Desarrollo de un Marco Tecnocultural para una SocioTecnología de la Información y Cultura, con aplicación en el ámbito de la Educación Superior para la formación de infoprofesionales.

La intensa relación de las infotecnologías con el ámbito educativo no es algo nuevo. Ha ido pasando por diferentes etapas marcadas por uno u otro modelo para el proceso de enseñanza-aprendizaje: tele-enseñanza o educación a distancia, Computer-Based Learning (CBL), E-Learning, Blended Learning o B-Learning son algunos de ellos. En cada caso se han incorporando diferentes tecnologías, desde las cintas magnéticas de audio y vídeo hasta los portátiles, las tabletas y las pizarras electrónicas, pasando por la vídeoconferencia o la mensajería instantánea. Hoy hablamos de E-Learning 2.0 (Downes, 2005) y Technology-Enhanced Learning (TEL). Todos esos modelos y sus metáforas asociadas han ido integrando, además de las diferentes capacidades tecnologías disponibles, distintas teorías pedagógicas, empezando por las tradicionalmente conocidas en la literatura del ámbito de la psicología educativa: el conductismo, el constructivismo o el constructivismo social. En la tabla 1 puede encontrar el lector esa asociación sintética, conjeturando con la definición de los roles de enseñante y aprendiz en cada modelo. Los cambios de “paradigma” –que habitualmente obvian la naturaleza original de este término para generalizarlo de forma poco rigurosa- anunciados y demandados en el ámbito educativo durante décadas se articulaban en (Barr y Tagg, 1995) alrededor de elementos como la misión y los objetivos de las instituciones educativas, la estructuración de los procesos educativos, su coste y productividad, los roles de los diferentes actores involucrados, la definición teórica del proceso de enseñanza-aprendizaje o las métricas de tal proceso. Downes (2005) lo resume de forma muy sintética con la siguiente afirmación (la traducción es mía): “el modelo de E-Learning que lo define en términos de unos contenidos, producidos por los editores, organizados y estructurados en cursos y consumidos por los estudiantes, se está dando la vuelta. En lo que se refiere al contenido, es mucho más probable que sea usado antes que “leído” y, en cualquier caso, es mucho más probable que sea producido por los propios estudiantes que por los autores especializados en la producción de cursos. En lo que se refiere a la estructura, es más probable que se parezca más a un idioma o una conversación que a un manual o libro de texto”. La irrupción en la escena tecnológica de la Web 2.0 como fenómeno social, sociotécnico en los términos de (Fumero, Roca y Sáez Vacas, 2007), ha hecho que se recuperen antiguas ambiciones teóricas asociadas a algunas de aquellas teorías clásicas, especialmente las que tienen que ver con el constructivismo cognitivo de J. Piaget (1964) y el constructivismo social de L. Vygotsky (1978). Esas teorías, enriquecidas con apuestas más atrevidas como el “conectivismo” (Siemens, 2004), han dado lugar al relanzamiento de modelos pedagógicos como el aprendizaje auto-gestionado o auto-dirigido, con sus matices de formulación (Self-Managed vs. Self-Directed Learning) que se han ido complementando a lo largo del tiempo con modelos de intervención asistidos, basados en un proceso de “andamiaje” o ‘scaffolding’ (véase en el capítulo 3, bajo el epígrafe “Psicología educativa para ingenieros”). Hoy podemos ver cómo, mientras se empieza a consolidar la reorganización del escenario institucional de la Educación Superior en Europa, tras el agotamiento de todos los plazos y las prórrogas contempladas por el acuerdo de Bolonia para su implementación –véase, por ejemplo, (Ortega, 2005) y su reflexión acerca de los “ingenieros creativos” en relación con esta reforma- se ha vuelto a plantear la implantación de procesos educativos basados en el aprendizaje informal (frente al formal y dando lugar a la definición del aprendizaje “no formal”), procesos que realmente se implementan como experiencias de aprendizaje mutuo (peer learning), en comunidad y ayudados por unas infotecnologías que, a pesar de su característica “cotidianeidad” (véase en el Prontuario el epígrafe “Tecnologías para la VIda Cotidiana”) siguen arrastrando el atributo de “educativas”. Evidentemente, la “tecnificación” de las instituciones de enseñanza superior ha ido consolidando algunos elementos tecnológicos que hoy son estándares de facto, como por ejemplo los sistemas integrados de gestión conocidos por sus siglas anglosajonas, LMS (Learning Management Systems). Los enormes esfuerzos, organizativos y técnicos, de integración que se han ido desarrollando en ese sentido –véase por ejemplo en (Aguirre, 2012)- han permanecido un tanto insensibles al desarrollo paralelo que, animados por la proliferación de herramientas más ricas y accesibles, llevaban a cabo los usuarios (profesores y alumnos; enseñantes y aprendices) que, manteniendo algún tipo de relación con una de esas instituciones (véase el escenario a que dan lugar en la figura 4) hacían un uso creativo de las tecnologías que la Red ponía a su alcance. En el escenario actual –aun predominando la excitación tecnológica- han acabado encontrándose ambas corrientes, generando un nuevo espacio de incertidumbre (léase de oportunidades) en el que se encuentran las soluciones establecidas, en forma de LMS, con las primeras formulaciones de esas combinaciones creativas de herramientas, metodologías y modelos, también conocidos como entornos personales de aprendizaje (Personal Learning Environments, PLE), que han revitalizado otras propuestas tecnológicas, como los e-Portfolios, o pedagógicas, como los contratos de aprendizaje (véase su aplicación en el caso de estudio del proyecto iCamp, en el capítulo 4). Es en ese escenario y desde una perspectiva interdisciplinar, híbrida, mestiza y conciliadora, donde tiene sentido plantear, como objeto de un trabajo de investigación consistente, la consolidación de un modelo que nos ayude a contextualizar la situación de cambio infotecnológico, organizativo y social a la que nos enfrentamos y que nos guíe en su instrumentalización para afrontar “situaciones de complejidad” similares que, sin duda, tendremos que abordar en el medio plazo. Esto me lleva a contemplar el problema desde una perspectiva suficientemente amplia, pero con un foco bien definido sobre los procesos educativos –de enseñanza y aprendizaje- en el ámbito de la Educación Superior y, específicamente, en lo referente a la formación de los infoprofesionales. Un escenario en el que se dan cita necesariamente la Tecnología Educativa y la Web 2.0 como fenómeno sociotécnico y que me llevan al análisis de modelos de intervención basados en lo que se conoce como “software social” –en sentido amplio, considerando herramientas, tecnologías y metodologías-, ensayados en ese ámbito extendido a la capacitación y la formación profesionales. Se establece, por tanto, como escenario del trabajo de investigación –y ámbito para el diseño de aquellas intervenciones- el de las organizaciones educativas, aplicando la definición sintética que recoge el propio Fernando Sáez Vacas (FSV) de la reingeniería de procesos (la negrita y las anotaciones, entre paréntesis, son mías), “que consiste en reinventar la forma de desarrollar las operaciones de la empresa (institución educativa, universitaria por ejemplo), partiendo de nuevos enfoques muy orientados a las necesidades de los clientes (los aprendices o estudiantes), con rotura de las tradicionales formas organizativas verticales y del desempeño humano y un uso masivo de las modernas tecnologías de la información y de la comunicación”; y que se aplicarán de acuerdo con la integración de los elementos metodológicos y conceptuales, que conformarán las bases de una SocioTecnología de la Información y Cultura (STIC) y que hunden sus raíces en la complejidad y la sistémica (véase en el Prontuario). El objetivo genérico que se planteaba en la propuesta original de tesis doctoral era ambicioso: “desarrollar y potenciar las bases de un ‘movimiento’ de I+D+i (+d) –con “d” minúscula de difusión, divulgación, diseminación-, sobre socioinfotecnocultura enfocado en el contexto de este trabajo específicamente en su difusión educativa y principalmente en el ámbito de la Educación Superior” y para la formación de los infoprofesionales. El objetivo específico del mismo era el de “diseñar un (conjunto) instrumental cognitivo básico, aunque relativamente complejo y denso en su formulación, para los infoprofesionales, considerados como agentes activos de la infotecnología con visión y aplicación social”. La tesis de partida es que existe –en palabras de FSV- la necesidad “de desarrollar educativamente los conocimientos y modelos socioinfotecnoculturales para nutrir una actitud en principio favorable a los progresos infotecnológicos, pero encauzada por una mentalidad “abierta, positiva, crítica, activa y responsable” y orientar con la mayor profundidad posible a los infoprofesionales y, en un grado razonable, a los infociudadanos hacia usos positivos desde puntos de vista humanos y sociales”. Justificar, documentar y caracterizar esa necesidad latente –y en muchos aspectos patente en el actual escenario educativo- será parte importante del trabajo; así como elaborar los elementos necesarios que ofrezcan coherencia y consistencia suficientes al marco conceptual de esa nueva “socioinfotecnocultura” que en la formulación adoptada aquí será el marco tecnocultural básico de una SocioTecnología de la Información y Cultura (STIC), debiendo integrar esos elementos en el proceso educativo de enseñanza-aprendizaje de tal manera que puedan ser objeto de diseño y experimentación, particularizándolo