’operador i la màquina d’acord amb les característiques i limitacions d’ambdós.; La interacción persona-máquina en teleoperación, a través de la interfaz de usuario, permite conseguir el nivel de inteligencia necesario para ejecutar en cooperación tareas complejas que no pueden ser realizadas por máquinas o robots por si solos o directamente por las personas. Las técnicas de interacción facilitan el desarrollo de dichas tareas haciéndolas más eficientes y eficaces, mediante la mejora de cualquier sistema que incorpore una interfaz de usuario. Las personas poseen limitaciones motoras inherentes a la naturaleza humana (como el temblor fisiológico) y limitaciones perceptivas (como la percepción de la distancia o el tiempo) que impiden realizar una operación suficientemente suave y precisa en ciertas aplicaciones. Algunos estudios tratan este fenómeno y su efecto en los sistemas persona-máquina y sistemas teleoperados. Existen modelos psicomotores que muestran que la eficiencia de la manipulación humana en la selección de un objeto depende de determinados factores. Entre estos modelos, el más representativo corresponde a la Ley de Fitts en donde el tiempo de ejecución es una función logarítmica del tamaño y la distancia al objeto. En teleoperación, y en base a estos modelos psicomotores, se demuestra que una modificación en la escala visual de la interfaz tiene un efecto directo en el tiempo de ejecución de una tarea y en la precisión alcanzable. Lo mismo ocurre con un cambio en la amplitud de movimiento que realiza el operador con respecto al realizado por el sistema, con lo que el escalado del movimiento entre maestro y esclavo tiene un efecto significativo en la eficiencia y eficacia con la que se ejecuta una tarea. Este trabajo de investigación está orientado al diseño y desarrollo de un método concebido para mejorar la eficacia gracias a una mayor eficiencia visual y motora de la interfaz persona-máquina. El método se basa en la modificación del flujo de información entre persona, máquina e interfaz mediante el escalado tanto del movimiento de la persona como de la imagen de la tarea visualizada. El tiempo de operación, los movimientos de la mano de la persona y el grado de atención pueden reducirse con esta asistencia computarizada. Los cambios de escala se adaptan a la tarea, afectando positivamente al rendimiento en términos de precisión y rapidez. Por lo tanto, la metodología propuesta está orientada a conectar el espacio de trabajo de la persona con el espacio de trabajo de la máquina o robot a través de la interfaz que introduce dos procesos de escala. Un primer cambio de escala se aplica entre el movimiento producido por el operador y el producido en la interfaz visual y un segundo cambio está orientado a escalar el espacio real de la tarea sobre la interfaz visual. Estos cambios de escala deben ser ajustados a los objetos de interés, resultando en una modificación de la resolución espacial acorde con la tarea a realizar y el tamaño, forma, distancia y velocidad de los objetos. Dichos cambios de escala modifican el flujo de información entre el operador y la máquina acordes con las características y limitaciones de ambos. Tue, 06 Mar 2012 11:52:46 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/77954 2012-03-06T11:52:46Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/77914 Síntesis de controladores para convertidores de potencia utilizando realimentación de la salida pasiva de la dinámica exacta del error de seguimiento: teoría y práctica Spinetti Rivera, Mario de Jesús The essential idea of this thesis is to present a sufficiently general technique for the synthesis of control laws based on the passivity property. The fundamental ideal is properly exploit the exact tracking error dynamics in the feedback of the passive output. The proposed controllers are able of solving the tracking problem and hence the relative stabilization at constant values (regulation). The technique is approached from both, theoretical and practical point of view perspective so that the results are complementary. This approach allows to demonstrate its validity, reliability and applicability in the field of power electronics and the development of power converters. For this purpose there are various chapters on the contributions and results that were achieved with the use of technology and implementation of power converter circuits. The first chapter presents a general representation model for power converters, which is used to introduce the general technique called Exact Tracking Error Dynamics Passive Output Feedback, ETEDPOF. It is demostrate that the synthesized control law makes the system globally asymptotically stable, provided that certain conditions of matching. The particular case of the Boost converter is the studied controller is synthesized and used in the analysis of stability and its physical implementation. When we implementing the theoretical results in the laboratory find a significant difference in behavior of the controlled system with simulation results. This merits a special study of modeling that we presented in the second chapter. In the second chapter the objective is to reduce the resulting error in the implementation of the laboratory prototype using the control law proposed in the first chapter. This introduces an equivalent model for converters, under the premises that should be simple, efficient and aplicable. This is accomplished through the inclusion of losses as heat by the Joule effect, getting a new model called Joule Equivalent Model (JEM). Controller is synthesized with the new model, the converter is implemented and the results analyzed. It is shown that the control law in combination with the equivalent model can reduce the error between simulated and measured results, during either the transisent respond or and the steady state. We obtain sufficiently accurate results without need to introduce robustness. The third chapter attacts the problem of robustness. First the behavior of the converter when it is pertubed with load variations, is studied. It is demostrated that in close loop and in a span of load, the converter is globally stable and bounded. Also shows the behavior, qualitatively, of the trajectories to changes in the load, represented by means of phase diagrams (atlas). Second, it introduces an integrator of error output and stability is studied through an extended system, being able to demonstrate that there is an operating range where the system is locally stable. Finally, using a parametric identification technique, with which it does detect load variations and reconfigure the control law. In the fourth chapter the tracking issue is considered taking. Advantage of the general technique, trajectories are planned that achieve a balance to balance transfers for the Boost converter and made sinusoidal trajectories tracking with Boost-Boost topology with float load. Including synthesis of controllers, stability analysis, simulations and implementations in laboratory prototypes. Lloc; La idea esencial de este trabajo es la presentación de una técnica suficientemente general para la síntesis de leyes de control basada en la propiedad de pasividad. La base fundamental consiste en explotar adecuadamente la dinámica exacta del error de seguimiento en la realimentación de la salida pasiva. Los controladores propuestos son capaces de resolver el problema de seguimiento de trayectorias y, por ende, los relativos a la estabilización a valores constantes (regulación). La técnica es abordada desde el punto de vista teórico y práctico de manera que los resultados se complementen; esto permite demostrar su validez, confiabilidad y aplicabilidad en el campo de la electrónica de potencia y en el desarrollo de convertidores de potencia. Con esta finalidad se presentan diversos capítulos que versan sobre las aportaciones y resultados que fueron logrados con la utilización de la técnica y la implementación de circuitos convertidores de potencia. El primer capítulo plantea un modelo de representación general para los convertidores de potencia, el cual es utilizado para introducir la técnica general denominada Realimentación de la Salida Pasiva de la Dinámica Exacta del Error de Seguimiento, denominada ETEDPOF por sus siglas en ingles. Se demuestra que la ley de control sintetizada hace al sistema asintóticamente globalmente estable, siempre que se cumpla cierta condición de acoplamiento. Se estudia el caso particular del convertidor Boost; para ello se sintetiza el controlador y se realiza el análisis de estabilidad y su implementación física. En el momento de implementar los resultados teóricos en el laboratorio se encuentra una diferencia significativa del comportamiento del sistema controlado con los resultados de simulación. Esto amerita un estudio especial de modelado que se presenta en el segundo capítulo. En el segundo capítulo el objetivo es lograr una manera de reducir el error resultante en la implementación del prototipo de laboratorio del convertidor bajo la ley de control propuesta en el primer capítulo. Para ello se introduce un modelo equivalente para convertidores, bajo las premisas de que debe ser sencillo, eficiente y aplicable. Esto se consigue a través de la inclusión de las pérdidas en forma de calor por el efecto Joule, obteniendo un nuevo modelo que denominamos Modelo Equivalente Joule (MEJ). Se sintetiza el controlador con el nuevo modelo, se implementa el convertidor y se analizan los resultados. Se demuestra que la ley de control en combinación con el modelo equivalente permiten reducir el error entre los resultados simulados y los medidos, tanto en el transitorio producido en los estados de sistema como en el valor estacionario. Se logra así, sin necesidad de introducir conceptos de robustez, resultados suficientemente precisos. El tercer capítulo aborda el problema de robustez. En primer lugar se estudia el comportamiento del convertidor ante el supuesto de variaciones de la carga y se logra demostrar que el convertidor, en lazo cerrado, dentro de un rango de la carga, es globalmente estable y acotado en todo el rango de variaciones de la carga. Además se muestran los comportamientos, en forma cualitativa, de las trayectorias ante las variaciones de la carga; representándolas por medio de diagramas de fases (atlas). En segundo lugar se introduce un integrador del error de la salida y se estudia la estabilidad a través de un sistema extendido; pudiéndose demostrar que existe un rango de operación donde el sistema es localmente estable. Finalmente, se utiliza una técnica de identificación paramétrica, con la que se hace detección de cambios de la carga del sistema y se reconfigura la ley de control. En el cuarto capítulo se resuelve el problema de seguimiento. Aprovechando que la técnica general fue estructurada con esta finalidad, se planifican trayectorias que logran transferencias de equilibrio a equilibrio para el convertidor Boost y se realiza seguimiento de trayectorias senoidales con un convertidor de topología Boost-Boost con la carga flotante. Incluyendo síntesis de los controladores, análisis de estabilidad, simulaciones e implementaciones en los prototipos de laboratorio. Lloc i Fri, 02 Mar 2012 16:28:47 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/77914 2012-03-02T16:28:47Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/53635 Sensor placement for fault diagnosis based on structural models: application to a fuel cell stak system Rosich Oliva, Albert The present work aims to increase the diagnosis systems capabilities by choosing the location of sensors in the process. Therefore, appropriate sensor location will lead to better diagnosis performance and implementation easiness. The work is based on structural models ands some simplifications are considered in order to only focus on the sensor placement analysis. Several approaches are studied to solve the sensor placement problem. All of them find the optimal sensor configuration. The sensor placement techniques are applied to a fuel cell stack system. The model used to describe the behaviour of this system consists of non-linear equations. Furthermore, there are 30 candidate sensors to improve the diagnosis specifications. The results obtained from this case study are used to strength the applicability of the proposed approaches.; El present treball té per objectiu incrementar les prestacions dels diagnosticadors mitjançant la localització de sensors en el procés. D'aquesta manera, instal·lant els sensors apropiats s'obtenen millors diagnosticador i més facilitats d'implementació. El treball està basat en models estructurals i contempla una sèrie de simplificacions per tal de entrar-se només en la problemàtica de la localització de sensors. S'utilitzen diversos enfocs per tal de resoldre la localització de sensors, tot ells tenen com objectiu trobar la configuració òptima de sensors. Les tècniques de localització de sensors són aplicades a un sistema basat en una pila de combustible. El model d'aquest sistema està format per equacions no lineals. A més, hi ha la possibilitat d'instal·lar fins a 30 sensors per tal de millorar la diagnosis del sistema. Degut a aquestes característiques del sistema i del model, els resultats obtinguts mitjançant aquest cas d'estudi reafirmen l'aplicabilitat dels mètodes proposats. Mon, 30 Jan 2012 12:39:38 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/53635 2012-01-30T12:39:38Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/52812 Integration Techniques of Fault Detection and Isolation Using Interval Observers Meseguer Amela, Jordi An interval observer has been illustrated to be a suitable approach to detect and isolate faults affecting complex dynamical industrial systems. Concerning fault detection, interval observation is an appropriate passive robust strategy to generate an adaptive threshold to be used in residual evaluation when model uncertainty is located in parameters (interval model). In such approach, the observer gain is a key parameter since it determines the time evolution of the residual sensitivity to a fault and the minimum detectable fault. This thesis illustrates that the whole fault detection process is ruled by the dynamics of the fault residual sensitivity functions and by the time evolution of the adaptive threshold related to the interval observer. Besides, it must be taken into account that these two observer fault detection properties depend on the used observer gain. As a consequence, the observer gain becomes a tuning parameter which allows enhancing the observer fault detection performance while avoiding some drawbacks related to the analytical models, as the wrapping effect. In this thesis, the effect of the observer gain on fault detection and how this parameter can avoid some observer drawbacks (i.e. wrapping effect) are deeply analyzed. One of the results of this analysis is the determination of the minimum detectable fault function related to a given fault type. This function allows introducing a fault classification according to the fault detectability time evolution: permanently (strongly) detected, non-permanently (weakly) detected or just non-detected. In this fault detection part of this thesis, two examples have been used to illustrate the derived results: a mineral grinding-classification process and an industrial servo actuator. Concerning the interface between fault detection and fault isolation, this thesis shows that both modules can not be considered separately since the fault detection process has an important influence on the fault isolation result. This influence is not only due to the time evolution of the fault signals generated by the fault detection module but also to the fact that the fault residual sensitivity functions determines the faults which are affecting a given fault signal and the dynamics of this fault signal for each fault. This thesis illustrates this point suggesting that the interface between fault detection and fault isolation must consider a set of fault signals properties: binary property, sign property, fault residual sensitivity property, occurrence order property and occurrence time instant property. Moreover, as a result of the influence of the observer gain on the fault detection stage and on the fault residual sensitivity functions, this thesis demonstrates that the observer gain has also a key role in the fault isolation module which might allow enhancing its performance when this parameter is tuned properly (i.e. fault distinguishability may be increased). As a last point, this thesis analyzes the timed discrete-event nature of the fault signals generated by the fault detection module. As a consequence, it suggests using timed discrete-event models to model the fault isolation module. This thesis illustrates that this kind of models allow enhancing the fault isolation result. Moreover, as the monitored system is modelled using an interval observer, this thesis shows as this