Modelos matemáticos del crecimiento, alimentaci��n y respiraci��n de la trucha arco iris, salm��n, tenca, anguila, rodaballo, lenguado, lubina, dorada y seriola. Aplicaci��n al dise��o de instalaciones de cultivo

En esta tesis, en su primera parte, se desarrollan modelos matemáticos para tratar de predecir el crecimiento en condiciones normales de cultivo de las siguientes especies: Trucha arco iris (Salmo garidneri), salm��n (Salm��n salar), tenca (Tinca tinca), anguila (Anguilla anguilla), rodaballo (Scophthalmus maximus), lenguado (Solea solea), lubina (Dicentrarchus labrax), dorada (Sparus aurata) y seriola japonesa (Seriola quinqueradiata). En la segunda parte, en base a postulados fisiol��gicos, se desarrollan modelos bioenerg��ticos que tratan de cuantificar la alimentaci��n, crecimiento, respiraci��n, excreci��n de productos nitrogenados y p��rdidas fecales, en funci��n de la tasa de alimentaci��n, para las especies indicadas anteriormente. En la tercera parte se indican posibles utilizaciones de estos modelos para el c��lculo del planning de producci��n, necesidades de agua y necesidades de estanques, para el caso de un cultivo intensivo de estas especies. ABSTRACT In this Doctorate Thesis, the first part is dedicated to the development of mathematical models, in order to estimate the growth, under normal culture conditions, of the following species: Rainbow trout (Salmo gairdneri)/ salmon (Salmo salara, tench (Tinca tinca), eel (Anguilla anguilla), turbot (Scophthalmus maximus), sole (Solea solea), seabass (Dicentrarchus labrax), seabream (Sparus aurata), and yellowtail (Seriola guingueradiata). In the second part, in basis to physiological postulates, bioenergetic models are developed. These models try to quantify the feeding, growth, excretion of nitrogenous and fecal products, according to the feeding rate, for the above mentioned species. In the third part, possible aplications of these models are indicated, including the production planning as well as water pond requirements for an intensive culture of the mentioned species.

Calibraci��n geom��trica de c��maras no m��tricas. Estudio de metodolog��as y modelos matemáticos de distorsi��n

La Fotogrametr��a, como ciencia y t��cnica de obtenci��n de informaci��n tridimensional del espacio objeto a partir de im��genes bidimensionales, requiere de medidas de precisi��n y en ese contexto, la calibraci��n geom��trica de c��maras ocupa un lugar importante. El conocimiento de la geometr��a interna de la c��mara es fundamental para lograr mayor precisi��n en las medidas realizadas. En Fotogrametr��a A��rea se utilizan c��maras m��tricas (fabricadas exclusivamente para aplicaciones cartogr��ficas), que incluyen objetivos fotogr��ficos con sistemas de lentes complejos y de alta calidad. Pero en Fotogrametr��a de Objeto Cercano se est�� trabajando cada vez con m��s asiduidad con c��maras no m��tricas, con ��pticas de peor calidad que exigen una calibraci��n geom��trica antes o despu��s de cada trabajo. El proceso de calibraci��n encierra tres conceptos fundamentales: modelo de c��mara, modelo de distorsi��n y m��todo de calibraci��n. El modelo de c��mara es un modelo matem��tico que aproxima la transformaci��n proyectiva original a la realidad f��sica de las lentes. Ese modelo matem��tico incluye una serie de par��metros entre los que se encuentran los correspondientes al modelo de distorsi��n, que se encarga de corregir los errores sistem��ticos de la imagen. Finalmente, el m��todo de calibraci��n propone el m��todo de estimaci��n de los par��metros del modelo matem��tico y la t��cnica de optimizaci��n a emplear. En esta Tesis se propone la utilizaci��n de un patr��n de calibraci��n bidimensional que se desplaza en la direcci��n del eje ��ptico de la c��mara, ofreciendo as�� tridimensionalidad a la escena fotografiada. El patr��n incluye un n��mero elevado de marcas, lo que permite realizar ensayos con distintas configuraciones geom��tricas. Tomando el modelo de proyecci��n perspectiva (o pinhole) como modelo de c��mara, se realizan ensayos con tres modelos de distorsi��n diferentes, el cl��sico de distorsi��n radial y tangencial propuesto por D.C. Brown, una aproximaci��n por polinomios de Legendre y una interpolaci��n bic��bica. De la combinaci��n de diferentes configuraciones geom��tricas y del modelo de distorsi��n m��s adecuado, se llega al establecimiento de una metodolog��a de calibraci��n ��ptima. Para ayudar a la elecci��n se realiza un estudio de las precisiones obtenidas en los distintos ensayos y un control estereosc��pico de un panel test construido al efecto. ABSTRACT Photogrammetry, as science and technique for obtaining three-dimensional information of the space object from two-dimensional images, requires measurements of precision and in that context, the geometric camera calibration occupies an important place. The knowledge of the internal geometry of the camera is fundamental to achieve greater precision in measurements made. Metric cameras (manufactured exclusively for cartographic applications), including photographic lenses with complex lenses and high quality systems are used in Aerial Photogrammetry. But in Close Range Photogrammetry is working increasingly more frequently with non-metric cameras, worst quality optical components which require a geometric calibration before or after each job. The calibration process contains three fundamental concepts: camera model, distortion model and method of calibration. The camera model is a mathematical model that approximates the original projective transformation to the physical reality of the lenses. The mathematical model includes a series of parameters which include the correspondents to the model of distortion, which is in charge of correcting the systematic errors of the image. Finally, the calibration method proposes the method of estimation of the parameters of the mathematical modeling and optimization technique to employ. This Thesis is proposing the use of a pattern of two dimensional calibration that moves in the direction of the optical axis of the camera, thus offering three-dimensionality to the photographed scene. The pattern includes a large number of marks, which allows testing with different geometric configurations. Taking the projection model perspective (or pinhole) as a model of camera, tests are performed with three different models of distortion, the classical of distortion radial and tangential proposed by D.C. Brown, an approximation by Legendre polynomials and bicubic interpolation. From the combination of different geometric configurations and the most suitable distortion model, brings the establishment of a methodology for optimal calibration. To help the election, a study of the information obtained in the various tests and a purpose built test panel stereoscopic control is performed.