sobre los infoprofesionales en primera instancia, aunque dentro de un proyecto amplio para el desarrollo y promoción social de una STIC. Mi planteamiento aquí, si bien incorpora elementos y modelos considerados previamente en algunos de mis trabajos de análisis, investigación, experimentación y diseminación realizados a lo largo del periodo de formación –modelos de intervención desarrollados en el proyecto iCamp, ampliamente documentados en (Fiedler, 2006) o (Fiedler y Kieslinger, 2007) y comentados en el capítulo 4-, en gran parte, por simple coherencia, estará constituido por elementos propios y/o adaptados de FSV que constituirán el marco tecnocultural de una teoría general de la STIC, que está en la base de este planteamiento. La asimilación en términos educativos de ese marco tecnocultural supondrá un esfuerzo considerable de reingeniería y se apoyará en el circuito cognitivo individual ampliado de “información-esfuerzo-conocimiento-esfuerzo-acción” que se recoge en el Prontuario (figura 34) y que parte de (Sáez Vacas, 1991a). La mejor forma de visualizar la formulación de ese proceso educativo es ponerlo en los términos del modelo OITP (Organización, Individuos, Tecnologías y Procesos) tal y como se ilustra en el Prontuario (figura 25) y que se puede encontrar descrito brevemente por su autor en (Sáez Vacas, 1995), de la misma forma que se planteaba la experiencia INTL 2.0 en (Sáez Vacas, Fumero et al., 2007) y que es objeto de análisis en el capítulo 5. En este caso, el plano que atraviesa el Proceso (educativo) será el marco tecnocultural de nuestra STIC; la Organización será, en genérico, el ámbito institucional de la Educación Superior y, en concreto, el dedicado a la formación de los infoprofesionales –entendidos en el sentido amplio que se planteaba en (Sáez Vacas, 1983b)-, que serán los Individuos, la componente (I) del modelo OITP. Este trabajo de tesis doctoral es uno de los resultados del proyecto de investigación propuesto y comprometido con esos objetivos, que se presenta aquí como un “proyecto tecnocultural” más amplio (véase el epígrafe homónimo en el capítulo 1). Un resultado singular, por lo que representa en el proceso de formación y acreditación del investigador que lo suscribe. En este sentido, este trabajo constituye, por un lado, la base de un elemento divulgativo que se sumará a los esfuerzos de I+D+i+d (véase textículo 3), recogidos en parte como resultados de la investigación; mientras que, por el otro lado, incorpora elementos metodológicos teóricos originales que contribuyen al objetivo genérico planteado en la propuesta de tesis, además de constituir una parte importante de los procesos de instrumentalización, recogidos en parte en los objetivos específicos de la propuesta, que en este entregable formarán parte de líneas futuras de trabajo, que se presentan en el capítulo 6 de conclusiones y discusión de resultados. Dentro de esos elementos metodológicos, teóricos, resulta especialmente relevante –en términos de los objetivos planteados originalmente-, la simplificación instrumental de las aportaciones teóricas previas, que han sido fruto del esfuerzo de análisis sistemático e implementación de diferentes intervenciones en el ámbito educativo, que se centran específicamente en el proyecto iCamp (véase en el capítulo 4) y la experiencia INTL 2.0 (véase en el capítulo 5, junto a otras experiencias instrumentales en la UPM). Esa simplificación, como elaboración teórica y proceso de modelización, se realiza extrayendo elementos de la validación teórica y experimental, que de alguna forma proporcionan los casos de estudio (capítulos 4 y 5), para incorporarlos como argumentos en la consolidación de un enfoque tecnocultural que está en la base de la construcción de una SocioTecnología de la Información y Cultura (STIC) consistente, basada en el sistemismo aplicado en diferentes situaciones de complejidad y que requerirán de una inter/multidisciplinariedad que vaya más allá de la simple “yuxtaposición” de especialidades que conocemos en nuestra actual Universidad (me refiero, con mayúscula, a la institución universitaria en toda su extensión). Esa será la base para el diseño y la construcción de experiencias educativas, basadas en el generalismo sistémico, para infoprofesionales (véase en el capítulo 1) en particular e infociudadanos en general, que nos permitirán “cimentar, con suficientes garantías, un cierto nivel de humanismo en el proceso de construcción de una sociedad de la información y del conocimiento”. En el caso de iCamp pudimos experimentar, desde un enfoque (véase en el capítulo 4) basado en diseño (Design-based Research, DbR), con tres elementos que se pueden trasladar fácilmente al concepto de competencias –o incluso en su implementación funcional, como habilidades o capacidades instrumentales percibidas, léase ‘affordances’- y