qualitative fault isolation model can be built up on the grounds of this system analytical model. Finally, the proposed fault isolation method is applied to detect and isolate faults of the Barcelona’s urban sewer system limnimeters. Keywords: Fault Detection, Fault Diagnosis, Robustness, Observers, Intervals, Discrete-event Systems.; En la presente tesis se demuestra que el uso de observadores intervalares para detectar y aislar fallos en sistemas dinámicos complejos constituye una estrategia apropiada. En la etapa de detección del fallo, dicha estrategia permite determinar el umbral adaptativo usado en la evaluación del residuo (robustez pasiva). Dicha metodología, responde a la consideración de modelos con parámetros inciertos (modelos intervalares). En dicho enfoque, la ganancia del observador es un parámetro clave que permite determinar la evolución temporal de la sensibilidad del residuo a un fallo y el mínimo fallo detectable para un tipo de fallo determinado. Esta tesis establece que todo el proceso de detección de fallos viene determinado por la dinámica de las funciones sensibilidad del residuo a los diferentes fallos considerados y por la evolución temporal del umbral adaptativo asociado al observador intervalar. Además, se debe tener en cuenta que estas dos propiedades del observador respecto la detección de fallos dependen de la ganancia del observador. En consecuencia, la ganancia del observador se convierte en el parámetro de diseño que permite mejorar las prestaciones de dicho modelo respecto la detección de fallos mientras que permite evitar algunos defectos asociados al uso de modelos intervalares, como el efecto wrapping. Uno de los resultados obtenidos es la determinación de la función fallo mínimo detectable para un tipo de fallo dado. Esta función permite introducir una clasificación de los fallos en función de la evolución temporal de su detectabilidad: fallos permanentemente detectados, fallos no permanentemente detectados y fallos no detectados. En la primera parte de la tesis centrada en la detección de fallos se utilizan dos ejemplos para ilustrar los resultados obtenidos: un proceso de trituración y separación de minerales y un servoactuador industrial. Respecto a la interfaz entre la etapa de detección de fallos y el proceso de aislamiento, esta tesis muestra que ambos módulos no pueden considerarse separadamente dado que el proceso de detección tiene una importante influencia en el resultado de la etapa de aislamiento. Esta influencia no es debida sólo a la evolución temporal de las señales de fallo generados por el módulo de detección sino también porque las funciones sensibilidad del residuo a los diferentes posibles fallos determinan los fallos que afectan a un determinado señal de fallo y la dinámica de éste para cada uno de los fallos. Esta tesis ilustra este punto sugiriendo que el interfaz entre detección y aislamiento del fallo debe considerar un conjunto de propiedades de dichos señales: propiedad binaria, propiedad del signo, propiedad de la sensibilidad del residuo a un fallo dado, propiedad del orden de aparición de las señales causados por los fallos y la propiedad del tiempo de aparición de estos. Además, como resultado de la influencia de la ganancia del observador en la etapa de detección y en las funciones sensibilidad asociadas a los residuos, esta tesis ilustra que la ganancia del observador tiene también un papel crucial en el módulo de aislamiento, el cual podría permitir mejorar el comportamiento de dicho módulo diseñando éste parámetro del observador de forma adecuada (Ej. Incrementar la distinción de los fallos para su mejor aislamiento). Como último punto, esta tesis analiza la naturaleza temporal de eventos discretos asociada a las señales de fallo generados por el módulo de detección. A consecuencia, se sugiere usar modelos de eventos discretos temporales para modelizar el módulo de aislamiento del fallo. Esta tesis muestra que este tipo de modelos permite mejorar el resultado de aislamiento del fallo. Además, dado que el sistema monitorizado es modelado usando un observador intervalar, esta tesis muestra como este modelo cualitativo de aislamiento puede ser construido usando dicho modelo analítico del sistema. Finalmente, el método propuesto de aislamiento del fallo es aplicado para detectar y aislar fallos en los limnimetros del sistema de alcantarillado de Barcelona. Palabras clave: Detección de Fallos, Diagnosis de Fallos, Robusteza, Observadores, Intervalos, Sistemas de Eventos Discretos. Fri, 30 Dec 2011 12:13:50 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/52812 2011-12-30T12:13:50Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/52089 Influence of reverse logistics on optimal manufacturing, remanufacturing, and storage capacities Benedito, Ernest El propósito de la presente tesis es estudiar la influencia de la logística inversa en las capacidades de fabricación, refabricación y almacenaje óptimas de un sistema industrial. El interés por la logística inversa ha crecido en los últimos años de forma paralela a la preocupación, creciente también, por las cuestiones medioambientales en el mundo industrializado. En el capítulo 2 se hace una introducción a la logística inversa, explicando su definición y los motivos por los que se ha creado esta área de gestión diferenciada de la logística tradicional; se describen los tipos de productos que intervienen en la logística inversa y los distintos procesos para recuperar su valor. Además, se analizan las características del comportamiento de un sistema con logística inversa, comparándolas con las de un sistema tradicional. En el capítulo 3 se revisa la literatura tanto en el ámbito de la gestión de las capacidades de fabricación y almacenaje en un sistema tradicional como en el ámbito de la logística inversa. Para cumplir con el objetivo de la tesis, en los capítulos 4, 5 y 6 se estudian tres modelos de un sistema en que el producto recuperado es indistinguible del producto nuevo. El proceso seguido para realizar el estudio ha sido el mismo en cada uno de los modelos presentados: en primer lugar se ha determinado la política de producción óptima utilizando una cierta función de coste y suponiendo que tenemos dadas unas capacidades fijas, en segundo lugar se ha determinado el valor óptimo de las capacidades que optimizan la función de coste y en tercer lugar se estudian las variaciones de las cantidades óptimas al variar algunos parámetros relacionados con la logística inversa. En el capítulo 4 se pone de manifiesto cómo influye la aleatoriedad de los retornos en las capacidades óptimas estudiando un sistema con demanda uniforme y retornos aleatorios. La función de coste a optimizar es el valor esperado del coste en un periodo. En el capítulo 5 se estudia un modelo en el que la demanda y los retornos son funciones conocidas, continuas y periódicas. La función de coste a optimizar es el coste incurrido en el periodo y el problema de determinar la política de fabricación óptima es un problema de control óptimo. El modelo presentado permite analizar la variación en las capacidades óptimas al variar el plazo entre la venta y los retornos de los productos. En el capítulo 6 se trata un modelo con demanda y retornos aleatorios. La función de coste a optimizar es el valor esperado del coste en un periodo. Para realizar el cálculo de las políticas óptimas se hace la hipótesis de independencia estocástica de los retornos, comúnmente utilizada en la literatura. Una vez calculadas las capacidades óptimas se contrasta la validez de la hipótesis mediante simulación. El modelo se utiliza para estudiar la dependencia de las capacidades respecto de la probabilidad de que el producto sea retornado y respecto de los costes variables de refabricación. Finalmente en el capítulo 7 se recogen las conclusiones y los futuros temas de investigación.; The purpose of this thesis is to study the influence of reverse logistics in optimal manufacturing, remanufacturing and storage capacities of an industrial system. The interest in reverse logistics has grown in recent years in parallel with the increasing concern about environmental issues in the industrialized world. In chapter 2, we provide an introduction to reverse logistics: explaining the definition of reverse logistics and the reasons for which has been created as a differentiated area of management of traditional logistics, describing the types of products involved in reverse logistics and the different processes to recover its value, and examining the behavioral characteristics of a reverse logistics systems, compared with the traditional logistics system. In chapter 3 we review the literature both in the field of capacity management in traditional systems and in the field of reverse logistics. To meet the objective of the thesis, we study three models of a system in which the recovered product is indistinguishable from the new product. The process followed for the study was the same in each of the models presented: firstly, we determine the optimal production policy for every value of capacities; the second step is determining the optimal value of the capacities when optimal policies are applied and third we study the dependency of optimal capacities on some parameters related with reverse logistics. In chapter 4 we study a system with uniform demand and random returns to show the influence of the randomness of returns in the optimal capacities. The cost function to optimize is the expected value of cost in a period. In chapter 5 we study a model in which demand and returns are known functions, continuous and periodic. The cost function to optimize is the cost incurred in the period and the problem of determining the optimal production policy is an optimal control problem. Using this model, we analyze the dependence of optimal capacity on the time between sales and product returns. In chapter 6 we present a stochastic model where demand and returns are sequences of random variables. The cost function to optimize is the expected value of cost in a period. To perform the calculation of optimal policies we assume that returns are stochastically independent of demand (this assumption is commonly used in the literature). The hypothesis is validated by simulation after optimal capacity is calculated. The model is used to study the dependence of the optimal capacities on the probability that the product is returned and also on the variable costs of remanufacturing. Finally in chapter 7 we discuss the conclusions and future research topics. Mon, 12 Dec 2011 12:55:22 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/52089 2011-12-12T12:55:22Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/41555 Map-based localization for urban service mobile robotics Corominas Murtra, Andreu Mobile robotics research is currently interested on exporting autonomous navigation results achieved in indoor environments, to more challenging environments, such as, for instance, urban pedestrian areas. Developing mobile robots with autonomous navigation capabilities in such urban environments supposes a basic requirement for a upperlevel service set that could be provided to an users community. However, exporting indoor techniques to outdoor urban pedestrian scenarios is not evident due to the larger size of the environment, the dynamism of the scene due to pedestrians and other moving obstacles, the sunlight conditions, and the high presence of three dimensional elements such as ramps, steps, curbs or holes. Moreover, GPS-based mobile robot localization has demonstrated insufficient performance for robust long-term navigation in urban environments. One of the key modules within autonomous navigation is localization. If localization supposes an a priori map, even if it is not a complete model of the environment, localization is called map-based. This assumption is realistic since current trends of city councils are on building precise maps of their cities, specially of the most interesting places such as city downtowns. Having robots localized within a map allows for a high-level planning and monitoring, so that robots can achieve goal points expressed on the map, by following in a deliberative way a previously planned route. This thesis deals with the mobile robot map-based localization issue in urban pedestrian areas. The thesis approach uses the particle filter algorithm, a well-known and widely used probabilistic and recursive method for data fusion and state estimation. The main contributions of the thesis are divided on four aspects: (1) long-term experiments of mobile robot 2D and 3D position tracking in real urban pedestrian scenarios within a full autonomous navigation framework, (2) developing a fast and accurate technique to compute on-line range observation models in 3D environments, a basic step required by the real-time performance of the developed particle filter, (3) formulation of a particle filter that integrates asynchronous data streams and (4) a theoretical proposal to solve the global localization problem in an active and cooperative way, defining cooperation as either information sharing among the robots or planning joint actions to solve a common goal.; Actualment, la recerca en robòtica mòbil té un interés creixent en exportar els resultats de navegació autònoma aconseguits en entorns interiors cap a d'altres tipus d'entorns més exigents, com, per exemple, les àrees urbanes peatonals. Desenvolupar capacitats de navegació autònoma en aquests entorns urbans és un requisit bàsic per poder proporcionar un conjunt de serveis de més alt nivell a una comunitat d'usuaris. Malgrat tot, exportar les tècniques d'interiors cap a entorns exteriors peatonals no és evident, a causa de la major dimensió de l'entorn, del dinamisme de l'escena provocada pels peatons i per altres obstacles en moviment, de la resposta de certs sensors a la il.luminació natural, i de la constant presència d'elements tridimensionals tals com rampes, escales, voreres o forats. D'altra banda, la localització de robots mòbils basada en GPS ha demostrat uns resultats insuficients de cara a una navegació robusta i de llarga durada en entorns urbans. Una de les peces clau en la navegació autònoma és la localització. En el cas que la localització consideri un mapa conegut a priori, encara que no sigui un model complet de l'entorn, parlem d'una localització basada en un mapa. Aquesta assumpció és realista ja que la tendència actual de les administracions locals és de construir mapes precisos de les ciutats, especialment dels llocs d'interés tals com les zones més cèntriques. El fet de tenir els robots localitzats en un mapa permet una planificació i una monitorització d'alt nivell, i així els robots poden arribar a destinacions indicades sobre el mapa, tot seguint de forma deliberativa una ruta prèviament planificada. Aquesta tesi tracta el tema de la localització de robots mòbils, basada en un mapa i per entorns urbans peatonals. La proposta de la tesi utilitza el filtre de partícules, un mètode probabilístic i recursiu, ben conegut i àmpliament utilitzat per la fusió de dades i l'estimació d'estats. Les principals contribucions de la tesi queden dividides en quatre aspectes: (1) experimentació de llarga durada del seguiment de la posició, tant en 2D com en 3D, d'un robot mòbil en entorns urbans reals, en el context de la navegació autònoma, (2) desenvolupament d'una tècnica ràpida i precisa per calcular en temps d'execució els models d'observació de distàncies en entorns 3D, un requisit bàsic pel rendiment del filtre de partícules a temps real, (3) formulació d'un filtre de partícules que integra conjunts de dades asíncrones i (4) proposta teòrica per solucionar la localització global d'una manera activa i cooperativa, entenent la cooperació com el fet de compartir informació, o bé com el de planificar accions conjuntes per solucionar un objectiu comú. Tue, 11 Oct 2011 09:45:26 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/41555 2011-10-11T09:45:26Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/32903 Aportació al disseny de sistemes de control basats en models intervalars Comasòlivas Font, Ramon En diverses tècniques de control robust és habitual treballar amb plantes incertes, el comportament de les quals es pot descriure raonablement segons incertesa paramètrica mitjançant models lineals intervalars. La QFT (Quantitative Feedback Theory) és una d’aquestes tècniques de control robust, que treballa bàsicament amb especificacions donades en el domini freqüencial. L’aportació d’aquest treball es centra en diversos aspectes relacionats amb la problemàtica del control de sistemes amb incertesa paramètrica, amb l’estructura estàndard de control a llaç tancat amb realimentació negativa, i amb la possible existència de pre-filtre, si hi cal. L’ús de l’aritmètica intervalar facilita la representació d’incerteses i a més permet la implementació de tècniques d’anàlisi i de disseny que poden ser utilitzades per al control