Modelos de Refracci��n Astron��mica

Se resumen en esta monograf��a la teor��a b��sica sobre refracci��n astron��mica para ser aplicada a observaciones topogr��ficas a astros. Se comentan tambi��n los diferentes modelos matemáticos existentes hasta la fecha.

Modelos de viajes a hospitales p��blicos espa��oles comparados con los modelos americanos

La implantaci��n de un nuevo Polo Generador de Viajes (PGV) incrementa el tr��fico de la zona y cambia el uso del suelo en las ��reas cercanas a las cuales est�� ubicado. Por este motivo resulta conveniente la elaboraci��n de modelos matemáticos para estimar los viajes generados y poder prevenir los impactos negativos. Este trabajo tiene como objetivo principal la elaboraci��n y aplicaci��n de modelos de viajes a trav��s de datos de cuatro hospitales seleccionados de Madrid y comp��ralos a los resultados de los modelos del Institute of Transportation Engenieers (ITE) y con los flujos reales. Una vez realizados los an��lisis y la metodolog��a comparativa, se han verificado que los resultados de los modelos ITE que han sido discordantes con los resultados de los flujos reales de Madrid.

Mejora de los modelos t��rmicos de las presas b��veda en explotaci��n : aplicaci��n al an��lisis del efecto del cambio clim��tico

Las cargas de origen t��rmico causadas por las acciones medioambientales generan esfuerzos apreciables en estructuras hiperest��ticas masivas, como es el caso de las presas b��vedas. Ciertas investigaciones apuntan que la variaci��n de la temperatura ambiental es la segunda causa de reparaciones en las presas del hormig��n en servicio. Del mismo modo, es una causa de fisuraci��n en un porcentaje apreciable de casos. Las presas son infraestructuras singulares por sus dimensiones, su vida ��til, su impacto sobre el territorio y por el riesgo que implica su presencia. La evaluaci��n de ese riesgo requiere, entre otras herramientas, de modelos matemáticos de predicci��n del comportamiento. Los modelos han de reproducir la realidad del modo m��s fidedigno posible. Adem��s, en un escenario de posible cambio clim��tico en el que se prev�� un aumento de las temperaturas medias, la sociedad ha de conocer cu��l ser�� el comportamiento estructural de las infraestructuras sensibles en los futuros escenarios clim��ticos. No obstante, existen escasos estudios enfocados a determinar el campo de temperaturas de las presas de hormig��n. As��, en esta investigaci��n se han mejorado los modelos de c��lculo t��rmico existentes con la incorporaci��n de nuevos fen��menos f��sicos de transferencia de calor entre la estructura y el medio ambiente que la rodea. Tambi��n se han propuesto nuevas metodolog��as m��s eficientes para cuantificar otros mecanismos de transferencia de calor. La nueva metodolog��a se ha aplicado a un caso de estudio donde se dispon��a de un amplio registro de temperaturas de su hormig��n. Se ha comprobado la calidad de las predicciones realizadas por los diversos modelos t��rmicos en el caso piloto. Tambi��n se han comparado los resultados de los diversos modelos entre s��. Finalmente, se ha determinado las consecuencias de las predicciones de las temperaturas por algunos de los modelos t��rmicos sobre la respuesta estructural del caso de estudio. Los modelos t��rmicos se han empleado para caracterizar t��rmicamente las presas b��veda. Se ha estudiado el efecto de ciertas variables atmosf��ricas y determinados aspectos geom��tricos de las presas sobre su respuesta t��rmica. Tambi��n se ha propuesto una metodolog��a para evaluar la respuesta t��rmica y estructural de las infraestructuras frente a los posibles cambios meteorol��gicos inducidos por el cambio clim��tico. La metodolog��a se ha aplicado a un caso de estudio, una presa b��veda, y se ha obtenido su futura respuesta t��rmica y estructural frente a diversos escenarios clim��ticos. Frente a este posible cambio de las variables meteorol��gicas, se han detallado diversas medidas de adaptaci��n y se ha propuesto una modificaci��n de la normativa espa��ola de proyecto de presas en el punto acerca del c��lculo de la distribuci��n de temperaturas de dise��o. Finalmente, se han extra��do una serie de conclusiones y se han sugerido posibles futuras l��neas de investigaci��n para ampliar el conocimiento del fen��meno de la distribuci��n de temperaturas en el interior de las presas y las consecuencias sobre su respuesta estructural. Tambi��n se han propuesto futuras investigaciones para desarrollar nuevos procedimiento para definir las cargas t��rmicas de dise��o, as�� como posibles medidas de adaptaci��n frente al cambio clim��tico. Thermal loads produced by external temperature variations may cause stresses in massive hyperstatic structures, such as arch dams. External temperature changes are pointed out as the second most major repairs in dams during operation. Moreover, cracking is caused by thermal loads in a quite number of cases. Dams are unique infrastructures given their dimensions, lifetime, spatial impacts and the risks involve by their presence. The risks are assessed by means of mathematical models which compute the behavior of the structure. The behavior has to be reproduced as reliable as possible. Moreover, since mean temperature on Earth is expected to increase, society has to know the structural behavior of sensitive structures to climate change. However, few studies have addressed the assessment of the thermal field in concrete dams. Thermal models are improved in this research. New heat transfer phenomena have been accounted for. Moreover, new and more efficient methodologies for computing other heat transfer phenomena have been proposed. The methodology has been applied to a case study where observations from thermometers embedded in the concrete were available. Recorded data were predicted by several thermal models and the quality of the predictions was assessed. Furthermore, predictions were compared between them. Finally, the consequences on the stress calculations were analyzed. Thermal models have been used to characterize arch dams from a thermal point of view. The effect of some meteorological and geometrical variables on the thermal response of the dam has been analyzed. Moreover, a methodology for assessing the impacts of global warming on the thermal and structural behavior of infrastructures has been proposed. The methodology was applied to a case study, an arch dam, and its thermal and structural response to several future climatic scenarios was computed. In addition, several adaptation strategies has been outlined and a new formulation for computing design thermal loads in concrete dams has been proposed. Finally, some conclusions have been reported and some future research works have been outlined. Future research works will increase the knowledge of the concrete thermal field and its consequences on the structural response of the infrastructures. Moreover, research works will develope a new procedure for computing the design thermal loads and will study some adaptation strategies against the climate change.