que introducen tres niveles de complejidad asociados (véase, en el Prontuario, el modelo de tres niveles de complejidad), a saber el aprendizaje auto-dirigido (complejidad individual), la colaboración (complejidad sistémica) y la construcción de una red de aprendizaje (complejidad sociotécnica). Esa experimentación nos llevó a evolucionar el propio concepto de entorno personal de aprendizaje (PLE, Personal Learning Environment), partiendo de su concepción originalmente tecnológica e instrumental, para llegar a una concepción más amplia y versátil desde el punto de vista de la intervención, basada en una visión “ecológica” de los sistemas abiertos de aprendizaje (véase en el capítulo 3). En el caso de las experiencias en la UPM (capítulo 5), el caso singular de INTL 2.0 nos muestra cómo el diseño basado en la sistémica aplicada a problemas (léase situaciones de complejidad específicas) no estructurados, como los procesos de enseñanza-aprendizaje, dan lugar a intervenciones coherentes con esa visión ecológica basada en la teoría de la actividad y con los elementos comunes de la psicología educativa moderna, que parte del constructivismo social de L. Vygotsky (1978). La contraposición de ese caso con otras realizaciones, centradas en la configuración instrumental de experiencias basadas en la “instrucción” o educación formal, debe llevarnos al rediseño –o al menos a la reformulación- de ciertos componentes ya consolidados en ese tipo de formación “institucionalizada” (véase en el capítulo 5), como pueden ser el propio curso, unidad académica de programación incuestionable, los procedimientos de acreditación, certificación y evaluación, ligados a esa planificación temporal de “entrega” de contenidos y la conceptualización misma del “aula” virtual como espacio para el intercambio en la Red y fuera de ella. Todas esas observaciones (empíricas) y argumentaciones (teóricas) que derivan de la situación de complejidad específica que aquí nos ocupa sirven, a la postre –tal y como requiere el objetivo declarado de este trabajo de investigación- para ir “sedimentando” unas bases sólidas de una teoría general de la SocioTecnología de la Información y Cultura (STIC) que formen parte de un marco tecnocultural más amplio que, a su vez, servirá de guía para su aplicación en otras situaciones de complejidad, en ámbitos distintos. En este sentido, aceptando como parte de ese marco tecnocultural las características de convivencialidad y cotidianeidad (véase, en el Prontuario el epígrafe “Tecnologías para la VIda Cotidiana, TVIC”) de una “infotecnología-uso” (modelo de las cinco subculturas infotecnológicas, también recogido en el Prontuario), consideraremos como aportaciones relevantes (véase capítulo 2): 1) la argumentación sociotécnica del proceso de popularización de la retórica informática del cambio de versión, de la que deriva el fenómeno de la Web 2.0; 2) el papel estelar del móvil inteligente y su capacidad para transformar las capacidades percibidas para la acción dentro del Nuevo Entorno Tecnosocial (NET), especialmente en la situación de complejidad que nos ocupa, que ya desarrollaran Rodríguez Sánchez, Sáez Vacas y García Hervás (2010) dentro del mismo marco teórico que caracterizamos aquí como enfoque STIC; 3) y la existencia de una cierta “inteligencia tecnosocial”, que ya conjeturara FSV en (Sáez Vacas, 2011d) y que cobra cada vez más relevancia por cuanto que resulta coherente con otros modelos consolidados, como el de las inteligencias múltiples de Gardner (2000), así como con las observaciones realizadas por otros autores en relación con la aparición de nuevos alfabetismos que conformarían “una nueva generación de inteligencia” (Fumero y Espiritusanto, 2011). En rigor, el método científico –entiéndase este trabajo como parte de un proceso de investigación tecnocientífica- implica el desarrollo de una componente dialéctica asociada a la presentación de resultados; aunque, evidentemente, la misma se apoya en una actitud crítica para la discusión de los resultados aportados, que debe partir, necesariamente, como condición sine qua non de un profundo escepticismo debidamente informado. Es ese el espíritu con el que se ha afrontado la redacción de este documento, que incluye, en el capítulo 6, una serie de argumentos específicamente destinados a plantear esa discusión de resultados a partir de estas aportaciones que he vertido sintéticamente en este resumen, que no persigue otra cosa que motivar al lector para adentrarse en la lectura de este texto al completo, tarea que requiere de un esfuerzo personal dirigido (véase el epígrafe “Cómo leer este texto” en el índice) que contará con elementos de apoyo, tanto hipertextuales (Fumero, 2012a y 2012b) como textuales, formando parte del contenido de este documento entregable de tesis doctoral (véase el Prontuario, o el Texticulario).