robust de sistemes. Per evitar la problemàtica associada a la representació de conjunts i els problemes que comporta en quant a multi-incidència i wrapping, el mètode adoptat en aquesta tesis per representar el conjunts utilitza una boira de punts i les operacions es realitzen de forma determinista (graella).Un primer aspecte del treball, en el cas que s’hagin comprovat la compatibilitat d’especificacions i l’existència de controlador, s’orienta en la recerca de l’espai de paràmetres del controlador d’estructura pre-fixada i baix ordre, aprofitant eines d’aritmètica intervalar tals com el concepte de projecció d’un conjunt i la seva implementació en algorismes concrets, basats en els principis de satisfacció de restriccions.Una qüestió a tenir en compte en treballar amb especificacions freqüencials és la dificultat de trobar una equivalència directa entre especificacions temporals i freqüencials. La tesi també fa incidència en el cas particular d’un tipus d’especificació temporal de seguiment de trajectòria o tracking que, sota determinades hipòtesis, alguns autors proposen una equivalència freqüencial. En el present treball es fa una aportació de simplificació del procés de disseny, remarcable per què una nova especificació (de sensitivitat) substituiria l’original (de seguiment). Aleshores, en cas d’existir una especificació addicional pròpiament de sensitivitat, ambdues quedarien integrades en una única especificació de sensitivitat, simplificant-se així el procés de disseny. I a més, el mètode proposat dóna de forma immediata el disseny del pre-filtre.També en la present tesi es treballa en una metodologia per automatitzar el disseny de controladors. Es proposa un algorisme de disseny automàtic (Automatic Loop Shaping, ALS) en el marc de la QFT, en el que s’aplica un criteri de minimització energètica de l’energia impulsional del controlador. Per validar les metodologies proposades es mostren un parell de casos d’estudi. El primer cas és el d’un interferòmetre real, utilitzat per al posicionament d’uns segments de mirall en un telescopi, on la problemàtica bàsica és l’existència de pertorbacions mecàniques. El segon cas és el d’un model simplificat de l’angle de capcineig d’un helicòpter de laboratori, amb incertesa estructurada i paramètrica. En ambdós casos els resultats simulats i experimentals han estat molt satisfactoris.; Robust control techniques often work with uncertain plants whose behavior can be described according to linear models using parametric uncertainty intervals. Quantitative feedback theory (QFT) is one such technique that works mainly with frequency domain specifications. This thesis focuses on aspects related to the problem of control systems with parametric uncertainty, using the standard closed-loop control structure, negative feedback and a pre-filter, if required.Interval arithmetic is helpful when representing uncertainty and allows the use of analysis and design techniques for robust system control. With a view to avoiding the problems associated with the representation of sets, multi-incidence and wrapping, in this thesis a cloud of points is used to represent the sets and the operations are performed in a deterministic way (grid).Once the compatibility of specifications and the existence of a controller have been verified, research is conducted into the controller parameter space with a pre-fixed and low-order structure using interval arithmetic tools such as the projection of sets and their implementation in specific algorithms based on constraint satisfaction principles. The difficulty of finding a direct equivalence between temporal and frequency specifications must be taken into account when one is working with frequency specifications. This thesis emphasizes on the temporal specification of tracking, for which under certain hypotheses some authors propose a frequency specification equivalent. A method is proposed to simplify the design process by replacing the original specification (tracking) with a new one (sensitivity). If there is an additional sensitivity specification, both are integrated in a single one, thus simplifying the design process. The proposed method also gives the pre-filter design. This thesis also deals with a methodology for automating controller design. An automatic design algorithm (automatic loop shaping, or ALS) is proposed in the QFT framework, in which a criterion of energy minimization on the controller’s impulse response is applied. Two case studies are presented to validate the proposed methodologies. First one is a real interferometer that is used for positioning mirror segments in a telescope. The basic problem here is the existence of mechanical disturbances. The second case study is a simplified model of a laboratory helicopter’s pitch angle with structured parametric uncertainty. In both cases the simulated and experimental results were highly satisfactory. Wed, 27 Jul 2011 10:33:59 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/32903 2011-07-27T10:33:59Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/22677 Bearing-only slam methods Munguía Alcalá, Rodrigo Francisco SLAM (Simulatenous Localization and Mapping) es quizá el problema más importante a solucionar en robótica para construir robots móviles verdaderamente autónomos. El SLAM es acerca de cómo un robot móvil opera en un entorno a priori desconocido, utilizando únicamente sus sensores de abordo, mientras construye un mapa de dicho entorno que al mismo tiempo utiliza para localizarse. Los sensores del robot tienen un gran impacto en los algoritmos usados en SLAM. Los primeros enfoques se centraron en el uso de sensores de rango como sonares o láseres. Sin embargo hay algunas desventajas relacionadas con su utilización: La asociación de datos es difícil, son costosos, habitualmente están limitados a mapas 2D y tienen alto costo computacional debido al gran número de características (features) que producen. Lo anterior ha propiciado que enfoques recientes se estén moviendo hacia el uso de cámaras como sensor principal. Estas se han vuelto muy atractivas para los investigadores de la robótica, dado que generan mucha información, facilitan la asociación de datos, están bien adaptadas para sistemas embebidos: son ligeras, baratas y ahorran energía. Usando visión, un robot puede localizarse así mismo usando objetos comunes como landmarks. Sin embargo, a diferencia de los sensores de rango, que proveen información angular y de rango, una cámara es un sensor proyectivo que mide el bearing (ángulo) respecto a objetos de la imagen. Por lo que la profundidad (range) no puede ser obtenida en una sola toma. Este hecho ha motivado la aparición de una nueva familia de métodos de SLAM: Los Bearing-Only SLAM methods, los cuales están basados en técnicas especiales para la inicialización de features, permitiendo el uso de sensores de bearing en SLAM. Esta tesis se centra en el estudio de la problemática del Bearing-Only SLAM: da una descripción extensa del tema, recapitula los retos actuales a resolver y propone nuevos métodos y algoritmos enfocados a tratar diferentes sub problemas concernientes esta problemática en general. Estos sub problemas deben de ser tratados, de manera que sea posible construir sistemas capaces de operar en entornos diversos y complejos. La investigación descrita en esta disertación ha sido dividida en tres partes: 3DOF Bearing-Only SLAM: El proceso de inicialización de nuevas features es quizá el sub problema más importante a tratar en Bearing-Only SLAM. En esta parte de la tesis se introduce un nuevo método llamado Delayed Inverse Depth Features Initialization (para 3DOF y asumiendo odometría). Este método utiliza una parametrización inversa, donde la profundidad e incertidumbre iníciales de cada feature son dinámicamente estimadas previamente a que una feature sea declarada como un nuevo landmark en el mapa estocástico. También se presenta un sistema de SLAM basado en sonido, llamado SSLAM el cual usa fuentes de sonido como features del mapa. La contribución del SSLAM es demostrar la viabilidad de la inclusión del sentido auditivo en SLAM y mostrar que es factible utilizar sensores alternativos en Bearing-Only SLAM. Métodos de asociación de datos para SLAM basado en visión: El problema de la asociación de datos es quizá uno de los problemas más difíciles en robótica y también uno de los sub problemas más importantes a tratar en SLAM. Consiste en determinar si las mediciones de un sensor tomadas en tiempos diferentes, corresponden al mismo objeto físico del mundo. En esta parte de la tesis, se proponen diferentes métodos que tratan el problema de la asociación de datos en un contexto de SLAM basado en visión. SLAM monocular de 6DOF: El SLAM monocular de 6DOF quizá representa la variante más extrema del SLAM, dado que una cámara en mano es utilizada como la única entrada sensorial del sistema. En esta parte de la tesis, se extiende el algoritmo de 2DOF Bearing-Only SLAM para ser aplicado en un contexto de SLAM monocular. También se propone un nuevo esquema llamado SLAM Monocular Distribuido, enfocado en el problema de construir y mantener mapas consistentes de grandes entornos en tiempo real. La idea es dividir la estimación total del sistema en dos procesos de estimación concurrentes. Primero un método actual de SLAM monocular (Virtual Sensor) es modificado como un complejo sensor virtual que emula sensores típicos, como el laser para medición de rango y encoders para odometría. Después otro método tradicional de SLAM (Global SLAM) es acoplado para construir y mantener el mapa final. Numerosas referencias bibliográficas, graficas, comparaciones, simulaciones y experimentos con datos reales de sensores, son presentador con el fin de mostrar el desempeño de los métodos propuestos.; Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) is perhaps the most fundamental problem to solve in robotics in order to build truly autonomous mobile robots. SLAM is about on how can a mobile robot operate in an a priori unknown environment and use only onboard sensors to simultaneously build a map of its surroundings and use it to track its position. The robot’s sensors have a large impact on the algorithm used for SLAM. Early SLAM approaches focused on the use of range sensors as sonar rings or lasers. Nevertheless there are some disadvantages with the use of range sensors in SLAM: Correspondence or data association is difficult. They are expensive. They are generally limited to 2D maps and computational overhead due to large number of features. The aforementioned issues have propitiated that recent work is moving towards the use of cameras as the primary sensing modality. Cameras have become more and more interesting for the robotic research community, because it yield a lot of information allowing reliable data association. Cameras are well adapted for embedded systems: they are light, cheap and power saving. Using vision, a robot can localize itself using common objects as landmarks. On the other hand, at difference of range sensors (i.e. sonar or laser) which provides range and angular information, a camera is a projective sensor which measures the bearing of images features. Therefore depth information (range) cannot be obtained in a single frame. This fact has propitiated the emergence of a new family of SLAM methods: The Bearing-Only SLAM methods, which mainly relies in especial techniques for features system-initialization in order to enable the use of bearing sensors (as cameras) in SLAM systems. This thesis is focused on the study of the Bearing-Only SLAM problematic: It gives an extensive overview of the subject. It point out the principal challenges nowadays. And it presents new methods and algorithms which address different sub problems concerning to the Bearing-Only SLAM problematic. These sub problems must be solved, in order to build systems capable of operating in extremely diverse and complex environments. The research described in this dissertation has been divided into three parts: 3DOF Bearing-Only SLAM: The initialization process for new features is perhaps the most important sub problem for addressing in Bearing-Only SLAM. In this part of the thesis we introduce a novel method called Delayed Inverse Depth Features Initialization for a 3DOF odometry-available context. In this method, which uses an inverse depth parameterization, initial depth and uncertainty of each feature are dynamically estimated priors to add the new landmark in the stochastic map. We also present a Sound-based SLAM system, called SSLAM, which uses “Sound Sources” as map’s features. The main contributions of the SSLAM are demonstrating the viability on the inclusion of the hearing sense in SLAM and show that is straightforward to use alternative bearing in SLAM systems. Data association methods for camera-based SLAM: the data association problem is possibly one of the hardest problems in robotic and also one of the most important sub problems to solve in SLAM. The correspondence problem is the problem of determining if sensor measurements taken at different points in time correspond to the same physical object in the world. In this part of the thesis, we propose different methods for addressing the data association problem in a context of vision-based SLAM. 6DOF Monocular SLAM: 6-DOF monocular SLAM possibly represents the harder variant of SLAM, since a low cost hand-held camera is used as the only sensory input to the system. In this part of the thesis, we extend our 2DOF Bearing-Only SLAM algorithm for being used in a monocular SLAM context. Also a novel framework called Distributed Monocular SLAM is proposed for addressing the problem of building and maintaining a global and consistent map of large environments at real time. The key idea is to divide the whole estimation into two concurrent estimation processes. First a state of the art monocular SLAM method (Called Virtual Sensor) is modified as a complex virtual sensor that emulates typical sensors such as laser for range measurement and encoders for dead reckoning. Afterward, a classic SLAM method (called Global SLAM) is plugged in for building and maintaining the final map. Several references, graphics, comparisons, simulations and experiments with real data are presented in order to demonstrate the performance of the methods. Wed, 11 May 2011 13:47:29 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/22677 2011-05-11T13:47:29Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5962 Robust perceptual organization techniques for analysis of color images Moreno Serrano, Rodrigo Esta tesis aborda el desarrollo de nuevas técnicas de análisis robusto de imágenes estrechamente relacionadas con el comportamiento del sistema visual humano. Uno de los pilares de la tesis es la votación tensorial, una técnica robusta que propaga y agrega información codificada en tensores mediante un proceso similar a la convolución. Su robustez y adaptabilidad han sido claves para su uso en esta tesis. Ambas propiedades han sido verificadas en tres nuevas aplicaciones de la votación tensorial: estimación de estructura, detección de bordes y segmentación de imágenes adquiridas mediante estereovisión.<br/><br/>El mayor problema de la votación tensorial es su elevado coste computacional. En esta línea, esta tesis propone dos nuevas implementaciones eficientes de la votación tensorial derivadas de un análisis en profundidad de esta técnica.<br/><br/>A pesar de su capacidad de adaptación, esta tesis muestra que la formulación original de la votación tensorial (a partir de aquí, votación tensorial clásica) no es adecuada para algunas aplicaciones, dado que las hipótesis en las que se basa no se ajustan a todas ellas. Esto ocurre particularmente en el filtrado de imágenes en color. Así, esta tesis muestra que, más que un método, la votación tensorial es una metodología en la que la codificación y el proceso de votación pueden ser adaptados específicamente para cada aplicación, manteniendo el espíritu de la votación tensorial.<br/><br/>En esta línea, esta tesis propone un marco unificado en el que se realiza a la vez el filtrado de imágenes y la detección robusta de bordes. Este marco de trabajo es una extensión de la votación tensorial clásica en la que el color y la probabilidad de encontrar un borde en cada píxel se codifican mediante tensores, y en el que el proceso de votación se basa en un conjunto de criterios perceptuales relacionados con el modo en que el sistema visual humano procesa información. Los avances recientes en la percepción del color han sido esenciales en el diseño de dicho proceso de votación.<br/><br/>Este nuevo enfoque ha sido efectivo, obteniendo excelentes resultados en ambas aplicaciones. En concreto, el nuevo método aplicado al filtrado de imágenes tiene un mejor rendimiento que los métodos del estado del arte para ruido real. Esto lo hace más adecuado para aplicaciones reales, donde los algoritmos de filtrado son imprescindibles. Además, el método aplicado a detección de bordes produce resultados más robustos que las técnicas del estado del arte y tiene un rendimiento competitivo con relación a la completitud, discriminabilidad, precisión y rechazo de falsas alarmas.