An��lisis de modelos de vibraciones en lajas y placas

El presente trabajo se centra en el desarrollo de los modelos matemáticos precisos para simular las excitaciones y respuestas de car��cter din��mico, que se introducen en los ensayos no destructivos de detecci��n de imperfecciones. Las estructuras que se consideran se suponen constituidas por chapas de espesor delgado. Las fisuras, en estos casos, pueden ser penetrantes o de una profundidad significativa respecto de su espesor, o no penetrantes o superficiales, que afectan a la zona superficial de chapa. El primer tipo de fisura est�� relacionado con la seguridad de la estructura y el segundo m��s con su protecci��n ambiental, al deteriorarse las pinturas de protecci��n. Se han considerado dos tipos de modelos: uno, que intenta localizar la posici��n y magnitud de las imperfecciones en la estructura, en particular las fisuras, de car��cter penetrante total. Para ello se utilizan en el estudio modelos de vibraciones el��sticas de estructuras delgadas como placas a flexi��n. El otro tipo de modelos analiza las vibraciones en lajas y en ��l se consideran vibraciones superficiales, como las ondas de Rayleigh. Se ha comprobado, en los modelos de estructuras pasantes, que las diferencias entre las frecuencias propias de las estructuras sanas y las fisuradas no son, en general, significativas. Por otra parte, la detecci��n de posici��n de las fisuras e incluso su mera presencia, mediante distintas normas de comparaci��n entre los vectores modos propios no constituye un procedimiento fiable, ya que puede depender de la posici��n de la fisura (por ejemplo, cercana a un borde) y del modo de vibraci��n que la excita. El m��todo que parece m��s prometedor est�� basado en la medida de las rotaciones (o derivadas de los modos respecto a dos ejes ortogonales) en distintos puntos de la estructura y su representaci��n mediante curvas de nivel.

Analysis of The Key Parameters in Pedestrian Safety Assessment for the European Vehicle Fleet Using Multibody and Finite Element Mathematical Models

Esta tesis investiga cuales son los par��metros m��s cr��ticos que condicionan los resultados que obtienen en los ensayos de protecci��n de peatones la flota Europea de veh��culos, seg��n la reglamentaci��n europea de protecci��n de peatones de 2003 (Directiva CE 2003/102) y el posterior Reglamento de 2009 (Reglamento CE 2009/78). En primer lugar se ha analizado el contexto de la protecci��n de peatones en Europa, viendo la historia de las diferentes propuestas de procedimientos de ensayo as�� como los cambios (y las razones de los mismos) que han sufrido a lo largo del proceso de definici��n de la normativa Europea. Con la informaci��n disponible de m��s de 400 de estos ensayos se han desarrollado corredores de rigidez para los frontales de los diferentes segmentos de la flota de veh��culos europea, siendo este uno de los resultados m��s relevantes de esta tesis. Posteriormente, esta tesis ha realizado un estudio accidentol��gico en detalle de los escenarios de atropello de peatones, identificando sus caracter��sticas m��s relevantes, los grupos de poblaci��n con mayor riesgo y los tipos de lesiones m��s importantes que aparecen (en frecuencia y severidad), que han sentado las bases para analizar con modelos matemáticos hasta qu�� punto los m��todos de ensayo propuestos realmente tienen estos factores en cuenta. Estos an��lisis no habr��an sido posibles sin el desarrollo de las nuevas herramientas que se presentan en esta tesis, que permiten construir instant��neamente el modelo matem��tico de cualquier veh��culo y cualquier peat��n adulto para analizar su iteraci��n. As��, esta tesis ha desarrollado una metodolog��a r��pida para desarrollar modelos matemáticos de veh��culos a demanda, de cualquier marca y modelo y con las caracter��sticas geom��tricas y de rigidez deseados que permitan representarlo matem��ticamente y del mismo modo, ha investigado c��mo evoluciona el comportamiento del cuerpo humano durante el envejecimiento y ha implementado una funcionalidad de escalado en edad al modelo de peat��n en multicuerpo de MADYMO (ya escalable en tama��o) para permitir modelar ad hoc cualquier peat��n adulto (en g��nero y edad). Finalmente, esta tesis tambi��n ha realizado, utilizando modelos de elementos finitos del cuerpo humano, diferentes estudios sobre la biomec��nica de las lesiones m��s frecuentes de este tipo de accidentes, (en piernas y cabeza) con el objetivo de mejorar los procedimientos de ensayo para que predigan mejor el tipo de lesiones que se quieren evitar. Con el marco temporal y las condiciones de contorno de esta tesis se han centrado los esfuerzos en reforzar algunos aspectos cr��ticos pero puntuales sobre c��mo mejorar el ensayo de cabeza y, sobretodo, en proponer soluciones viables y con un valor a��adido real al ensayo de pierna contra parachoques, sin cambiar la esencia del mismo pero proponiendo un nuevo impactador mejorado que incorpore una masa extra que representa a la parte superior del cuerpo y sea v��lido para toda la flota europea de veh��culos independiente de la geometr��a de su frontal.