Optimization of the Integrated Guidance and Control for a Dual Aerodynamic Control Missile

Las futuras misiones para misiles aire-aire operando dentro de la atmósfera requieren la interceptación de blancos a mayores velocidades y más maniobrables, incluyendo los esperados vehículos aéreos de combate no tripulados. La intercepción tiene que lograrse desde cualquier ángulo de lanzamiento. Una de las principales discusiones en la tecnología de misiles en la actualidad es cómo satisfacer estos nuevos requisitos incrementando la capacidad de maniobra del misil y en paralelo, a través de mejoras en los métodos de guiado y control modernos. Esta Tesis aborda estos dos objetivos simultáneamente, al proponer un diseño integrando el guiado y el control de vuelo (autopiloto) y aplicarlo a misiles con control aerodinámico simultáneo en canard y cola. Un primer avance de los resultados obtenidos ha sido publicado recientemente en el Journal of Aerospace Engineering, en Abril de 2015, [Ibarrondo y Sanz-Aranguez, 2015]. El valor del diseño integrado obtenido es que permite al misil cumplir con los requisitos operacionales mencionados empleando únicamente control aerodinámico. El diseño propuesto se compara favorablemente con esquemas más tradicionales, consiguiendo menores distancias de paso al blanco y necesitando de menores esfuerzos de control incluso en presencia de ruidos. En esta Tesis se demostrará cómo la introducción del doble mando, donde tanto el canard como las aletas de cola son móviles, puede mejorar las actuaciones de un misil existente. Comparado con un misil con control en cola, el doble control requiere sólo introducir dos servos adicionales para accionar los canards también en guiñada y cabeceo. La sección de cola será responsable de controlar el misil en balanceo mediante deflexiones diferenciales de los controles. En el caso del doble mando, la complicación añadida es que los vórtices desprendidos de los canards se propagan corriente abajo y pueden incidir sobre las superficies de cola, alterando sus características de control. Como un primer aporte, se ha desarrollado un modelo analítico completo para la aerodinámica no lineal de un misil con doble control, incluyendo la caracterización de este efecto de acoplamiento aerodinámico. Hay dos modos de funcionamiento en picado y guiñada para un misil de doble mando: ”desviación” y ”opuesto”. En modo ”desviación”, los controles actúan en la misma dirección, generando un cambio inmediato en la sustentación y produciendo un movimiento de translación en el misil. La respuesta es rápida, pero en el modo ”desviación” los misiles con doble control pueden tener dificultades para alcanzar grandes ángulos de ataque y altas aceleraciones laterales. Cuando los controles actúan en direcciones opuestas, el misil rota y el ángulo de ataque del fuselaje se incrementa para generar mayores aceleraciones en estado estacionario, aunque el tiempo de respuesta es mayor. Con el modelo aerodinámico completo, es posible obtener una parametrización dependiente de los estados de la dinámica de corto periodo del misil. Debido al efecto de acoplamiento entre los controles, la respuesta en bucle abierto no depende linealmente de los controles. El autopiloto se optimiza para obtener la maniobra requerida por la ley de guiado sin exceder ninguno de los límites aerodinámicos o mecánicos del misil. Una segunda contribución de la tesis es el desarrollo de un autopiloto con múltiples entradas de control y que integra la aerodinámica no lineal, controlando los tres canales de picado, guiñada y cabeceo de forma simultánea. Las ganancias del autopiloto dependen de los estados del misil y se calculan a cada paso de integración mediante la resolución de una ecuación de Riccati de orden 21x21. Las ganancias obtenidas son sub-óptimas, debido a que una solución completa de la ecuación de Hamilton-Jacobi-Bellman no puede obtenerse de manera práctica, y se asumen ciertas simplificaciones. Se incorpora asimismo un mecanismo que permite acelerar la respuesta en caso necesario. Como parte del autopiloto, se define una estrategia para repartir el esfuerzo de control entre el canard y la cola. Esto se consigue mediante un controlador aumentado situado antes del bucle de optimización, que minimiza el esfuerzo total de control para maniobrar. Esta ley de alimentación directa mantiene al misil cerca de sus condiciones de equilibrio, garantizando una respuesta transitoria adecuada. El controlador no lineal elimina la respuesta de fase no-mínima característica de la cola. En esta Tesis se consideran dos diseños para el guiado y control, el control en Doble-Lazo y el control Integrado. En la aproximación de Doble-Lazo, el autopiloto se sitúa dentro de un bucle interior y se diseña independientemente del guiado, que conforma el bucle más exterior del control. Esta estructura asume que existe separación espectral entre los dos, esto es, que los tiempos de respuesta del autopiloto son mucho mayores que los tiempos característicos del guiado. En el estudio se combina el autopiloto desarrollado con una ley de guiado óptimo. Los resultados obtenidos demuestran que se consiguen aumentos muy importantes en las actuaciones frente a misiles con control canard o control en cola, y que la interceptación, cuando se lanza cerca del curso de colisión, se consigue desde cualquier ángulo alrededor del blanco. Para el misil de doble mando, la estrategia óptima resulta en utilizar el modo de control opuesto en la aproximación al blanco y utilizar el modo de desviación justo antes del impacto. Sin embargo la lógica de doble bucle no consigue el impacto cuando hay desviaciones importantes con respecto al curso de colisión. Una de las razones es que parte de la demanda de guiado se pierde, ya que el misil solo es capaz de modificar su aceleración lateral, y no tiene control sobre su aceleración axial, a no ser que incorpore un motor de empuje regulable. La hipótesis de separación mencionada, y que constituye la base del Doble-Bucle, puede no ser aplicable cuando la dinámica del misil es muy alta en las