<br/><br/>Además, esta tesis demuestra que este nuevo marco de trabajo puede combinarse con otras técnicas para resolver el problema de segmentación robusta de imágenes. Los tensores obtenidos mediante el nuevo método se utilizan para clasificar píxeles como probablemente homogéneos o no homogéneos. Ambos tipos de píxeles se segmentan a continuación por medio de una variante de un algoritmo eficiente de segmentación de imágenes basada en grafos. Los experimentos muestran que el algoritmo propuesto obtiene mejores resultados en tres de las cinco métricas de evaluación aplicadas en comparación con las técnicas del estado del arte, con un coste computacional competitivo.<br/><br/>La tesis también propone nuevas técnicas de evaluación en el ámbito del procesamiento de imágenes. En concreto, se proponen dos métricas de filtrado de imágenes con el fin de medir el grado en que un método es capaz de preservar los bordes y evitar la introducción de defectos. Asimismo, se propone una nueva metodología para la evaluación de detectores de bordes que evita posibles sesgos introducidos por el post-procesado. Esta metodología se basa en cinco métricas para estimar completitud, discriminabilidad, precisión, rechazo de falsas alarmas y robustez. Por último, se proponen dos nuevas métricas no paramétricas para estimar el grado de sobre e infrasegmentación producido por los algoritmos de segmentación de imágenes.; This thesis focuses on the development of new robust image analysis techniques more closely related to the way the human visual system behaves. One of the pillars of the thesis is the so called tensor voting technique. This is a robust perceptual organization technique that propagates and aggregates information encoded by means of tensors through a convolution like process. Its robustness and adaptability have been one of the key points for using tensor voting in this thesis. These two properties are verified in the thesis by applying tensor voting to three applications where it had not been applied so far: image structure estimation, edge detection and image segmentation of images acquired through stereo vision.<br/><br/>The most important drawback of tensor voting is that its usual implementations are highly time consuming. In this line, this thesis proposes two new efficient implementations of tensor voting, both derived from an in depth analysis of this technique.<br/><br/>Despite its adaptability, this thesis shows that the original formulation of tensor voting (hereafter, classical tensor voting) is not adequate for some applications, since the hypotheses from which it is based are not suitable for all applications. This is particularly certain for color image denoising. Thus, this thesis shows that, more than a method, tensor voting can be thought of as a methodology in which the encoding and voting process can be tailored for every specific application, while maintaining the tensor voting spirit.<br/><br/>By following this reasoning, this thesis proposes a unified framework for both image denoising and robust edge detection.<br/>This framework is an extension of the classical tensor voting in which both color and edginess the likelihood of finding an edge at every pixel of the image are encoded through tensors, and where the voting process takes into account a set of plausible perceptual criteria related to the way the human visual system processes visual information. Recent advances in the perception of color have been essential for designing such a voting process.<br/><br/>This new approach has been found effective, since it yields excellent results for both applications. In particular, the new method applied to image denoising has a better performance than other state of the art methods for real noise. This makes it more adequate for real applications, in which an image denoiser is indeed required. In addition, the method applied to edge detection yields more robust results than the state of the art techniques and has a competitive performance in recall, discriminability, precision, and false alarm rejection.<br/><br/>Moreover, this thesis shows how the results of this new framework can be combined with other techniques to tackle the problem of robust color image segmentation. The tensors obtained by applying the new framework are utilized to classify pixels into likely homogeneous and likely inhomogeneous. Those pixels are then sequentially segmented through a variation of an efficient graph based image segmentation algorithm. Experiments show that the proposed segmentation algorithm yields better scores in three of the five applied evaluation metrics when compared to the state of the art techniques with a competitive computational cost.<br/><br/>This thesis also proposes new evaluation techniques in the scope of image processing. First, two new metrics are proposed in the field of image denoising: one to measure how an algorithm is able to preserve edges, and the second to measure how a method is able not to introduce undesirable artifacts. Second, a new methodology for assessing edge detectors that avoids possible bias introduced by post processing is proposed. It consists of five new metrics for assessing recall, discriminability, precision, false alarm rejection and robustness. Finally, two new non parametric metrics are proposed for estimating the degree of over and undersegmentation yielded by image segmentation algorithms. Tue, 12 Apr 2011 15:02:12 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5962 2011-04-12T15:02:12Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5961 Exact and non-exact procedures for solving the response time variability problem (RTVP) García Villoria, Alberto Cuando se ha de compartir un recurso entre demandas (de productos, clientes, tareas, etc.) competitivas que requieren una atención regular, es importante programar el derecho al acceso del recurso de alguna forma justa de manera que cada producto, cliente o tarea reciba un acceso al recurso proporcional a su demanda relativa al total de las demandas competitivas. Este tipo de problemas de secuenciación pueden ser generalizados bajo el siguiente esquema. Dados n símbolos, cada uno con demanda di (i = 1,...,n), se ha de generar una secuencia justa o regular donde cada símbolo aparezca di veces. No existe una definición universal de justicia, ya que puede haber varias métricas razonables para medirla según el problema específico considerado. <br/>En el Problema de Variabilidad en el Tiempo de Respuesta, o Response Time Variability Problem (RTVP) en inglés, la injusticia o irregularidad de una secuencia es medida como la suma, para todos los símbolos, de sus variabilidades en las distancias en que las copias de cada símbolo son secuenciados. Así, el objetivo del RTVP es encontrar la secuencia que minimice la variabilidad total. En otras palabras, el objetivo del RTVP es minimizar la variabilidad de los instantes en que los productos, clientes o trabajos reciben el recurso necesario. <br/>Este problema aparece en una amplia variedad de situaciones de la vida real; entre otras, secuenciación en líneas de modelo-mixto bajo just-in-time (JIT), en asignación de recursos en sistemas computacionales multi-hilo como sistemas operativos, servidores de red y aplicaciones mutimedia, en el mantenimiento periódico de maquinaria, en la recolección de basura, en la programación de comerciales en televisión y en el diseño de rutas para agentes comerciales con múltiples visitas a un mismo cliente. En algunos de estos problemas la regularidad no es una propiedad deseable por sí misma, si no que ayuda a minimizar costes. De hecho, cuando los costes son proporcionales al cuadrado de las distancias, el problema de minimizar costes y el RTVP son equivalentes. <br/>El RTVP es muy difícil de resolver (se ha demostrado que es NP-hard). El tamaño de las instancias del RTVP que pueden ser resueltas óptimamente con el mejor método exacto existente en la literatura tiene un límite práctico de 40 unidades. Por otro lado, los métodos no exactos propuestos en la literatura para resolver instancias mayores consisten en heurísticos simples que obtienen soluciones rápidamente, pero cuya calidad puede ser mejorada. Por tanto, los métodos de resolución existentes en la literatura son insuficientes. <br/>El principal objetivo de esta tesis es mejorar la resolución del RTVP. Este objetivo se divide en los dos siguientes subobjetivos : 1) aumentar el tamaño de las instancias del RTVP que puedan ser resueltas de forma óptima en un tiempo de computación práctico, y 2) obtener de forma eficiente soluciones lo más cercanas a las óptimas para instancias mayores. Además, la tesis tiene los dos siguientes objetivos secundarios: a) investigar el uso de metaheurísticos bajo el esquema de los hiper-heurísticos, y b) diseñar un procedimiento sistemático y automático para fijar los valores adecuados a los parámetros de los algoritmos. <br/>Se han desarrollado diversos métodos para alcanzar los objetivos anteriormente descritos. Para la resolución del RTVP se ha diseñado un método exacto basado en la técnica branch and bound y el tamaño de las instancias que pueden resolverse en un tiempo práctico se ha incrementado a 55 unidades. Para instancias mayores, se han diseñado métodos heurísticos, metaheurísticos e hiper-heurísticos, los cuales pueden obtener soluciones óptimas o casi óptimas rápidamente. Además, se ha propuesto un procedimiento sistemático y automático para tunear parámetros que aprovecha las ventajas de dos procedimientos existentes (el algoritmo Nelder & Mead y CALIBRA).; When a resource must be shared between competing demands (of products, clients, jobs, etc.) that require regular attention, it is important to schedule the access right to the resource in some fair manner so that each product, client or job receives a share of the resource that is proportional to its demand relative to the total of the competing demands. These types of sequencing problems can be generalized under the following scheme. Given n symbols, each one with demand di (i = 1,...,n), a fair or regular sequence must be built in which each symbol appears di times. There is not a universal definition of fairness, as several reasonable metrics to measure it can be defined according to the specific considered problem. <br/>In the Response Time Variability Problem (RTVP), the unfairness or the irregularity of a sequence is measured by the sum, for all symbols, of their variabilities in the positions at which the copies of each symbol are sequenced. Thus, the objective of the RTVP is to find the sequence that minimises the total variability. In other words, the RTVP objective is to minimise the variability in the instants at which products, clients or jobs receive the necessary resource. <br/>This problem appears in a broad range of real-world areas. Applications include sequencing of mixed-model assembly lines under just-in-time (JIT), resource allocation in computer multi-threaded systems such as operating systems, network servers and media-based applications, periodic machine maintenance, waste collection, scheduling commercial videotapes for television and designing of salespeople's routes with multiple visits, among others. In some of these problems the regularity is not a property desirable by itself, but it helps to minimise costs. In fact, when the costs are proportional to the square of the distances, the problem of minimising costs and the RTVP are equivalent. <br/>The RTVP is very hard to be solved (it has been demonstrated that it is NP-hard). The size of the RTVP instances that can be solved optimally with the best exact method existing in the literature has a practical limit of 40 units. On the other hand, the non-exact methods proposed in the literature to solve larger instances are simple heuristics that obtains solutions quickly, but the quality of the obtained solutions can be improved. Thus, the solution methods existing in the literature are not enough to solve the RTVP. <br/>The main objective of this thesis is to improve the resolution of the RTVP. This objective is split in the two following sub-objectives: 1) to increase the size of the RTVP instances that can be solved optimally in a practical computing time; and 2) to obtain efficiently near-optimal solutions for larger instances. Moreover, the thesis has the following two secondary objectives: a) to research the use of metaheuristics under the scheme of hyper-heuristics, and b) to design a systematic, hands-off procedure to set the suitable values of the algorithm parameters. <br/>To achieve the aforementioned objectives, several procedures have been developed. To solve the RTVP an exact procedure based on the branch and bound technique has been designed and the size of the instances that can be solved in a practical time has been increased to 55 units. For larger instances, heuristic, heuristic, metaheuristic and hyper-heuristic procedures have been designed, which can obtain optimal or near-optimal solutions quickly. Moreover, a systematic, hands-off fine-tuning method that takes advantage of the two existing ones (Nelder & Mead algorithm and CALIBRA) has been proposed. Tue, 12 Apr 2011 15:02:11 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5961 2011-04-12T15:02:11Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5960 Sliding mode control of the stand alone wound rotor synchronous generator Muñoz Aguilar, Raúl Santiago En esta Tesis ha sido analizado el control de la màquina sincrónica de rotor bobinado actuando en isla. Para esta configuración, la velocidad mecànica determina la frecuencia, y la tensión de rotor se utiliza para fijar la amplitud de la tensión de estator. Debido a que la constante de tiempo eléctrica es mucho más ràpida comparada con la constante de tiempo mecánica, la velocidad mecánica fue considerada constante y externamente regulada y la investigación se enfocó en la regulación de la amplitud de la tensión de estator.<br/><br/>Cuatro diferentes controladores basados en técnicas de modos deslizantes fueron diseñados en el marco de referencia dq. Las leyes de control obtenidas regulan la amplitud de la tensión de estator independientemte del valor de la carga. Adicionalmente, sólo las medidas de tensión y posición del rotor (para calcular la transformada dq) son necesarias. La estabilidad de los puntos de equilibrio obtenidos fueron probados al menos utilizando anàlisis de pequeña señal.<br/><br/>Se realizó la validación por simulación y experimental de cada controlador en diferentes escenarios. Los resultados obtenidos validan los diseños y muestran las principales ventajas y desventajas de el sistema en lazo cerrado.<br/><br/>El capítulo 2 cubre los problemas de modelado de la màquina sincrónica de rotor bobinado. Partiendo de las ecuaciones trifásicas generales, y utilizando la transformada de Park, se encontraron el modelo en dq del generador sincrónico de rotor bobinado (WRSG) en isla, alimentando tanto carga resistiva como inductiva. Los puntos de equilibrio del sistema obtenido fueron analizados y calculados, luego se definió el objetivo de control. Finalmente, se obtuvieron modelos lineales aproximados y sus respectivas funciones de transferencia.<br/><br/>Los controladores PI son los más usados en la industria porque ofrecen buen desempeño y son sencillos de implementar. En el capítulo 3, se obtuvieron las reglas de sintonización para el controlador PI, y se analizaron estos resultados con el objetivo de proponer nuevos controladores que mejoraran el desempeño de la clásica aproximación PI.<br/><br/>El esquema de control en modos deslizantes para la WRSG conectada a una carga resistiva fue diseñado en el capítulo 4. Éste, también incluye un completo análisis de estabilidad del sistema en lazo cerrado. <br/><br/>El capítulo 5 presenta dos diseños basados en modos deslizantes para regular la amplitud de la tensión de estator para el WRSG actuando en isla. Ambos diseños usan la componente d de la tensión de estator en la función de conmutación. El primer caso es un control anidado, donde un lazo externo PI es añadido para proveer la referencia de la componente d de la tensión. En la segunda aproximación un término integral es añadido a la superficie de conmutación.