Estado del arte en procesos de zonificacion

Los procesos de partici��n espacial implican la divisi��n de un espacio geogr��fico en diferentes unidades o zonas seg��n un conjunto espec��fico de criterios. En ��mbitos relacionados con las ciencias geoespaciales, la delimitaci��n de estas zonas se realiza por agrupaci��n de otras unidades b��sicas de ��rea existentes en el espacio de trabajo. En este art��culo se ofrece una revisi��n de los m��todos de soluci��n dise��ados para este tipo de problemas, comenzando por una introducci��n a las t��cnicas heur��sticas y modelos matemáticos m��s utilizados desde los a��os 60, para finalizar describiendo los recientes algoritmos aplicados a diagramas de Voronoi. Tambi��n se revisan las aplicaciones en las que se han implementado algunos de estos modelos, quedando patente que son herramientas dise��adas para el tratamiento de problemas espec��ficos, dada la dificultad de dise��ar modelos gen��ricos y vers��tiles para este tipo de particiones espaciales o zonificaciones

Desarrollo de un modelo para la caracterizaci��n termoecon��mica de ciclos combinados de turbinas de gas y de vapor en condiciones de carga variable

En la actualidad, el inter��s por las plantas de potencia de ciclo combinado de gas y vapor ha experimentado un notable aumento debido a su alto rendimiento, bajo coste de generaci��n y r��pida construcci��n. El objetivo fundamental de la tesis es profundizar en el conocimiento de esta tecnolog��a, insuficientemente conocida hasta el momento debido al gran n��mero de grados de libertad que existen en el dise��o de este tipo de instalaciones. El estudio se realiz�� en varias fases. La primera consisti�� en analizar y estudiar las distintas tecnolog��as que se pueden emplear en este tipo de centrales, algunas muy recientes o en fase de investigaci��n, como las turbinas de gas de geometr��a variable, las turbinas de gas refrigeradas con agua o vapor del ciclo de vapor o las calderas de paso ��nico que trabajan con agua en condiciones supercr��ticas. Posteriormente se elaboraron los modelos matemáticos que permiten la simulaci��n termodin��mica de cada uno de los componentes que integran las plantas, tanto en el punto de dise��o como a cargas parciales. Al mismo tiempo, se desarroll�� una metodolog��a novedosa que permite resolver el sistema de ecuaciones que resulta de la simulaci��n de cualquier configuraci��n posible de ciclo combinado. De esa forma se puede conocer el comportamiento de cualquier planta en cualquier punto de funcionamiento. Por ��ltimo se desarroll�� un modelo de atribuci��n de costes para este tipo de centrales. Con dicho modelo, los estudios se pueden realizar no s��lo desde un punto de vista termodin��mico sino tambi��n termoecon��mico, con lo que se pueden encontrar soluciones de compromiso entre rendimiento y coste, asignar costes de producci��n, determinar curvas de oferta, beneficios econ��micos de la planta y delimitar el rango de potencias donde la planta es rentable. El programa inform��tico, desarrollado en paralelo con los modelos de simulaci��n, se ha empleado para obtener resultados de forma intensiva. El estudio de los resultados permite profundizar ampliamente en el conocimiento de la tecnolog��a y, as��, desarrollar una metodolog��a de dise��o de este tipo de plantas bajo un criterio termoecon��mico. ABSTRACT The growing energy demand and the need of shrinking costs have led to the design of high efficiency and quick installation power plants. The success of combined cycle gas turbine power plants lies on their high efficiency, low cost and short construction lead time. The main objective of the work is to study in detail this technology, which is not thoroughly known owing to the great number of degrees of freedom that exist in the design of this kind of power plants. The study is divided into three parts. Firstly, the different technologies and components that could be used in any configuration of a combined cycle gas turbine power plant are studied. Some of them could be of recent technology, such as the variable inlet guide vane compressors, the H-technology for gas turbine cooling or the once-through heat recovery steam generators, used with water at supercritical conditions. Secondly, a mathematical model has been developed to simulate at full and part load the components of the power plant. At the same time, a new methodology is proposed in order to solve the equation system resulting for any possible power plant configuration. Therefore, any combined cycle gas turbine could be simulated at any part load condition. Finally a themoeconomic model is proposed. This model allows studying the power plant not only from a thermodynamic point of view but also from a thermoeconomic one. Likewise, it allows determining the generating costs or the cash flow, thus achieving a trade off between efficiency and cost. Likewise, the model calculates the part load range where the power plant is profitable. Once the thermodynamic and thermoeconomic models are developed, they are intensively used in order to gain knowledge in the combined cycle gas turbine technology and, in this way, to propose a methodology aimed at the design of this kind of power plants from a thermoeconomic point of view.

Desarrollo de una aplicaci��n software para laboratorios remotos

Las pr��cticas en laboratorios forman una parte muy importante de la formaci��n en todos los programas docentes. A pesar de esta importancia, la creaci��n de un laboratorio no es una tarea f��cil, ya que el hecho de equipar un laboratorio puede suponer un gran gasto econ��mico, tanto inicial como posterior. Como soluci��n, surge la educaci��n a distancia, y en concreto los laboratorios virtuales, es decir, simulaciones de un laboratorio real utilizando modelos matemáticos. Por sus caracter��sticas y flexibilidad se han ido desarrollando laboratorios virtuales en el ��mbito docente, pero no todas las ��reas cuentan con tantas posibilidades o facilidades como en la electr��nica. La mayor��a de los laboratorios accesibles desde Internet que hay en la actualidad dentro de la ense��anza a distancia o formaci��n online, son virtuales. El laboratorio que se ha desarrollado tiene como principal ventaja la realizaci��n de pr��cticas controlando instrumentos y circuitos reales de forma remota. El proyecto consiste en realizar un sistema software para implementar un laboratorio remoto en el ��rea de la electr��nica anal��gica, que pueda ser utilizado como complemento a las actividades formativas que se realizan en los laboratorios de los centros de ense��anza. El sistema completo tambi��n consta de un hardware controlado mediante buses de comunicaci��n est��ndar, que permite la implementaci��n de distintos circuitos anal��gicos, de tal forma que se pueda realizar pr��cticas sobre circuitos f��sicos reales. Para desarrollar un laboratorio lo m��s real posible, la aplicaci��n que maneja el estudiante es un visor 3D. Con la utilizaci��n de un visor 3D lo que se pretende es tener un aumento de la realidad a la hora de realizar las pr��cticas de laboratorio remotamente. El sistema desarrollado cuenta con un sistema de comunicaci��n basado en un modelo cliente-servidor: ��� Servidor: se encarga de procesar las acciones que realiza el cliente y controla y monitoriza los instrumentos y dispositivos del sistema hardware. ��� Cliente: ser��a el usuario final, que mediante un visor 3D comunica las acciones a realizar al servidor para que ��ste las procese. Practices in laboratories are a very important part of training in all educational programs. Despite this importance, the establishment of a laboratory is not an easy task, since the fact of equipping a laboratory can be a great economic budget, both initial and subsequent spending. As a solution, appears the education at distance (online), and in particular the virtual labs, namely simulations of a real laboratory by using mathematical models. Virtual laboratories in the field of teaching have been developed for its features and flexibility, but not all areas have so many possibilities or facilities as in electronics. The most accessible laboratories from the Internet that are currently accessible within the distance or e-learning (on-line) are virtual. The laboratory which has been developed has as a main advantage to make practices or exercises in the fact of controlling instruments and real circuits remotely. The project consists of making a software system in order to implement a remote laboratory in the area of analog electronics that can be used as a complement to the others training activities to be carried out. The complete system also consists of a controlled hardware by standard communication buses that allow the implementation of several analog circuits, in such a way that practices can control real physical circuits. To develop a laboratory as more realistic as possible, the application that manages the student is a 3D viewer. With the use of a 3D viewer, is intended to have an increase in reality when any student wants to access to laboratory practices remotely. The developed system has a communication system based on a model Client/Server: ��� Server: The system that handles actions provided by the client and controls and monitors the instruments and devices in the hardware system. ��� Client: The end user, which using a 3D viewer, communicates the actions to be performed at the server so that it will process them.