proximidades del blanco. Si se combinan el guiado y el autopiloto en un único bucle, la información de los estados del misil está disponible para el cálculo de la ley de guiado, y puede calcularse la estrategia optima de guiado considerando las capacidades y la actitud del misil. Una tercera contribución de la Tesis es la resolución de este segundo diseño, la integración no lineal del guiado y del autopiloto (IGA) para el misil de doble control. Aproximaciones anteriores en la literatura han planteado este sistema en ejes cuerpo, resultando en un sistema muy inestable debido al bajo amortiguamiento del misil en cabeceo y guiñada. Las simplificaciones que se tomaron también causan que el misil se deslice alrededor del blanco y no consiga la intercepción. En nuestra aproximación el problema se plantea en ejes inerciales y se recurre a la dinámica de los cuaterniones, eliminado estos inconvenientes. No se limita a la dinámica de corto periodo del misil, porque se construye incluyendo de modo explícito la velocidad dentro del bucle de optimización. La formulación resultante en el IGA es independiente de la maniobra del blanco, que sin embargo se ha de incluir en el cálculo del modelo en Doble-bucle. Un típico inconveniente de los sistemas integrados con controlador proporcional, es el problema de las escalas. Los errores de guiado dominan sobre los errores de posición del misil y saturan el controlador, provocando la pérdida del misil. Este problema se ha tratado aquí con un controlador aumentado previo al bucle de optimización, que define un estado de equilibrio local para el sistema integrado, que pasa a actuar como un regulador. Los criterios de actuaciones para el IGA son los mismos que para el sistema de Doble-Bucle. Sin embargo el problema matemático resultante es muy complejo. El problema óptimo para tiempo finito resulta en una ecuación diferencial de Riccati con condiciones terminales, que no puede resolverse. Mediante un cambio de variable y la introducción de una matriz de transición, este problema se transforma en una ecuación diferencial de Lyapunov que puede resolverse mediante métodos numéricos. La solución resultante solo es aplicable en un entorno cercano del blanco. Cuando la distancia entre misil y blanco es mayor, se desarrolla una solución aproximada basada en la solución de una ecuación algebraica de Riccati para cada paso de integración. Los resultados que se han obtenido demuestran, a través de análisis numéricos en distintos escenarios, que la solución integrada es mejor que el sistema de Doble-Bucle. Las trayectorias resultantes son muy distintas. El IGA preserva el guiado del misil y consigue maximizar el uso de la propulsión, consiguiendo la interceptación del blanco en menores tiempos de vuelo. El sistema es capaz de lograr el impacto donde el Doble-Bucle falla, y además requiere un orden menos de magnitud en la cantidad de cálculos necesarios. El efecto de los ruidos radar, datos discretos y errores del radomo se investigan. El IGA es más robusto, resultando menos afectado por perturbaciones que el Doble- Bucle, especialmente porque el núcleo de optimización en el IGA es independiente de la maniobra del blanco. La estimación de la maniobra del blanco es siempre imprecisa y contaminada por ruido, y degrada la precisión de la solución de Doble-Bucle. Finalmente, como una cuarta contribución, se demuestra que el misil con guiado IGA es capaz de realizar una maniobra de defensa contra un blanco que ataque por su cola, sólo con control aerodinámico. Las trayectorias estudiadas consideran una fase pre-programada de alta velocidad de giro, manteniendo siempre el misil dentro de su envuelta de vuelo. Este procedimiento no necesita recurrir a soluciones técnicamente más complejas como el control vectorial del empuje o control por chorro para ejecutar esta maniobra. En todas las demostraciones matemáticas se utiliza el producto de Kronecker como una herramienta practica para manejar las parametrizaciones dependientes de variables, que resultan en matrices de grandes dimensiones. ABSTRACT Future missions for air to air endo-atmospheric missiles require the interception of targets with higher speeds and more maneuverable, including forthcoming unmanned supersonic combat vehicles. The interception will need to be achieved from any angle and off-boresight launch conditions. One of the most significant discussions in missile technology today is how to satisfy these new operational requirements by increasing missile maneuvering capabilities and in parallel, through the development of more advanced guidance and control methods. This Thesis addresses these two objectives by proposing a novel optimal integrated guidance and autopilot design scheme, applicable to more maneuverable missiles with forward and rearward aerodynamic controls. A first insight of these results have been recently published in the Journal of Aerospace Engineering in April 2015, [Ibarrondo and Sanz-Aránguez, 2015]. The value of this integrated solution is that it allows the missile to comply with the aforementioned requirements only by applying aerodynamic control. The proposed design is compared against more traditional guidance and control approaches with positive results, achieving reduced control efforts and lower miss distances with the integrated logic even in the presence of noises. In this Thesis it will be demonstrated how the dual control missile, where canard and tail fins are both movable, can enhance the capabilities of an existing missile airframe. Compared to a tail missile, dual control only requires two additional servos to actuate the canards in pitch and yaw. The tail section will be responsible to maintain the missile stabilized in roll, like in a classic tail missile. The additional complexity is that the vortices shed from the canard propagate downstream where they interact with the tail surfaces, altering the tail expected control characteristics. These aerodynamic phenomena must be properly described, as a preliminary step, with high enough precision for advanced guidance and