<br/><br/>El caso de alimentar una carga inductiva es estudiado en el capítulo 6. El controlador requiere una extensión dinámica debido a que la amplitud de la tensión de estator es una salida de grado relativo cero. Como resultado, un controlador robusto, que no depende de los parámetros de la máquina ni de los valores de carga es obtenido. <br/><br/>En el capítulo 7 los resultados de simulación y experimentales para los controladores diseñados para el WRSG actuando en isla son presentados. En primer lugar, una descripción completa del banco es presentada. Esta incluye detalles de la etapa de adquisición de datos y de la DSP utilizada. En segundo lugar, se hace la descripción del procedimiento de simulación. Luego, las simulaciones y experimentos, que contienen diferentes escenarios, con cambios de referencia y variaciones de carga para cada controlador son presentados.; The control of the stand-alone the wound rotor synchronous generator has been analyzed in this dissertation. For this islanded configuration, the mechanical speed determines the frequency, and the rotor voltage is used to set the stator voltage amplitude. Due to the electrical time constant is so fast compared with the mechanical time constants, the mechanical speed was considered constant and externally regulated and the research was focused on the stator voltage amplitude regulation.<br/><br/>Four different controllers based on sliding mode control techniques were designed in the dq reference frame. The obtained control laws regulate the stator voltage amplitude irrespectively of the load value. Furthermore, only voltage and rotor position measures (to compute the dq transformation), are required. The stability of the obtained equilibrium points was proved at least using small-signal analysis.<br/> <br/>Simulation and experimental validation of each controller containing several scenarios were carried out. The obtained results validate the designs and show the main advantages and disadvantages of each closed loop system. <br/><br/>Chapter 2 covers the modeling issues of the wound rotor synchronous machine. From the general three-phase dynamical equations, and using the Park transformation, the dq-model of the stand-alone wound rotor synchronous generator feeding both a resistive and an inductive load are obtained. Equilibrium points of the obtained systems are analyzed and, after defining the control objective, the desired equilibrium points are computed.<br/>Finally, linear approximated models are obtained and their transfer functions are also presented.<br/><br/>PI controllers are the most used in the industry because they offers good performance and are easily implementables. In Chapter 3 we obtain the tuning rule for the PI controller, and we analyze these results in order to propose new controllers which improve the classic PI approach.<br/><br/>The sliding mode control scheme for the WRSG connected to a resistive load is designed in Chapter 4. It also includes a complete stability analysis of the closed loop system. <br/><br/>Chapter 5 presents two sliding mode designs to regulate the stator voltage amplitude for a stand-alone wound rotor synchronous generator. Both use the stator voltage d-component error in the switching function. The first case is a nested controller, where an outer PI loop is added to provide the proper d-voltage component reference. In the second approach an integral term is added to the switching function. <br/><br/>The case of feeding an inductive load is studied in Chapter 6. The controller introduces a dynamic extension because the stator voltage amplitude is a zero relative degree output. As result, a robust controller, which neither depends on the machine parameters nor on the load values, is obtained. <br/><br/>In Chapter 7 the simulation and the experimental results of the designed controllers for the stand-alone wound rotor synchronous generator are presented. Firstly, a complete description of the bench is provided. It also includes details of the data acquisition stage and the used DSP card. Secondly, the description of the simulation procedure is commented. Then, the simulation and experiments which contains several scenarios, with reference change and load variations evaluated for each controller are presented. Tue, 12 Apr 2011 15:02:11 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5960 2011-04-12T15:02:11Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5959 Control structures and optimal sensor/actuator allocation: application in active noise control Cugueró Escofet, Miguel Àngel Aquesta tesi presenta treball original i aplicat en l'àrea del control i la col·locació de sensors/actuadors (S/A) en sistemes de Control Actiu de Soroll (ANC). Primer, s'han aplicat tècniques de control i identificació robustes per a aconseguir ANC. La fase d'identificació està basada en una proposta d'identificació robusta orientada al control, considerant descripcions del sistema tant paramètriques com no-paramètriques, així com quantificant la incertesa. El disseny del controlador compara les estructures de control feedback (FB), feedforward (FF) i híbrida (FB/FF). El controlador feedback és sintetitzat i avaluat en el marc del control robust, i s'ha dissenyat utilitzant control òptim H&#8734; plantejat com un problema de sensibilitats mixtes. El controlador FF és un identificador adaptatiu, basat en l'algorisme &#963; robustament normalitzat. S'han desenvolupat dues propostes per a decidir quina de les estructures de control és més eficient, aplicades a un conducte de 4 metres amb soroll de banda ampla. A més a més, s'han mostrat de manera explícita els compromisos entre identificació i control, les limitacions inherents a un llaç de control feedback, així com qüestions relatives a la implementació de sistemes ANC. També s'han tractat altres qüestions com la relació entre acompliment, ordre del controlador, models paramètrics/no-paramètrics i implementació en processadors digitals de senyal (DSP), així com s'han comparat resultats teòrics i experimentals en el conducte. Les llacunes que encara resten entre teoria i pràctica en aquest tipus d'aplicacions també s'han resumit. D'altra banda, en aquest treball també es tracta el problema de com quantificar la col·locació de sensors i actuadors, amb la finalitat de controlar un sistema físic determinat. La mesura per a determinar la millor localització de S/A es basa en un criteri de llaç tancat orientat al control, el qual optimitza tant acompliment com qüestions pràctiques d'implementació. Aquesta mesura hauria de calcular-se abans del disseny, implementació i prova del controlador. La utilització d'aquesta mesura minimitza la prova combinatòria de controladors en totes les possibles combinacions de S/A. Per a aconseguir-ho, s'han definit diferents mesures que pesen l'acompliment potencial en llaç tancat, la robustesa, el número de condició de la planta (guanys relatius entrada/sortida (I/O)) així com altres qüestions d'implementació, com l'ordre del controlador. Aquestes poden calcular-se utilitzant software estàndard, tant per a models d'una-entrada-una-sortida (SISO) com per a models de múltiples-entrades-múltiples-sortides (MIMO) i poden aplicar-se a múltiples problemes d'enginyeria, ja siguin mecànics, acústics, aeroespacials, etc. En aquest treball, aquests resultats també s'han il·lustrat amb l'aplicació ANC presentada i validat amb dades experimentals. Com a resultat d'aplicar aquestes mesures, s'obté la localització de S/A que aconsegueix la millor atenuació del soroll en llaç tancat amb el menor ordre possible del controlador.; Esta tesis presenta trabajo original y aplicado en el área del control y la colocación de sensores/actuadores (S/A) en sistemas de Control Activo de Ruido (ANC). Primero, se han aplicado técnicas de control e identificación robustas para conseguir ANC. La fase de identificación está basada en una propuesta de identificación robusta orientada al control, considerando descripciones del sistema tanto paramétricas como no-paramétricas, así como cuantificando la incertidumbre. El diseño del controlador compara las estructuras de control feedback (FB), feedforward (FF) e híbrida (FB/FF). El controlador feedback es sintetizado y evaluado en el marco del control robusto, y se ha diseñado utilizando control óptimo H&#8734; planteado como un problema de sensibilidades mixtas. El controlador FF es un identificador adaptativo, basado en el algoritmo &#963; robustamente normalizado. Se han desarrollado dos propuestas para decidir cual de las estructuras de control es más eficiente, aplicadas a un conducto de 4 metros con ruido de banda ancha. Además, se han mostrado de manera explícita los compromisos entre identificación y control, las limitaciones inherentes a un lazo feedback, así como cuestiones relativas a la implementación de sistemas ANC. También se han tratado otras cuestiones como la relación entre desempeño, orden del controlador, modelos paramétricos/no-paramétricos e implementación en procesadores digitales de señal (DSP), así como se han comparado resultados teóricos y experimentales en el conducto. Las lagunas que aún quedan entre teoría y práctica en este tipo de aplicaciones también se han resumido. Por otra parte, en este trabajo se trata también el problema de como cuantificar la colocación de sensores y actuadores, con la finalidad de controlar un sistema físico determinado. La medida para determinar la mejor localización de S/A se basa en un criterio de lazo cerrado orientado al control, el cual optimiza tanto desempeño como cuestiones prácticas de implementación. Esta medida debería calcularse antes del diseño, implementación y prueba del controlador. La utilización de esta medida minimiza la prueba combinatoria de controladores en todas las posibles combinaciones de S/A. Para conseguirlo, se han definido distintas medidas que pesan el desempeño potencial en lazo cerrado, la robustez, el número de condición de la planta (ganancias relativas entrada/salida (I/O)) y otras cuestiones de implementación, como el orden del controlador. Éstas pueden calcularse utilizando software estándar, tanto para modelos de una-entrada-una-salida (SISO) como para modelos de múltiples-entradas-múltiples-salidas (MIMO) y pueden aplicarse a múltiples problemas ingenieriles, ya sean mecánicos, acústicos, aeroespaciales, etc. En este trabajo, estos resultados también son ilustrados con la aplicación ANC presentada y validados con datos experimentales. Como resultado de aplicar estas medidas, se obtiene la localización de S/A que consigue la mejor atenuación de ruido en lazo cerrado con el menor orden posible del controlador.; This thesis presents novel and applied work in the area of control and sensor/actuator (S/A) allocation in Active Noise Control (ANC) systems. First, robust identification and control techniques to perform ANC have been applied. The identification phase is based on a control-oriented robust identification approach that considers both parametric and nonparametric descriptions of the system, and quantifies the uncertainty. The controller design compares the feedback (FB), feedforward (FF) and hybrid (FB/FF) control structures. The feedback control is synthesized and evaluated in the robust control framework, and it is designed using H&#8734; optimal control as a mixed-sensitivity problem. The FF controller is an adaptive identifier, based on the robustly normalized &#963;-algorithm. Two approaches are developed to decide which control structure is more efficient on a 4-m duct example with broadband noise. In addition, the compromises between identification and control, the inherent limitations of feedback and implementation issues in ANC are explicitly pointed out. Relations between performance, controller order, parametric/nonparametric models and digital signal processor (DSP) implementation are discussed. Theoretical and experimental results on the duct are compared. The gaps that still remain between theory and practice in this type of applications, are also outlined. Furthermore, this work considers the problem of quantifying the location of sensors and actuators in order to control a certain physical system. The measure to determine the best S/A location is based on a closed loop control-oriented criteria, which optimizes overall performance and practical implementation issues. In addition, it should be computed before the actual controller is designed, implemented and tested. The use of this measure minimizes the combinatorial controller testing over all possible S/A combinations. To this end, several measures have been defined which weight the potential closed-loop performance, robustness, plant condition number (input/output (I/O) relative gains) and implementation issues, such as the controller order. These may be computed with standard software, either for Single Input Single Output (SISO) models or Multiple Input Multiple Output (MIMO) models, and may be applied to many engineering problems: mechanics, acoustics, aerospace, etc. Here, these results are also illustrated with the prior ANC example and validated against experimental data. The outcome of applying these measures is the selection of the S/A location which achieves the best closed loop noise attenuation with the lowest possible controller order. Tue, 12 Apr 2011 15:02:10 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5959 2011-04-12T15:02:10Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5958 Control and design of pem fuel cell-based systems Feroldi, Diego Hernán Las pilas de combustible son muy ventajosas debido a su alta eficiencia en la conversión de energía y nula contaminación. En esta tesis se realiza un extenso estudio sobre el control y diseño de sistemas de generación eléctrica basados en pilas de combustible. El núcleo principal de la misma son los sistemas híbridos con pilas de combustible y supercapacitores como elementos almacenadores de energía, orientado a aplicaciones automotrices. La determinación del Grado de Hibridización (i.e. la determinación del tamaño de la pila de combustible y del número de supercapacitores) se realiza mediante una metodología propuesta con el objetivo de satisfacer requisitos de conductibilidad y consumiendo la menor cantidad de hidrógeno posible.<br/><br/>El proceso de diseño comienza con la determinación de la estructura eléctrica de generación del vehículo y utiliza un modelo detallado realizado en ADVISOR, una herramienta para modelado y estudio de sistemas híbridos. Se analiza el flujo de energía a través de los componentes del vehículo cuando el vehículo sigue diferentes ciclos de conducción estándares, mostrando las pérdidas en cada componente que degradan la eficiencia del sistema y limitan la recuperación de energía de frenado. Con respecto a la recuperación de energía, se ha definido y analizado un parámetro que cuantifica la cantidad de energía que realmente es reaprovechada: el ratio frenado/hidrógeno.<br/><br/>Para controlar el flujo de energía entre la pila de combustible, los almacenadores de energía y la carga eléctrica, se proponen tres Estrategias de Gestión de Energía (EMS) para Vehículos Híbridos con Pila de Combustible (FCHVs) basadas en el mapa de eficiencia de la pila y se validan mediante un montaje experimental desarrollado para emular el sistema híbrido. Los resultados de consumo de hidrógeno son comparados con dos referencias: el consumo correspondiente al caso del vehículo sin hibridización y el caso óptimo con el menor consumo para el vehículo propuesto. El consumo óptimo se calcula mediante una metodología propuesta que, a diferencia de otras, evita la discretización de las variables de estado.<br/><br/>Para operar el sistema eficientemente, la pila de combustible es controlada mediante una metodología de control, basada en Control de Matriz Dinámica (DMC). Esta metodología de control utiliza como variables de control el voltaje de compresor y una nueva variable propuesta: la apertura de una válvula proporcional ubicada a la salida del cátodo. Los objetivos de control son controlar el exceso de oxígeno en el cátodo y el voltaje generado por la pila. Se analiza tanto en régimen estacionario como transitorio las ventajas de emplear esta nueva variable de control y se muestran resultados de funcionamiento por simulación del controlador ante perturbaciones en la corriente de carga.<br/><br/>Por otro lado, se aborda el diagnóstico y el control tolerante a fallos del sistema basado en pila de combustible proponiendo una metodología de diagnóstico basada en las sensibilidades relativas de los fallos y se muestra que la estructura de control con las dos variables propuestas tiene buena capacidad de rechazo a fallos en el compresor cuando se controla el exceso de oxígeno en el cátodo.; The use of fuel cell systems based on hydrogen is advantageous because of their high efficiency in the energy conversion and null emissions. In this thesis, an extensive study about the control and design of electrical generation systems based on fuel cells is performed. The main focus is in hybrid systems composed of fuel cells and supercapacitors as energy storage elements, oriented to automotive applications. The determination of the hybridization degree (i.e. the determination of the fuel cell size and the number of supercapacitors) is performed through a proposed methodology with the objective to fulfil the conductibility requirements and to consume the lowest amount of hydrogen.