Simulaci��n de maniobras de buques con sistemas de propulsi��n no convencional en aguas poco profundas

Los requisitos cada vez m��s exigentes en cuanto a misiones, limitaciones operacionales y ambientales as�� como nuevas tecnolog��as, imponen permanentemente retos a los arquitectos navales para generar alternativas de buques y valorar su bondad en las primeras etapas del proyecto. Este es el caso de los Buques Patrulleros de Apoyo Fluvial Pesados PAF-P, que por requerimiento de la Armada Nacional de Colombia ha dise��ado y construido COTECMAR. Los PAF-P, son buques fluviales cuya relaci��n Manga-Calado excede la mayor��a de los buques existentes (B/T=9,5), debido principalmente a las restricciones en el calado a consecuencia de la escasa profundidad de los r��os. Estos buques est��n equipados con sistemas de propulsi��n acimutales tipo ���Pum-Jet���. Las particularidades del buque y del ambiente operacional, caracterizado por r��os tropicales con una variabilidad de profundidad dependiente del r��gimen de lluvias y sequ��a, as�� como la falta de canalizaci��n y la corriente, hacen que la maniobrabilidad y controlabilidad sean fundamentales para el cumplimiento de su misi��n; adicionalmente, no existen modelos matemáticos validados que permitan predecir en las primeras etapas del dise��o la maniobrabilidad de este tipo de buques con los efectos asociados por profundidad. La presente tesis doctoral aborda el desarrollo de un modelo matem��tico para simulaci��n de maniobrabilidad en aguas poco profundas de buques con relaci��n manga-calado alta y con propulsores acimutales tipo ���Pump-Jet���, cuyo chorro adem��s de entregar el empuje necesario para el avance del buque, genera la fuerza de gobierno en funci��n del ��ngulo de orientaci��n del mismo, eliminando la necesidad de timones. El modelo matem��tico ha sido validado mediante los resultados obtenidos en las pruebas de maniobrabilidad a escala real del PAF-P, a trav��s de la comparaci��n de trayectorias, series temporales de las variables de estado m��s significativas y par��metros del c��rculo evolutivo como son di��metro de giro, di��metro t��ctico, avance y transferencia. El plan de pruebas se bas�� en t��cnicas de Dise��o de Experimentos ���DOE��� para racionalizar el n��mero de corridas en diferentes condiciones de profundidad, velocidad y orientaci��n del chorro (��ngulo de tim��n). En el marco de la presente investigaci��n y para minimizar los errores por efectos ambientales y por inexactitud en los instrumentos de medici��n, se desarroll�� un sistema de adquisici��n y procesamiento de datos de acuerdo con los lineamientos de ITTC. La literatura existente describe los efectos negativos de la profundidad en los par��metros de maniobrabilidad de buques convencionales (Efecto tipo S), principalmente las trayectorias descritas en los c��rculos evolutivos aumentan en la medida que disminuye la profundidad; no obstante, en buques de alta relaci��n manga-calado, B/T=7,51 (Yoshimura, y otros, 1.988) y B/T=6,38 (Yasukawa, y otros, 1.995) ha sido reportado el efecto contrario (Efecto tipo NS Non Standart). Este ��ltimo efecto sin embargo, ha sido observado mediante experimentaci��n con modelos a escala pero no ha sido validado en pruebas de buques a escala real. El efecto tipo NS en buques dotados con h��lice y timones, se atribuye al mayor incremento de la fuerza del tim��n comparativamente con las fuerzas del casco en la medida que disminuye la profundidad; en el caso de estudio, el fen��meno est�� asociado a la mejor eficiencia de la bomba de agua ���Pump-Jet���, debido a la resistencia a��adida en el casco por efecto de la disminuci��n de la profundidad. Los resultados de las pruebas con buque a escala real validan el excelente desempe��o de esta clase de buques, cumpliendo en exceso los criterios de maniobrabilidad existentes y muestran que el di��metro de giro y otras caracter��sticas de maniobrabilidad mejoran con la disminuci��n de la profundidad en buques con alta relaci��n manga-calado. ABSTRACT The increasingly demanding requirements in terms of missions, operational and environmental constraints as well as new technologies, constantly impose challenges to naval architects to generate alternatives and asses their performance in the early stages of design. That is the case of Riverine Support Patrol Vessel (RSPV), designed and built by COTECMAR for the Colombian Navy. RSPV are riverine ships with a Beam-Draft ratio exceeding most of existing ships (B/T=9,5), mainly due to the restrictions in draft as a result of shallow water environment. The ships are equipped with azimuthal propulsion system of the ���Pump-Jet��� type. The peculiarities of the ship and the operational environment, characterized by tropical rivers of variable depth depending on the rain and dry seasons, as well as the lack channels and the effect of water current, make manoeuvrability and controllability fundamental to fulfill its mission; on the other hand, there are not validated mathematical models available to predict the manoeuvrability of such ships with the associated water depth effects in the early stages of design. This dissertation addresses the development of a mathematical model for shallow waters��� manoeuvrability simulation of ships with high Beam-Draft ratio and azimuthal propulsion systems type ���Pump-Jet���, whose stream generates the thrust required by the ship to advance and also the steering force depending on the orientation angle, eliminating the need of rudders. The mathematical model has been validated with the results of RSPV���s full scale manoeuvring tests, through a comparison of paths, time series of state variables and other parameters taken from turning tests, such as turning diameter, tactical diameter, advance and transfer. The test plan was developed applying techniques of Design of Experiments ���DOE���, in order to rationalize the number of runs in different conditions of water depth, ship speed and jet stream orientation (rudder angle). A data acquisition and processing system was developed, following the guidelines of ITTC, as part of this research effort, in order to minimize errors by environmental effects and inaccuracy in measurement instruments, The negative effects of depth on manoeuvrability parameters for conventional ships (Effect Type S: the path described by the ship during turning test increase with decrease of water depth), has been documented in the open literature; however for wide-beam ships, B/T=7,51 (Yoshimura, y otros, 1.988) and B/T=6,38 (Yasukawa, y otros, 1.995) has been reported the opposite effect (Type NS). The latter effect has been observed thru model testing but until now had not been validated with full-scale results. In ships with propellers and rudders, type NS effect is due to the fact that increment of rudder force becomes larger than hull force with decrease of water depth; in the study case, the phenomenon is associated with better efficiency of the Pump-Jet once the vessel speed becomes lower, due to hull added resistance by the effect of the decrease of water depth. The results of full scale tests validates the excellent performance of this class of ships, fulfilling the manoeuvrability criteria in excess and showing that turning diameter and other parameters in high beam-draft ratio vessels do improve with the decrease of depth.