control studies. As a first contribution we have developed a full analytical model of the nonlinear aerodynamics of a missile with dual control, including the characterization of this cross-control coupling effect. This development has been produced from a theoretical model validated with reliable practical data obtained from wind tunnel experiments available in the scientific literature, complement with computer fluid dynamics and semi-experimental methods. There are two modes of operating a missile with forward and rear controls, ”divert” and ”opposite” modes. In divert mode, controls are deflected in the same direction, generating an increment in direct lift and missile translation. Response is fast, but in this mode, dual control missiles may have difficulties in achieving large angles of attack and high level of lateral accelerations. When controls are deflected in opposite directions (opposite mode) the missile airframe rotates and the body angle of attack is increased to generate greater accelerations in steady-state, although the response time is larger. With the aero-model, a state dependent parametrization of the dual control missile short term dynamics can be obtained. Due to the cross-coupling effect, the open loop dynamics for the dual control missile is not linearly dependent of the fin positions. The short term missile dynamics are blended with the servo system to obtain an extended autopilot model, where the response is linear with the control fins turning rates, that will be the control variables. The flight control loop is optimized to achieve the maneuver required by the guidance law without exceeding any of the missile aerodynamic or mechanical limitations. The specific aero-limitations and relevant performance indicators for the dual control are set as part of the analysis. A second contribution of this Thesis is the development of a step-tracking multi-input autopilot that integrates non-linear aerodynamics. The designed dual control missile autopilot is a full three dimensional autopilot, where roll, pitch and yaw are integrated, calculating command inputs simultaneously. The autopilot control gains are state dependent, and calculated at each integration step solving a matrix Riccati equation of order 21x21. The resulting gains are sub-optimal as a full solution for the Hamilton-Jacobi-Bellman equation cannot be resolved in practical terms and some simplifications are taken. Acceleration mechanisms with an λ-shift is incorporated in the design. As part of the autopilot, a strategy is defined for proper allocation of control effort between canard and tail channels. This is achieved with an augmented feed forward controller that minimizes the total control effort of the missile to maneuver. The feedforward law also maintains the missile near trim conditions, obtaining a well manner response of the missile. The nonlinear controller proves to eliminate the non-minimum phase effect of the tail. Two guidance and control designs have been considered in this Thesis: the Two- Loop and the Integrated approaches. In the Two-Loop approach, the autopilot is placed in an inner loop and designed separately from an outer guidance loop. This structure assumes that spectral separation holds, meaning that the autopilot response times are much higher than the guidance command updates. The developed nonlinear autopilot is linked in the study to an optimal guidance law. Simulations are carried on launching close to collision course against supersonic and highly maneuver targets. Results demonstrate a large boost in performance provided by the dual control versus more traditional canard and tail missiles, where interception with the dual control close to collision course is achieved form 365deg all around the target. It is shown that for the dual control missile the optimal flight strategy results in using opposite control in its approach to target and quick corrections with divert just before impact. However the Two-Loop logic fails to achieve target interception when there are large deviations initially from collision course. One of the reasons is that part of the guidance command is not followed, because the missile is not able to control its axial acceleration without a throttleable engine. Also the separation hypothesis may not be applicable for a high dynamic vehicle like a dual control missile approaching a maneuvering target. If the guidance and autopilot are combined into a single loop, the guidance law will have information of the missile states and could calculate the most optimal approach to the target considering the actual capabilities and attitude of the missile. A third contribution of this Thesis is the resolution of the mentioned second design, the non-linear integrated guidance and autopilot (IGA) problem for the dual control missile. Previous approaches in the literature have posed the problem in body axes, resulting in high unstable behavior due to the low damping of the missile, and have also caused the missile to slide around the target and not actually hitting it. The IGA system is posed here in inertial axes and quaternion dynamics, eliminating these inconveniences. It is not restricted to the missile short term dynamic, and we have explicitly included the missile speed as a state variable. The IGA formulation is also independent of the target maneuver model that is explicitly included in the Two-loop optimal guidance law model. A typical problem of the integrated systems with a proportional control law is the problem of scales. The guidance errors are larger than missile state errors during most of the flight and result in high gains, control saturation and loss of control. It has been addressed here with an integrated feedforward controller that defines a local equilibrium state at each flight point and the controller acts as a regulator to minimize the IGA states excursions versus the defined feedforward state. The performance criteria for the IGA are the same as in the Two-Loop case. However the resulting optimization problem is mathematically very complex. The