<br/><br/>The process of design starts with the determination of the electrical structure and utilizes a detail model developed using ADVISOR, a MATLAB toolbox for modelling and studying hybrid vehicles. The energy flow between the vehicle components is analyzed when the vehicle is tested with different Standard Driving Cycles, showing how the losses in each component degrade the efficiency of the system and limit the energy recovery from braking.<br/><br/>With regard to the energy recovery, a parameter to quantify the amount of energy that is actually reused is defined and analyzed: the braking/hydrogen ratio.<br/>To control the energy flow between the fuel cell, the energy storage system, and the electrical load in Fuel Cell Hybrid Vehicles (FCHVs), three Energy Management Strategies (EMSs) based on the fuel cell efficiency map are presented and validated through an experimental setup, which is developed to emulate the FCHV. The resulting hydrogen consumptions are compared with two references: the consumption of the pure fuel cell case, a vehicle without hybridization, and the optimal case with the minimum consumption. The optimal consumption for a given vehicle is determined through a methodology proposed that, unlike other previous methodologies, avoids the discretization of the state variables.<br/><br/>To operate the fuel cell system efficiently, the system is controlled through a proposed control technique, which is based on Dynamic Matrix Control (DMC). This control technique utilizes the compressor voltage as control variable and also a new proposed variable: the opening area of a proportional valve at the cathode outlet. The control objectives are the control of the oxygen excess ratio at the cathode and the fuel cell voltage. The advantages of this new control variable are analyzed both in steady state and transient state. Simulation results show and adequate performance of the controller when a series of step changes in the load current is applied.<br/><br/>On the other hand, the diagnosis and fault-tolerant control of the fuel cell-based system is approached. A diagnosis methodology based on the relative fault sensitivity is proposed. The performance of the methodology to detect and isolate a set of proposed failures is analyzed and simulation results in an environment developed to include the set of faults are given. The fault-tolerant control is approached showing that the proposed control structure with two control variables has good capability against faults in the compressor when the oxygen excess ratio in the cathode is controlled. Tue, 12 Apr 2011 15:02:10 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5958 2011-04-12T15:02:10Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5957 Design and Control of an Electric Energy Conditioning System for a PEM Type Fuel Cell Malo Barragán, Shane Leonardo Isolated electric energy generation systems are often needed to supply electric loads where the electrical network is not available. This could be caused due to geographic isolation, the necessity of load mobility, demanded values of voltage and current that are not compatible with the local networks, etc. This makes the design and construction of stand-alone energy generation systems a must.<br/><br/>Modern designs are being pushed towards cleaner technologies. The experience has shown that the usual methods employed to produce electrical energy are not sustainable, especially because of environmental concerns. Usual stand-alone energy generation systems employ batteries and fuel engines. Batteries offer a cheap mean to feed the generation system but need rigorous maintenance routines, the substances used in their construction are strong pollutants, offer relatively low durability and the ratio charge time/discharge time is too high. Fuel engines extract their energy from petroleum based fuels, and as its well known, pollute their surrounding environment in several ways producing smoke, noise and heat.<br/><br/>Polymer electrolyte membrane type fuel cells are among the new technologies that are being considered as a good alternative to the traditional power sources used for stand-alone energy generation systems.<br/>AIthough the basic principles of operation of the fuel cells are known since 1839, this is a technology that is far from being mature. More work needs to be done in order to make of the fuel cells systems with, high reliability, with maximum efficiency, and capable of providing electrical energy with quality comparable to the quality achieved using usual methods.<br/><br/>The problems when working with fuel cells can be split in two big groups of interest, the first, being the handling and control of the electrochemical variables, and the second, the handling and control of the electrical variables taking care of the limits imposed by the dynamics of the fuel cell unit. This work deals with the second group of concerns, looking at the fuel cell as a black-box dc power supply with certain current/voltage characteristics. The energy provided by the fuel cells needs to be conditioned to the levels and characteristics required by the loads to be fed. In Europe, for single-phase ac loads, the specifications are a sinusoidal output voltage with 230 V ac rms and a frequency of 50 Hz. This work presents the the analysis, design, construction, and control of the electric energy conditioning system for a polymer eIectrolyte membrane type fuel cell to act as an stand-alone dc-ac inverter to feed linear or nonlinear loads with big variations.; Los sistemas de generación de energía eléctrica "en isla" son necesarios en muchas ocasiones para alimentar cargas donde la red eléctrica no está disponible. Esto puede deberse a diversos factores como: aislamiento geográfico, necesidad de movilidad de la carga, requerimientos de corriente y voltaje que no son compatibles con las redes locales, etc. Todas estas razones hacen del diseño y construcción de sistemas autónomos de generación de energía una necesidad.<br/>En la actualidad, los diseños de este tipo de dispositivos están tendiendo hacia tecnologías más limpias.<br/>La experiencia ha enseñado que los métodos habituales para producir energía eléctrica no son los más apropiados, especialmente por motivos medioambientales. Los sistemas autónomos de generación de energía eléctrica típicos utilizan baterías y máquinas de combustión. Las baterías ofrecen una fuente barata para alimentar el sistema de generación de energía eléctrica, pero necesitan de rigurosas rutinas de mantenimiento, algunas de las sustancias utilizadas en su construcción son altamente contaminantes, ofrecen una relativamente baja durabilidad y la razón tiempo de carga/tiempo de descarga es grande.<br/>Por otro lado, las máquinas de combustión extraen la energía de combustibles a base de petróleo, como es bien conocido, contaminan el entorno produciendo humo, ruido y calor.<br/>Las pilas de combustible de membrana de electrolito polimérico están entre las nuevas tecnologías que se consideran como una buena alternativa a las fuentes que se utilizan usualmente para alimenta sistemas autónomos de generación de energía. Aunque los principios básicos de operación de las pilas de combustible son conocidos desde 1839, esta es una tecnología que está aún lejos de pode considerarse madura. Aún es necesario realizar más esfuerzos con el objetivo de hacer de las pilas de combustible fuentes de energía de alta confiabilidad, de máxima eficiencia y capaces de proveer energía con niveles de calidad comparables a los alcanzados al utilizar los métodos tradicionales.<br/>La problemática que se presenta al trabajar con pilas de combustible puede ser dividida en dos grandes grupos de interés, el primero, sería el control de las variables electroquímicas, y el segundo, el manejo control de las variables eléctricas tomando en cuenta los límites impuestos por la dinámica de la pila de combustible. Éste trabajo trata con el segundo, viendo la pila de combustible como una "caja negra" que constituye una fuente de potencia de corriente continua con ciertas características particulares de voltaje/corriente. La energía provista por la pila de combustible debe ser acondicionada a los niveles características requeridas por las cargas a ser alimentadas. En Europa, para sistemas de monofásico de corriente alterna, las especificaciones son un voltaje sinusoidal con 230 V efectivos y una frecuencia de 50 Hz. Éste trabajo presenta el análisis, diseño, construcción y control del sistema de acondicionamiento de energía eléctrica para una pila de combustible de membrana de electrolito polimérico, que actúa como un sistema autónomo de inversión de corriente continua-corriente alterna para alimentar cargas lineales o no lineales que pueden experimentar grandes variaciones. Tue, 12 Apr 2011 15:02:09 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5957 2011-04-12T15:02:09Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5956 Decentralized control techniques applied to electric power distributed generation in microgrids Vásquez Quintero, Juan Carlos Distributed generation of electric energy has become part of the current electric power system. In this context a new scenario is arising in which small energy sources make up a new supply system: The microgrid.<br/><br/>The most recent research projects show the technical difficulty of controlling the operation of microgrids, because they are complex systems in which several subsystems interact: energy sources, power electronic converters, energy storage systems, local, linear and non-linear loads and of course, the main grid. In next years, the electric grid will evolve from the current very centralized model toward a more distributed one. At the present time the generation, consumption and storage points are very far away one from each other. Under these circumstances, relatively frequent failures of the electric supply and important losses take place in the transport and distribution of energy, so that it can be stated that the efficiency of the supply system is low.<br/><br/>In another context, electric companies are aiming at an electric grid, formed in a certain proportion by distributed generators, where the consumption points are near the generation points, avoiding high losses in the transmission lines and reducing the rate of shortcomings. Summing up, it is pursued the generation of small quantities of electric power by the users (this concept is called microgeneration in the origin), considering them not only as electric power consumers but also as responsible for the generation, becoming this way an integral part of the grid.<br/><br/>In this context it is necessary to develop a new concept of flexible grid, i.e., with reconfiguration capability for operation with or without connection to the mains. The future microgrids should incorporate supervision and control systems that allow the efficient management of various kinds of energy generators, such as photovoltaic panels, energy storage systems, and local loads. Hence, we are dealing with intelligent flexible Microgrids capable of import and export power from/to the grid reconfiguring its operation modes and making decisions in real time.<br/><br/>The researching lineas that have been introduced in this thesis are focused on the innovation in this kind of systems, the integration of several renewable energy sources, the quality of the power supply, security issues, and the system behavior during faults.<br/>In order to carry out some solutions related within these characteristics, the main goal of this thesis is the application on new control stretegies and a power management analysis of a microgrid. Thus, thanks to the emerging of renewable energy, is possible to give an alternative to the decoupling of generation units connected to the utility grid.<br/><br/>Likewise, a work methodology has been analyzed and developed based on the modeling, control parameters design, and power management control starting from a single voltage source inverter to a number of interconnected DG units forming flexible Microgrids. In addition, all the mencioned topics have been studied giving new system performances, viability and safe functioning, thanks to the small-signal analysis and introducing control loop design algorithms, improving the import/export of electric power and operating both grid connected mode and an island.<br/><br/>This thesis has presented an analysis, simulation and experimental results focusing on modeling, control, and analysis of DG units, giving contributions according to the following steps:<br/><br/>- Control-oriented modeling based on active and reactive power analysis<br/>- Control synthesis based on enhanced droop control technique.<br/>- Small-signal stability study to give guidelines for properly adjusting the control system parameters according to the desired dynamic response<br/><br/>This methodology has been extended to microgrids by using hierarchical control applied to droop-controlled line interactive UPSs showing that:<br/><br/>- Droop-controlled inverters can be used in islanded microgrids.<br/>- By using multilevel control systems the microgrid can operate in both grid-connected and islanded mode, in a concept called flexible microgrid.<br/><br/>The proposed hierarchical control required for flexible Microgrids consisted of different control levels, as following:<br/><br/>- Primary control is based on the droop method allowing the connection of different AC sources without any intercommunication.<br/>- Secondary control avoids the voltage and frequency deviation produced by the primary control. Only low bandwidth communications are needed to perform this control level. A synchronization loop can be added in this level to transfer from islanding to grid connected modes.<br/>- Tertiary control allows the import/export of active and reactive power to the grid. Tue, 12 Apr 2011 15:02:09 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5956 2011-04-12T15:02:09Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5955 Contribución a la identificación de sistemas dinámicos mediate métodos conexionistas Griñó Cubero, Roberto El presente trabajo de tesis doctoral propone una clase de modelos, con estructura de red neuronal con dinámica aditiva evolucionando en tiempo continuo, para la identificación de sistemas dinámicos.<br/><br/>Para la clase de modelos propuesta se efectúa, utilizando herramientas del dominio frecuencial, un estudio de estabilidad absoluta obteniéndose una serie de condiciones suficientes para esta en función de los parámetros del modelo.<br/><br/>Asimismo, se desarrollan dos métodos de adaptación de parámetros para llevar a cabo la identificación en línea:<br/><br/>uno basado en técnicas de gradiente y análisis de sensibilidad, y el otro en técnicas de control óptimo e inmersión invariante.<br/><br/>La generación de los modelos y los algoritmos de adaptación se efectúa automáticamente mediante el uso de técnicas de cálculo simbólico, lo cual permite iterar de forma rápida en el proceso de identificación. Tanto los modelos como los algoritmos de adaptación de parámetros han sido probados frente a plantas dotadas de funciones no lineales estándar y frente a un conjunto de datos reales. Asimismo, se han evaluado sus prestaciones en comparación a la identificación de estos mismos casos mediante modelos neuronales estáticos, que constituyen, actualmente, una técnica tan establecida que permite su uso como marco de referencia.<br/><br/>El trabajo de tesis se ha realizado bajo una óptica unificadora entre la teoría de control y la teoría de redes neuronales. Se ha puesto especial énfasis en tratar con herramientas y visión de la teoría de control las redes neuronales que se usan, desde el punto de vista de control, para identificar un sistema y, desde el punto de vista de la neurociencia, para aprender un determinado comportamiento. En particular, la clase de modelos de identificación se formula de forma compacta usando productos de Kronecker, técnica habitual en teoría de sistemas y el estudio de estabilidad de los modelos. Tue, 12 Apr 2011 15:02:08 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5955 2011-04-12T15:02:08Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5954 Caracterización de potenciales anormales intra-QRS en el ECG de alta resolución: aplicación en la evaluación de cardiopatías Gomis Román, Pedro L'electrocardiograma (ECG) és el registre no invasiu més utilitzat per a estudiar l'activitat elèctrica del cor. L'anàlisi d'aquests senyals per computador ha estat un camp d'investigació recent de la Bioenginyeria, amb la finalitat d'ajudar en l'estudi i diagnòstic de cardiopaties. L'ECG d'alta resolució (ECGAR) és el producte de tècniques, basades en computador, que milloren la relació senyal-soroll dels senyals provinents del cor, i és utilitzat per a registrar potencials de molt baixa amplitud i alts continguts freqüencials. La principal aplicació del ECGAR està associada amb la detecció de potencials tardans ventriculars (LP) que sobrepassen el període normal del QRS. La presència de LP en el ECGAR ha estat relacionada amb substrats de re-entrada en teixits danyats del miocardi, causants de taquicàrdia ventricular.