BaTboT: a biologically inspired flapping and morphing bat robot actuated by SMA-based artificial muscles

Bats are animals that posses high maneuvering capabilities. Their wings contain dozens of articulations that allow the animal to perform aggressive maneuvers by means of controlling the wing shape during flight (morphing-wings). There is no other flying creature in nature with this level of wing dexterity and there is biological evidence that the inertial forces produced by the wings have a key role in the attitude movements of the animal. This can inspire the design of highly articulated morphing-wing micro air vehicles (not necessarily bat-like) with a significant wing-to-body mass ratio. This thesis presents the development of a novel bat-like micro air vehicle (BaTboT) inspired by the morphing-wing mechanism of bats. BaTboT���s morphology is alike in proportion compared to its biological counterpart Cynopterus brachyotis, which provides the biological foundations for developing accurate mathematical models and methods that allow for mimicking bat flight. In nature bats can achieve an amazing level of maneuverability by combining flapping and morphing wingstrokes. Attempting to reproduce the biological wing actuation system that provides that kind of motion using an artificial counterpart requires the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators. Thus, NiTinol Shape Memory Alloys (SMAs) acting as artificial biceps and triceps muscles are used for mimicking the morphing wing mechanism of the bat flight apparatus. This antagonistic configuration of SMA-muscles response to an electrical heating power signal to operate. This heating power is regulated by a proper controller that allows for accurate and fast SMA actuation. Morphing-wings will enable to change wings geometry with the unique purpose of enhancing aerodynamics performance. During the downstroke phase of the wingbeat motion both wings are fully extended aimed at increasing the area surface to properly generate lift forces. Contrary during the upstroke phase of the wingbeat motion both wings are retracted to minimize the area and thus reducing drag forces. Morphing-wings do not only improve on aerodynamics but also on the inertial forces that are key to maneuver. Thus, a modeling framework is introduced for analyzing how BaTboT should maneuver by means of changing wing morphology. This allows the definition of requirements for achieving forward and turning flight according to the kinematics of the wing modulation. Motivated by the biological fact about the influence of wing inertia on the production of body accelerations, an attitude controller is proposed. The attitude control law incorporates wing inertia information to produce desired roll (��) and pitch (��) acceleration commands. This novel flight control approach is aimed at incrementing net body forces (Fnet) that generate propulsion. Mimicking the way how bats take advantage of inertial and aerodynamical forces produced by the wings in order to both increase lift and maneuver is a promising way to design more efficient flapping/morphing wings MAVs. The novel wing modulation strategy and attitude control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling flying robots, that eliminates the need of appendices such as flaps and rudders, and would allow performing more efficient maneuvers, especially useful in confined spaces. As a whole, the BaTboT project consists of five major stages of development: - Study and analysis of biological bat flight data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. - Formulation of mathematical models for: i) wing kinematics, ii) dynamics, iii) aerodynamics, and iv) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modeling the effects of modulating wing inertia into the production of net body forces for maneuvering. - Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of wings and body, ii) SMA muscle-like mechanisms, iii) the wing-membrane, and iv) electronics onboard. It is aimed at developing the bat-like platform (BaTboT) that allows for testing the methods proposed. - The flight controller: i) control of SMA-muscles (morphing-wing modulation) and ii) flight control (attitude regulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BaTboT���s wings. - Experiments: it is aimed at quantifying the effects of properly wing modulation into aerodynamics and inertial production for maneuvering. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving flight efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Windtunnel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the wings can considerably affect the dynamics/aerodynamics of flight and how to take advantage of wing inertia modulation that the morphing-wings enable to properly change wings��� geometry during flapping. Resumen: Los murci��lagos son mam��feros con una alta capacidad de maniobra. Sus alas est��n conformadas por docenas de articulaciones que permiten al animal maniobrar gracias al cambio geom��trico de las alas durante el vuelo. Esta caracter��stica es conocida como (alas m��rficas). En la naturaleza, no existe ning��n especimen volador con semejante grado de dexteridad de vuelo, y se ha demostrado, que las fuerzas inerciales producidas por el batir de las alas juega un papel fundamental en los movimientos que orientan al animal en vuelo. Estas caracter��sticas pueden inspirar el