optimal problem in a finite-time horizon results in an irresoluble state dependent differential Riccati equation with terminal conditions. With a change of variable and the introduction of a transition matrix, the equation is transformed into a time differential Lyapunov equation that can be solved with known numerical methods in real time. This solution results range limited, and applicable when the missile is in a close neighborhood of the target. For larger ranges, an approximate solution is used, obtained from solution of an algebraic matrix Riccati equation at each integration step. The results obtained show, by mean of several comparative numerical tests in diverse homing scenarios, than the integrated approach is a better solution that the Two- Loop scheme. Trajectories obtained are very different in the two cases. The IGA fully preserves the guidance command and it is able to maximize the utilization of the missile propulsion system, achieving interception with lower miss distances and in lower flight times. The IGA can achieve interception against off-boresight targets where the Two- Loop was not able to success. As an additional advantage, the IGA also requires one order of magnitude less calculations than the Two-Loop solution. The effects of radar noises, discrete radar data and radome errors are investigated. IGA solution is robust, and less affected by radar than the Two-Loop, especially because the target maneuvers are not part of the IGA core optimization loop. Estimation of target acceleration is always imprecise and noisy and degrade the performance of the two-Loop solution. The IGA trajectories are such that minimize the impact of radome errors in the guidance loop. Finally, as a fourth contribution, it is demonstrated that the missile with IGA guidance is capable of performing a defense against attacks from its rear hemisphere, as a tail attack, only with aerodynamic control. The studied trajectories have a preprogrammed high rate turn maneuver, maintaining the missile within its controllable envelope. This solution does not recur to more complex features in service today, like vector control of the missile thrust or side thrusters. In all the mathematical treatments and demonstrations, the Kronecker product has been introduced as a practical tool to handle the state dependent parametrizations that have resulted in very high order matrix equations.

Gestión de dispositivos integrados en una Arquitectura de la Red de las Cosas

La Arquitectura de la Red de las Cosas (IoT) hace referencia a una red de objetos cotidianos interconectados digitalmente. Gracias a IoT, no sólo podemos almacenar, analizar e intercambiar información y datos con dichos objetos, sino que además ellos pueden tener la capacidad de interactuar entre ellos de forma autónoma. Para ellos, los objetos cotidianos disponen de actuadores y sensores que permiten modificar su comportamiento y conocer su estado y propiedades, respectivamente. La gestión de IoT combina todas las funcionalidades necesarias para coordinar un sistema con una Arquitectura de la Red de las Cosas. Una buena gestión del sistema puede reducir costes, mejorar la asistencia a problemas de uso inesperado, corregir fallos y permitir la escalabilidad del sistema permitiéndole la incorporación de nuevos módulos y funcionalidades. En este Proyecto Fin de Grado se realizará primero un análisis de los aspectos de IoT relacionados con la gestión de dispositivos integrados en la Arquitectura de la Red de las Cosas. Después se procederá a realizar la especificación y el diseño de plataforma de gestión. Y finalmente se desarrollarán un caso de uso que permita validar algunos elementos de la plataforma diseñada. Se realizarán distintas pruebas para comprobar una correcta gestión de los dispositivos como el correcto funcionamiento del diseño previamente establecido, por medio, entre otras, de las siguientes operaciones: listar los elementos conectados, posibilidad de obtener y/o modificar dichos elementos (su configuración y su estado) o presentar informes y comprobar el estado en el que se encuentran los dispositivos: operativos o no operativos. De tal forma, en esta memoria se plasma como se ha desarrollado la gestión de dispositivos integrados en un sistema con Arquitectura de la Red de las Cosas utilizando tanto plataformas Intel Galileo como Arduino. ABSTRACT. The Architecture of the Internet of Things (IoT) refers to a network of digitally interconnected everyday objects. With IoT, not only we can store, analyze and exchange information and data with objects, but they can also autonomously interact among them. To accomplish that, the everyday objects are made of actuators and sensors that let us act on their behavior and know their state and properties, respectively. Management of IoT combines all the functionalities needed for coordinating a system with an Architecture of the Internet of Things. A good management system can reduce faults, improve assistance to reduce unexpected problems, correct errors and allow the scalability of the system, allowing the addition of new modules and functionalities. In this Degree Final Project, an analysis about aspects of IoT related to the management of devices integrated into the Architecture of the Internet of things is carried out first. Then, the specification and the design of the management platform is made. Finally, a use case will be developed to validate some elements of the designed platform. Several tests will be run to check the correct management of the devices such as the proper functioning of the design previously established, requesting, among others, the following set of operations: list the connected elements, possibility to obtain or modify these elements (their configuration and their state) or reporting and checking which devices are operating or non-operating. So, in this memory it is explained how it has been carried out the management of devices integrated in a system with an Architecture of the Internet of Things (IoT), based on the Intel Galileo and Arduino platforms.