<br/><br/>En aquesta tesi s'han desenvolupat nous indicadors de despolaritzacions ventriculars anormals que ocorren al llarg del complex QRS del ECGAR. S'ha presentat el concepte de potencials anormals intra-QRS (AIQP), estenent el concepte de senyals patofisiològiques, com els LP, sobre el període normal del QRS. Les principals aportacions realitzades en aquest treball es troben en el processat de senyals ECGAR mitjançant tècniques de modelatge i identificació de sistemes, la caracterització dels AIQP, i les seves aplicacions en l'avaluació de cardiopatíes.<br/><br/>En el primer capítol es presenta el problema abordat i els objectius de la tesi, així com una descripció dels principis fisiològics i característiques del ECG.<br/><br/>En el segon capítol es fa una revisió dels antecedents del ECGAR. Es presenta l'estat de l'art d'aquesta tècnica quant a mètodes d'obtenció clàssics i tendències actuals, i en l'anàlisi de potencials tardans en els dominis temporal i freqüencial, i mitjançant representacions temps-freqüència.<br/><br/>En el tercer capítol es desenvolupa un mètode per a caracteritzar potencials anormals intra- QRS, mitjançant tècniques de modelatge del ECGAR, amb estructures paramètriques lineals, utilitzant el domini de la transformada discreta del cosinus (DCT). Es presenta el concepte dels AIQP i s'estudien les seves bases patofisiològiques, justificant el seu ús en aplicacions clíniques. L'habilitat de la tècnica va ser demostrada en un estudi simulat i en senyals reals de pacients.<br/><br/>En el capítol quart es presenta un enfocament nou per a modelar senyals ECGAR amb estructures paramètriques no lineals. Aquestes tècniques són aplicades en la caracterització dels AIQP. El mètode utilitzat està basat en tècniques d'identificació de sistemes no lineals per a modelar la part normal del QRS. Es va emprar una estructura auto-regressiva amb entrada exògena no lineal (NARX), parametritzada amb una xarxa neuronal tipus perceptrón multicapa. El modelatge no lineal va permetre caracteritzar els AIQP en senyals reals de pacients sense el pre-processat del ECGAR en el domini de la DCT. <br/>En el capítol cinquè s'analitzen tècniques de classificació de grups de pacients, emprant funcions discriminants trobades amb mètodes d'optimització no lineal. Aquestes tècniques permeten proposar valors crítics AQIP per a separar els grups de senyals ECGAR d'estudi, amb la finalitat d'optimitzar l'exactitud en la predicció clínica.<br/><br/>En el sisè capítol s'apliquen les tècniques de caracterització dels AIQP en l'avaluació de pacients amb taquicàrdia ventricular (TV), posterior a un infart de miocardi (IM). Els resultats obtinguts amb els nous índexs AIQP representen un aporti significatiu per a detectar potencials provenint de substrats de re-entrada. En un estudi sobre una població de 173 pacients post IM, amb una prevalença típica de TV, els índexs AIQP han aportat un increment de l'exactitud (90 %) i del valor predictiu positiu (47 %) del ECGAR.<br/><br/>En el setè capítol es presenten dues aplicacions clíniques. En primer lloc, es realitza una avaluació de potencials anormals amidats en el ECGAR de pacients en diferents etapes de miocarditis chagásica. Els resultats obtinguts amb els índexs AIQP demostren diferències altament significatives entre diferents grups de pacients, classificats d'acord a l'avanç de la malaltia. Es presenta un segon estudi on s'avaluen esdeveniments isquémics transitoris durant angioplàstia coronària transluminal percutània (PTCA). Els resultats mostren canvis dinàmics en els ECGAR, obtinguts de seqüències de batecs consecutius, a l'utilitzar els índexs AIQP.<br/> <br/>L'aplicació dels mètodes desenvolupats en aquesta tesi, per al processat del ECGAR, ha permès la caracterització i quantificació de senyals provinents de despolaritzacions ventriculars anormals. L'aplicació clínica d'aquests mètodes ha produït un aporti significatiu en l'avaluació no invasiva amb el ECGAR de diferents cardiopaties.; El electrocardiograma (ECG) es el registro no invasivo más utilizado para estudiar la actividad eléctrica del corazón. El análisis de estas señales por computador ha sido un campo de investigación reciente de la Bioingeniería, con la finalidad de ayudar en el estudio y diagnóstico de cardiopatías. El ECG de alta resolución (ECGAR) es el producto de técnicas, basadas en computador, que mejoran la relación señal-ruido de las señales provenientes del corazón, y es utilizado para registrar potenciales de muy baja amplitud y altos contenidos frecuenciales. La principal aplicación del ECGAR está asociada con la detección de potenciales tardíos ventriculares (LP) que sobrepasan el periodo normal del QRS. La presencia de LP en el ECGAR ha estado relacionada con substratos de reentrada en tejidos dañados del miocardio, causantes de taquicardia ventricular.<br/><br/>En esta tesis se han desarrollado nuevos indicadores de despolarizaciones ventriculares anormales que ocurren a lo largo del complejo QRS del ECGAR. Se ha presentado el concepto de potenciales anormales intra-QRS (AIQP), extendiendo el concepto de señales patofisiológicas, como los LP, sobre el periodo normal del QRS. Las principales aportaciones realizadas en este trabajo se encuentran en el procesado de señales ECGAR mediante técnicas de modelado e identificación de sistemas, la caracterización de los AIQP, y sus aplicaciones en la evaluación de cardiopatías.<br/><br/>En el primer capítulo se presenta el problema abordado y los objetivos de la tesis, así como una descripción de los principios fisiológicos y características del ECG.<br/><br/>En el segundo capítulo se hace una revisión de los antecedentes del ECGAR. Se presenta el estado del arte de esta técnica en cuanto a métodos de obtención clásicos y tendencias actuales, y en el análisis de potenciales tardíos en los dominios temporal y frecuencial, y mediante representaciones tiempo-frecuencia. <br/><br/>En el tercer capítulo se desarrolla un método para caracterizar potenciales anormales intra QRS, mediante técnicas de modelado del ECGAR, con estructuras paramétricas lineales, utilizando el dominio de la transformada discreta del coseno (DCT). Se presenta el concepto de los AIQP y se estudian sus bases patofisiológicas, justificando su uso en aplicaciones clínicas. La habilidad de la técnica fue demostrada en un estudio simulado y en señales reales de pacientes.<br/><br/>En el capítulo cuarto se presenta un enfoque novedoso para modelar señales ECGAR con estructuras paramétricas no lineales. Estas técnicas son aplicadas en la caracterización de los AIQP. El método utilizado está basado en técnicas de identificación de sistemas no lineales para modelar la parte normal del QRS. Se empleó una estructura auto-regresiva con entrada exógena no lineal (NARX), parametrizada con una red neuronal tipo perceptrón multicapa. El modelado no lineal permitió caracterizar los AIQP en señales reales de pacientes sin el pre-procesado del ECGAR en el dominio de la DCT.<br/> <br/>En el capítulo quinto se analizan técnicas de clasificación de grupos de pacientes, empleando funciones discriminantes halladas con métodos de optimización no lineal. Estas técnicas permiten proponer valores críticos AQIP para separar los grupos de señales ECGAR de estudio, con el fin de optimizar la exactitud en la predicción clínica.<br/><br/>En el sexto capítulo se aplican las técnicas de caracterización de los AIQP en la evaluación de pacientes con taquicardia ventricular (TV), posterior a un infarto de miocardio (IM). Los resultados obtenidos con los nuevos índices AIQP representan un aporte significativo para detectar potenciales provenientes de substratos de reentrada. En un estudio sobre una población de 173 pacientes post IM, con una prevalencia típica de TV, los índices AIQP han aportado un incremento de la exactitud (90 %) y del valor predictivo positivo (47 %) del ECGAR.<br/><br/>En el séptimo capítulo se presentan dos aplicaciones clínicas. En primer lugar, se realiza una evaluación de potenciales anormales medidos en el ECGAR de pacientes en distintas etapas de miocarditis chagásica. Los resultados obtenidos con los índices AIQP demuestran diferencias altamente significativas entre distintos grupos de pacientes, clasificados de acuerdo al avance de la enfermedad. Se presenta un segundo estudio donde se evalúan eventos isquémicos transitorios durante angioplastia coronaria transluminar percutánea (PTCA). Los resultados muestran cambios dinámicos en los ECGAR, obtenidos de secuencias de latidos consecutivos, al utilizar los índices AIQP.<br/> <br/>La aplicación de los métodos desarrollados en esta tesis, para el procesado del ECGAR, ha permitido la caracterización y cuantificación de señales provenientes de despolarizaciones ventriculares anormales. La aplicación clínica de estos métodos ha producido un aporte significativo en la evaluación no invasiva con el ECGAR de diferentes cardiopatías.; The electrocardiogram (ECG) is the most widely non-invasive record used for studying the electrical activity of the heart. The computer analysis of these signals has been a recent and important field of research of Bioengineering in order to help in the study and diagnosis of cardiopathies. The high resolution ECG (HRECG) is the result of computer based techniques which improve the signal-to-noise ratio of electrical signals coming from the heart, and it is used to characterize low-amplitude and high-frequency potentials. The main HRECG application is used in ventricular late potentials (LP) detection that that outlast the period of normal ventricular depolarization (QRS). The presence of LP in the HRECG has been linked with the presence of a reentry substrate for ventricular tachycardia (VT) after a myocardial infarction.<br/><br/>In this thesis new indexes of abnormal ventricular depolarization occurring within the QRS period of the HRECG have been developed. The concept of abnormal intra-QRS potentials (AIQP) has been presented, extending the concept of pathophysiological late signals, as LP, over the whole QRS period. The main contributions done in this work are related with: HRECG signal processing using modelling and identification systems techniques; AIQP characterization; and its application on the assessment of cardiopathies.<br/><br/>In the first chapter the treated problem is presented and the objectives of the thesis, as well as a description of the physiological principles and characteristics of the ECG.<br/><br/>The second chapter shows a revision of the antecedents of the HRECG. The state-of-the-art of this technique is presented as classic and actual tendencies of the methods, the analysis of late potentials in temporal and frequency domains, and by means of time-frequency representations.<br/><br/>In the third chapter a method is developed to characterize abnormal intra-QRS potentials, by means of ECGAR modelling techniques, with parametric linear structures, using the discrete cosine transform (DCT) domain. The concept of the AIQPs is presented and their pathophysiological bases are analyzed, justifying their use in clinical applications. The ability of the technique was demonstrated in a simulated study and real signals of patients. In chapter four a novel approach is presented to model ECGAR signals with nonlinear parametric structures. These techniques are applied in the characterization of AIQP. The used method is based on techniques of nonlinear systems identification to model the normal part of the QRS. An auto-regressive nonlinear structure with exogenous input (NARX) was used, parameterized by a multilayer feed-forward neural network (multilayer perceptron). The nonlinear modelling allowed to characterize AIQPs in real signals of patients without the pre-processing the HRECG in the DCT domain.<br/><br/>Chapter five presents analyzing techniques for patient groups, using found discriminant functions with nonlinear optimization methods. These techniques allow proposing critical AQIP values to separate the study HRECG signal groups, with the purpose of optimizing the accuracy in clinical prediction.<br/><br/>The sixth chapter shows the application of AIQP characterization techniques in the evaluation of patients with ventricular tachycardia (VT), after myocardial infarct (MI). The results obtained with these new AIQP indices represent a significant contribution to detect abnormal potentials from re-entry substrate. In a study on a population of 173 patients with post IM, with a typical prevalence of VT, AIQP indices have contributed an increase of the accuracy (90 %) and positive predictive value (47 %) of the HRECG.<br/><br/>In the seventh chapter two clinical applications appear. Firstly, an evaluation of abnormal potentials measured in the HRECG of patients in different stages of chagasic myocarditis is made. Results obtained with AIQP indices show highly significant differences among different groups of patients, classified according to the advance of the disease. A second study is presented where transient ischemic events are evaluated during percutaneous transluminal coronary angioplasty (PTCA). Results show dynamic changes in the HRECG, obtained from consecutive beats sequences, when using AIQP indices.<br/><br/>The application of the methods developed in this thesis, for the HRECG signal processing, has allowed to characterize and quantified abnormal ventricular depolarization signals. The clinical application of these methods has produced a significant contribution to the non-invasive evaluation of different cardiopathies using the HRECG technique. Tue, 12 Apr 2011 15:02:07 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5954 2011-04-12T15:02:07Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5953 Planificación automática y supervisión de operaciones de montaje mediante robots Suárez, Raúl One of the main topics to be solved in order to fully automate a robotized assembly task is the automatic determination of the movements to be done by the robot to properly perform the tasks when the existing uncertainty is not negligible. <br/><br/>This problem is of particular theoretical and practical interest when rotational degrees of freedom and friction forces are taken into account. In this thesis, an automatic movement planner that considers these aspects is proposed, including the description of how to execute the plan and supervise the evolution of the task. <br/><br/>In order to generate the plan, the task is represented by a finite number of states, which are associated to the nodes of a graph with the links connecting contiguous states. Then, using uncertainty models developed in the thesis, the domains of the possible configurations and reaction forces that can be measured by the corresponding sensors in each task state are determined. <br/><br/>From the existing initial conditions of the task and the desired final conditions, an initial and a goal state are determined, and, using the state graph, a sequence of contiguous states joining them is searched. At the same time, state transition operators (movement directions of the robot) that may allow the transition from one state to the next in the sequence are also determined.<br/><br/>The execution of the task according to the plan basically consist in the estimation of the current state by matching the sensorial information obtained on-line with the domains of configuration and force of each state, and then, the application of the proper state transition operator to proceed in the state sequence towards the goal state.<br/><br/>The main contributions of the thesis are the following: on one side, as a general contribution, the proposed planning procedure that allows the simultaneous consideration of friction forces, rotational degrees of freedom, and the different uncertainty sources that affect a robotized task; on the other side, as more specific contributions, the proposal of task states as the occurrence of a set of basic contacts, and, for movements on a plane, the fusion of the uncertainty models and the determination of the reaction forces possible in any contact situation by using the dual representation of the force lines. <br/><br/>The thesis includes the application of the developed concepts to a simple assembly task (the block in the corner problem) considering movements on a plane. Although the implementation is not a general application prototype, it contributes to the validation of the theoretical results of the work.; Uno de los principales problemas a resolver en la automatización total de una tarea de montaje robotizada, es la determinación automática de los movimientos que debe realizar el robot para llevar a cabo la tarea cuando la incertidumbre que le afecta es significativa. Este problema es de especial interés teórico y práctico cuando se consideran grados de libertad de rotación y fuerzas de fricción. En la tesis se propone un planificador automático de movimientos que tiene en cuenta estos aspectos. Se describe también cómo llevar a cabo la ejecución del plan y supervisar la evolución de la tarea.