dise��o de un micro veh��culo a��reo compuesto por alas m��rficas con redundantes grados de libertad, y cuya proporci��n entre la masa de sus alas y el cuerpo del robot sea significativa. Esta tesis doctoral presenta el desarrollo de un novedoso robot a��reo inspirado en el mecanismo de ala m��rfica de los murci��lagos. El robot, llamado BaTboT, ha sido dise��ado con par��metros morfol��gicos muy similares a los descritos por su s��mil biol��gico Cynopterus brachyotis. El estudio biol��gico de este especimen ha permitido la definici��n de criterios de dise��o y modelos matemáticos que representan el comportamiento del robot, con el objetivo de imitar lo mejor posible la biomec��nica de vuelo de los murci��lagos. La biomec��nica de vuelo est�� definida por dos tipos de movimiento de las alas: aleteo y cambio de forma. Intentar imitar como los murci��lagos cambian la forma de sus alas con un prototipo artificial, requiere el an��lisis de m��todos alternativos de actuaci��n que se asemejen a la biomec��nica de los m��sculos que act��an las alas, y evitar el uso de sistemas convencionales de actuaci��n como servomotores �� motores DC. En este sentido, las aleaciones con memoria de forma, �� por sus siglas en ingl��s (SMA), las cuales son fibras de NiTinol que se contraen y expanden ante est��mulos t��rmicos, han sido usados en este proyecto como m��sculos artificiales que act��an como b��ceps y tr��ceps de las alas, proporcionando la funcionalidad de ala m��rfica previamente descrita. De esta manera, los m��sculos de SMA son mec��nicamente posicionados en una configuraci��n antagonista que permite la rotaci��n de las articulaciones del robot. Los actuadores son accionados mediante una se��al de potencia la cual es regulada por un sistema de control encargado que los m��sculos de SMA respondan con la precisi��n y velocidad deseada. Este sistema de control m��rfico de las alas permitir�� al robot cambiar la forma de las mismas con el ��nico prop��sito de mejorar el desempe��o aerodin��mico. Durante la fase de bajada del aleteo, las alas deben estar extendidas para incrementar la producci��n de fuerzas de sustentaci��n. Al contrario, durante el ciclo de subida del aleteo, las alas deben contraerse para minimizar el ��rea y reducir las fuerzas de fricci��n aerodin��mica. El control de alas m��rficas no solo mejora el desempe��o aerodin��mico, tambi��n impacta la generaci��n de fuerzas inerciales las cuales son esenciales para maniobrar durante el vuelo. Con el objetivo de analizar como el cambio de geometr��a de las alas influye en la definici��n de maniobras y su efecto en la producci��n de fuerzas netas, simulaciones y experimentos han sido llevados a cabo para medir c��mo distintos patrones de modulaci��n de las alas influyen en la producci��n de aceleraciones lineales y angulares. Gracias a estas mediciones, se propone un control de vuelo, �� control de actitud, el cual incorpora informaci��n inercial de las alas para la definici��n de referencias de aceleraci��n angular. El objetivo de esta novedosa estrategia de control radica en el incremento de fuerzas netas para la adecuada generaci��n de movimiento (Fnet). Imitar como los murci��lagos ajustan sus alas con el prop��sito de incrementar las fuerzas de sustentaci��n y mejorar la maniobra en vuelo es definitivamente un t��pico de mucho inter��s para el dise��o de robots a��ros mas eficientes. La propuesta de control de vuelo definida en este trabajo de investigaci��n podr��a dar paso a una nueva forma de control de vuelo de robots a��reos que no necesitan del uso de partes mec��nicas tales como alerones, etc. Este control tambi��n permitir��a el desarrollo de veh��culos con mayor capacidad de maniobra. El desarrollo de esta investigaci��n se centra en cinco etapas: - Estudiar y analizar el vuelo de los murci��lagos con el prop��sito de definir criterios de dise��o y control. - Formular modelos matemáticos que describan la: i) cinem��tica de las alas, ii) din��mica, iii) aerodin��mica, y iv) actuaci��n usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular las alas en la producci��n de fuerzas netas. - Dise��o y fabricaci��n de BaTboT: i) estructura de las alas y el cuerpo, ii) mecanismo de actuaci��n m��rfico basado en SMA, iii) membrana de las alas, y iv) electr��nica abordo. - Contro de vuelo compuesto por: i) control de la SMA (modulaci��n de las alas) y ii) regulaci��n de maniobra (actitud). - Experimentos: est��n enfocados en poder cuantificar cuales son los efectos que ejercen distintos perfiles de modulaci��n del ala en el comportamiento aerodin��mico e inercial. El objetivo es demostrar y validar la hip��tesis planteada al inicio de esta investigaci��n: mejorar eficiencia de vuelo gracias al novedoso control de orientaci��n (actitud) propuesto en este trabajo. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se ir��n presentando los retos, problem��ticas y soluciones a abordar. Los experimentos son realizados utilizando un t��nel de viento con la instrumentaci��n necesaria para llevar a cabo las mediciones de desempe��o respectivas. En los resultados se discutir�� y demostrar�� que la inercia producida por las alas juega un papel considerable en el comportamiento din��mico y aerodin��mico del sistema y como poder tomar ventaja de dicha caracter��stica para regular patrones de modulaci��n de las alas que conduzcan a mejorar la eficiencia del robot en futuros vuelos.

Dise��o y Desarrollo de un Robot de Inspecci��n de Tuber��as

El siguiente trabajo presenta un desarrollo innovador de un Robot de Inspecci��n de Tuber��as, el cual fue dise��ado para operaci��n de Tuber��as Verticales (RETOV Robot de operaci��n en tuber��as Verticales (siglas en Espa��ol)). Cuando RETOV es usado para inspeccionar pozos petroleros, puede ser controlado desde la superficie, esto permite al operador la inspecci��n y monitoreo del pozo. Esto es efectuado a trav��s de una interfaz de usuario que controla el Robot. RETOV fue dise��ado con anillos articulados que abrazan la tuber��a, un nuevo sistema de amortiguaci��n y ruedas m��viles brinda la posibilidad de navegar y evitar obst��culos en la tuber��a realizando tres tipos de movimientos: rotaci��n, traslaci��n y helicoidal. Adicionalmente RETOV fue dise��ado para realizar inspecci��n entre dos tuber��as(la tuber��a de producci��n y el pozo petrolero), con un sistema de seguridad y una estructura liviana, RETOV puede ser equipado con sensores para medir las variables de inter��s en el pozo. El dise��o de la mec��nica y el programa de control, la instrumentaci��n, los modelos matemáticos y resultados de las pruebas han sido descritos en esta Tesis. The following Doctoral Thesis presents an innovative application of a Pipe Inspection Robot, which was designed especially as Operation Robot in Vertical Pipes (RETOV) (Robot for operation vertical pipes (Spanish acronyms)). When RETOV is used to inspect Oil Well, can be controlled from the surface, it��s allow the operator the well inspection and monitoring. This is done through our interface that controls the robot. The RETOV was designed with an articulated ring systems that embrace the pipe, a new damping systems and mobile wheels bring the possibility to navigate and avoid obstacles into the well, performing three types of movement: Rotational, translational and screw. Additional, RETOV was designed to perform the inspection between two pipes (pipe and oil well production), with a security braking systems and lightweight structure; RETOV can be equipment with sensors to measure the variables of interest in the well. The hardware and Software design, the instrumentation, the mathematical models, and the test results have been described in this thesis.

An��lisis comparativo de la generaci��n de viajes en hospitales p��blicos.

La implantaci��n de un nuevo hospital incrementa el tr��fico de la zona y cambia el uso del suelo de las ��reas cercanas a su localizaci��n. Para el planificador resulta de gran utilidad la aplicaci��n de modelos matemáticos para estimar los viajes generados y poder prevenir los impactos negativos. Este trabajo tiene como objetivo principal examinar la concentraci��n de viajes generados en cuatro hospitales seleccionados de Madrid y cinco hospitales brasile��os, utilizando los modelos del ?Institute of Transportation Engenieers? ITE, comparados con los modelos desarrollados y con los flujos reales. Una vez realizado el an��lisis y aplicada la metodolog��a comparativa, se han obtenido unos resultados distantes para el caso de los flujos reales en Madrid. En cambio, para los hospitales brasile��os los modelos planteados se pueden aprovechar, sobre todo para la estimaci��n de los viajes en veh��culo privado.

Dise��o preliminar t��rmico y estructural del instrumento NOMAD de ExoMars

El veh��culo espacial ExoMarsOrbiter, llamado Exomars Trace Gas Orbiter (EMTGO), se encuadra en una misi��n de la ESA/NASA, contribuyendo a las ambiciones europeas de misiones de exploraci��n futura, seg��n lo establecido en la declaraci��n Aurora. Los objetivos del programa ExoMars dan continuidad a los esfuerzos de cooperaci��n con la NASA para enviar una misi��n de retorno de una muestra de Marte en las siguientes d��cadas. Est��n prevista s dos misiones dentro del programa ExoMars, una para 2016 y otra para 2018. NOMAD (solar occultation in the infra red and Nadir and Occultation for MArs Discovery) es un espectr��metro de alta resoluci��n en el infrarrojo - visible - ultravioleta, observando en las franjas de 0.2 - 0.65 y 2.3 - 4.2 ��m, para la inspecci��n de la atm��sfera de Marte. Dispone de tres canales (LNO, SO y UVIS) que operar��n seg��n tres modos distintos (ocultaci��n solar, limbo y nadir). NOMAD es un instrumento con una masa de 29.9 kg que est�� montado sobre la bandeja superior exterior, en la cara fr��a del veh��culo, y debe estar fuertemente desacoplado del mismo desde un punto de vista t��rmico (con una conductancia total m��xima de 0.02 W/K). Este desacoplamiento dificulta el dise��o estructural de la uni��n con el veh��culo. El dise��o t��rmico debe estar capacitado adem��s para evacuar el calor disipado internamente y las cargas exteriores, utilizando ��nicamente m��todos de control t��rmico pasivos. Un requisito t��rmico adicional es el que impone e l espectr��metro del canal LNO, que es una caja interior a NOMAD que debe ser enfriada a - 100�� C. Con el objeto de cumplir estos requisitos, se disponen dos radiadores: un radiador ���general��� para mantener al conjunto del instrumento a una temperatura semejante a la ambiente terrestre, y un radiador multietapa en ���V��� para enfriar la secci��n del LNO a - 100�� C. ��ste ��ltimo consiste en 4 etapas con placas delgadas, que disponen de una combinaci��n de regiones de alta emisividad y otras de alta reflectividad, para evacuar el calor entre etapas. Adem��s, se ha de alcanzar un compromiso entre la rigidez del radiador y la masa del mismo para disminuir la masa del radiador, las placas delgadas deben ser rigidizadas estructuralmente. Tanto su dise��o t��rmico como el estructural representan un reto tecnol��gico, debido a su escasa presencia en misiones anteriores. El modelo geom��trico y los modelos matemáticos t��rmico s y estructural es se han construido siguiendo los est��ndares de la ESA. Esto es, la metodolog��a utilizada ha sido la de efectuar primero un dise��o conceptual preliminar, para posteriormente desarrollar un modelo t��rmico y otro estructural a nivel instrumento, con el software ESATAN y NASTRAN, ambos indicados por la ESA. Los resultados muestran la viabilidad de NOMAD desde un punto de vista t��rmico y estructural.