<br/><br/>Para llevar a cabo la planificación, la tarea se representa mediante un conjunto finito de estados. Considerando la incertidumbre mediante modelos desarrollados en la tesis, se determinan los dominios de observación de configuraciones y de fuerzas de reacción que pueden ser indicadas por los sensores cuando tiene lugar cada estado de la tarea. Los estados de la tarea se representan como nodos de un grafo en el que los arcos unen los estados contiguos.<br/><br/>A partir de las condiciones iniciales de la tarea y condiciones finales deseadas se establecen sendos estados inicial y final, y, utilizando el grafo de estados, se determina una secuencia de estados contiguos que los ligue. Paralelamente, se determinan operadores de cambio de estado (direcciones de movimiento del robot) que pueden permitir la transición de un estado a otro de la secuencia.<br/><br/>La ejecución de la tarea acorde al plan consiste básicamente en estimar el estado en curso contrastando la información sensorial obtenida en-línea con los dominios de observación de configuración y fuerza, para aplicar entonces el operador de cambio de estado que corresponda, y así sucesivamente hasta alcanzar el estado final.<br/><br/>Las principales aportaciones de la tesis son las siguientes. Por un lado, desde un punto de vista general, cabe destacar el procedimiento de planificación propuesto, que permite considerar simultáneamente fuerzas de fricción, grados de libertad de rotación y las incertidumbres que afectan a una tarea de montaje robotizada. Por otra parte, pueden mencionarse como aportaciones particulares, la introducción del concepto de estados de la tarea como ocurrencia de un determinado conjunto de contactos básicos y, para el caso de movimientos en un plano, el modelado y fusión de incertidumbre de una forma más precisa que las descritas en trabajos previos, así como la determinación de las fuerzas de reacción que pueden tener lugar en cualquier contacto mediante el uso de la representación dual de sus rectas de acción. <br/><br/>La tesis incluye la aplicación de los conceptos teóricos desarrollados a una tarea de montaje (bloque en la esquina) considerando movimientos de los objetos en un plano. Aunque la implementación no pretende ser un prototipo de aplicación general, contribuye a la validación de los resultados del trabajo. Tue, 12 Apr 2011 15:02:07 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5953 2011-04-12T15:02:07Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5952 Contribución al diagnóstico autómatico de arritmias cardíacas basado en el código minnesota Giraldo Giraldo, Beatriz F. El objetivo de esta tesis se enmarca en el diseño y desarrollo de un sistema automático de ayuda al diagnostico de arritmias cardiacas, denominado Saydac, que comprende: la caracterización del ECG, que permite generar su descripción en forma cualitativa y cuantitativa; la detección y el diagnostico de la fibrilación y el fluter auriculares a través de la detección de las ondas F del registro electrocardiográfico; la descripción y codificación de las arritmias cardiacas basado en el código Minnesota, y la validación de Saydac para la cual se han obtenido los diagnósticos de 8 evaluadores (3 médicos cardiólogas expertos en arritmias, 3 médicos cardiólogos, 1 medico no cardiólogo y Saydac) para un total de 100 señales electrocardiográficas efectuándose luego un análisis estadístico de las diferentes distancias entre los diagnostico de cada uno de los evaluadores.<br/><br/> Se ha constatado que Saydac responde satisfactoriamente a los objetivos de su diseño, con diagnósticos más próximos a los médicos cardiólogos especialistas en arritmias que al resto de evaluadores. Tue, 12 Apr 2011 15:02:06 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5952 2011-04-12T15:02:06Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5951 Instrumentation, model identification and control of an experimental irrigation canal Sepúlveda Toepfer, Carlos This thesis aims to develop control algorithms for irrigation canals in an experimental framework.<br/>These water transport systems are difficult to manage and present low efficiencies in practice. <br/>As a result, an important percentage of water is lost, maintenance costs increase and water users follow a rigid irrigation schedule.<br/>All these problems can be reduced by automating the operation of irrigation canals.<br/>In order to fulfil the objectives, a laboratory canal, called Canal PAC-UPC, was equipped and instrumented in parallel with the development of this thesis. In general, the methods and solutions proposed herein were extensively tested in this canal.<br/>In a broader context, three main contributions in different irrigation canal control areas are presented.<br/>Focusing on gate-discharge measurements, many submerged-discharge calculation methods are tested and compared using Canal PAC-UPC measurement data. It has been found that most of them present errors around ±10%, but there are notable exceptions. Specifically, using classical formulas with a constant 0.611 contraction value give very good results (error<±6%), but when data is available, a very simple calibration formula recently proposed in the literature significantly outperform the rest (error<±3%). As a consequence, the latter is encouragingly proposed as the basis of any gate discharge controller.<br/>With respect to irrigation canal modeling, a detailed procedure to obtain data-driven linear irrigation canal models is successfully developed. These models do not use physical parameters of the system, but are constructed from measurement data. In this case, these models are thought to be used in irrigation canal control issues like controller tuning, internal controller model in predictive controllers or simply as fast and simple simulation platforms. Much effort is employed in obtaining an adequate model structure from the linearized Saint-Venant equations, yielding to a mathematical procedure that verifies the existence of an integrator pole in any type of canal working under any hydraulic condition. Time-domain and frequency-domain results demonstrate the accuracy of the resulting models approximating a canal working around a particular operation condition both in simulation and experiment.<br/>Regarding to irrigation canal control, two research lines are exploited. First, a new water level control scheme is proposed as an alternative between decentralized and centralized control. It is called Semi-decentralized scheme and aims to resemble the centralized control performance while maintaining an almost decentralized structure. Second, different water level control schemes based on PI control and Predictive control are studied and compared. The simulation and laboratory results show that the response and performance of this new strategy against offtake discharge changes, are almost identical to the ones of the centralized control, outperforming the other tested schemes based on PI control and on Predictive control. In addition, it is verified that schemes based on Predictive control with good controller models can counteract offtake discharge variations with less level deviations and in almost half the time than PI-based schemes.<br/>In addition to these three main contributions, many other smaller developments, minor results and practical recommendations for irrigation canal automation are presented throughout this thesis. Tue, 12 Apr 2011 15:02:05 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5951 2011-04-12T15:02:05Z http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5950 ASALBP: the Alternative Subgraphs Assembly Line Balancing Problem. Formalization and Resolution Procedures Capacho Betancourt, Liliana Hoy en día, los problemas de equilibrado de líneas de montaje se encuentran comúnmente en la mayoría de sistemas industriales y de manufactura. Básicamente, estos problemas consisten en asignar un conjunto de tareas a una secuencia ordenada de estaciones de trabajo, de manera que se respeten las restricciones de precedencia y se optimice una medida de eficiencia dada (como, por ejemplo, el número de estaciones de trabajo o el tiempo ciclo). Dada la complejidad de los problemas de equilibrado de líneas, en los trabajos de investigación tradicionalmente se consideraban numerosas simplificaciones en las que, por ejemplo, una sola línea serial procesaba un único modelo de un solo producto. Además, los problemas estaban principalmente restringidos por las relaciones de precedencia y el tiempo ciclo. Sin embargo, la disponibilidad de recursos computacionales de hoy en día, así como la necesidad de las empresas a adaptarse a los rápidos cambios en los procesos de producción, han motivado tanto a investigadores como a gerentes a tratar problemas más realistas. Algunos ejemplos incluyen problemas que procesan modelos mixtos, estaciones de trabajo y líneas en paralelo, consideran múltiples objetivos y restricciones adicionales, como la capacidad de proceso de las estaciones de trabajo y la ubicación de los recursos en la línea de montaje.<br/>Esta tesis doctoral trata un nuevo problema de equilibrado de líneas, que ha sido titulado ASALBP: the Alternative Subgraphs Assembly Line Balancing Problem, en el que se consideran variantes alternativas para diferentes partes de un proceso de montaje o de manufactura. Cada alternativa puede ser representada por un subgrafo de precedencias, que determina las tareas requeridas para procesar un producto particular, las restricciones de precedencia y los tiempos de proceso. <br/>Para resolver eficientemente el ASALBP, se deben resolver dos problemas simultáneamente: (1) el problema de decisión para seleccionar un subgrafo de montaje para cada parte que admite alternativas y (2) el problema de equilibrado para asignar las tareas a las estaciones de trabajo. <br/>El análisis del estado del arte revela que este problema no ha sido estudiado previamente en la literatura, lo que ha conducido a la caracterización y a la definición de un nuevo problema. Por otra parte, dado que no es posible representar las variantes de montaje en un diagrama de precedencias estándar, se propone el S-grafo como una herramienta de diagramación, para representar en un único grafo todas las alternativas de montaje.<br/>Habitualmente, los problemas de equilibrado de líneas que consideran alternativas de montaje se resuelven en dos etapas. En la etapa inicial, el diseñador de sistema selecciona una de las variantes posibles utilizando cierto criterio de decisión como por ejemplo tiempo total de proceso. Una vez que se han seleccionado las alternativas de montaje, y se dispone de un diagrama de precedencias (es decir, el problema de planificación ha sido resuelto), la línea de montaje es equilibrada en una segunda etapa. Sin embargo, utilizando dicho procedimiento de dos etapas no se puede garantizar que una solución óptima del problema global se pueda obtener, porque las decisiones tomadas por el diseñador de sistema restringen el problema y causan perdida de información; es decir, cuando se selecciona una alternativa priori los efectos de las posibilidades restantes quedan sin explorar. Por ejemplo, si el diseñador de sistema utiliza tiempo total de proceso como criterio de decisión, la alternativa con el tiempo total de proceso más grande será descartada a pesar de que pueda ser la que proporcione la mejor solución del problema (es decir, requiere el mínimo número de estaciones de trabajo o el mínimo tiempo ciclo). <br/>Por lo tanto, pareciera razonable considerar que para solucionar eficientemente un ALBP que implica alternativas de proceso, todas las alternativas de montaje deben ser tomadas en cuenta en el proceso de equilibrado. Para este propósito, en esta tesis el problema de selección de una variante de montaje y el problema de equilibrado de la línea se consideran conjuntamente en lugar de independientemente.<br/>Para resolver el Problema de Equilibrado de Líneas con Alternativas de Montaje (ASALBP) se usan varios enfoques. El problema se formaliza y se resuelve de manera óptima a través de dos modelos de programación matemática. Un enfoque aproximativo es usado para resolver problemas de tamaño industrial. Además, se proponen procedimientos de optimización local con el objetivo de mejorar la calidad de las soluciones obtenidas por los métodos heurísticos desarrollados en este trabajo.; Nowadays assembly line balancing problems are commonly found in most industrial and manufacturing systems. Basically, these problems seek to assign a set of assembly tasks to an ordered sequence of workstations in such a way that precedence constraints are maintained and a given efficiency measure (e.g. the number of workstations or the cycle time) is optimized.<br/>Because of the computational complexity of balancing problems, research works traditionally considered numerous simplifying assumptions in which, for example, a single model of a unique product were processed in a single line; moreover, problems were mainly restricted by precedence and cycle time constrains. Nevertheless, the current availability of computing resources and the enterprises need to adapt to rapid changes in production and manufacturing processes have encouraged researchers and decision-makers to address more realistic problems. Some examples include problems that involve mixed models, parallel workstations and parallel lines, multiple objectives and also further restrictions such as workstation processing capacity and resource allocation constraints. <br/>This doctoral thesis addresses a novel assembly line balancing problem, entitled here ASALBP: the Alternative Subgraphs Assembly Line Balancing Problem, which considers alternative variants for different parts of an assembly or manufacturing process. Each variant can be represented by a precedence subgraph that establishes the tasks required to process a particular product, their precedence requirements and their processing times. Therefore, to efficiently solve the Alternative Subgraphs Assembly Line Balancing Problem two subproblems need to be solved simultaneously: (1) the decision problem that selects one assembly variant for each part that admit alternatives and (2) the balancing problem that assigns the tasks to the workstations. <br/>The analysis of the state-of-the-art carried out revealed that the Alternative Subgraphs Assembly Line Balancing Problem has not been addressed before in literature studies, which leaded to the characterization and definition of this new problem. Moreover, due to the impossibility of representing assembly variants in a standard precedence graph, the S-Graph is proposed here as a diagramming tool to represent all available assembly alternatives in a unique diagram. Habitually, problems involving assembly alternatives are solved by using a two-stage based approach. In the initial stage, the system designer selects one of the possible variants according to criteria such as total processing time. Once the assembly alternatives have been selected, and a precedence graph is available (i.e. the assembly planning problem has been already solved), the line is then balanced in the second stage. <br/>However, by following this two-stage procedure it cannot be guaranteed that an optimal solution of the global problem can be obtained, because the decisions taken by the system designer restrict the problem and cause information loss; i.e., a priori selection of an alternative leaves the effects of the other possibilities unexplored. For instance, if the system designer uses total processing time as decision criterion, the alternative with largest total processing time will be discarded notwithstanding it may provide the best solution of the problem (i.e., it requires the minimum number of workstations or minimum cycle time). <br/>Therefore, it seems reasonable to consider that to solve efficiently an ALBP that involves processing alternatives all possibilities must be considered within the balancing process. For this purpose, in this thesis both the variant selection problem and the balancing problem are jointly considered instead of independently.<br/>Different approaches are used here to address the Alternative Subgraphs Assembly Line Balancing Problem (ASALBP). The problem is formalize and optimally solved by means of two mathematical programming models. An approximate approach is used to address industrial-scale problems. Furthermore, local optimization procedures are proposed aiming at improving the quality of the solutions provided by all heuristic methods developed here. Tue, 12 Apr 2011 15:02:04 GMT http://www.tdx.cat:80/handle/10803/5950 2011-04-12T15:02:04Z