Diseño, construcción y control de un robot doméstico para asistencia y entrenamiento de la movilidad

Esta tesis presenta el diseño conceptual, el análisis y la planificación de movimientos de un robot de asistencia domestica. El objetivo de este robot es ayudar a personas con problemas de movilidad, las cuales les impiden tener una vida independiente. Se realiza una investigación para identificar las principales necesidades de ayuda técnica y una revisión del estado del arte de robots de asistencia y rehabilitación. Esta información es empleada durante el proceso del diseño conceptual para establecer los objetivos del diseño identificar y las soluciones previamente propuestas. Posteriormente, se presenta la propuesta de un robot asistente para la marcha y el levantado de la posición de sentado, cuyo diseño permite al usuario realizar sus actividades de la vida diaria. Para evaluar diversos aspectos del concepto se desarrollo un prototipo a escala. Este prototipo fue útil para establecer la arquitectura de control del robot y probar el principio de funcionamiento de diversos elementos del concepto. Se propone la manera de controlar la ejecución de tareas y de navegación del robot, se simula y se analiza a través de las redes de Petri, se implementa y se prueba en el prototipo a escala. Se desarrollo el modelado dinámico y cinemático del robot. Se propone una relación entre la cinemática del movimiento de levantado normal de una persona y la cinemática del robot para generar las trayectorias a ejecutar por los actuadores. Mediante una herramienta de simulación se realizo un estudio de las fuerzas internas que se llevan a cabo en el usuario y en el robot durante la tarea de levantado. En este punto, se analizo la capacidad del robot para minimizar la fuerza que se ejerce en las articulaciones en la persona.

Casa Huarte: José Antonio Corrales y Ramón Vázquez Molezún. El concepto de lo experimental en el ámbito doméstico

Se plantea aquí el estudio de la Casa Huarte (1966) como un experimento doméstico -así lo concibió el matrimonio Huarte desde la libertad de acción y la entrega al talento de los arquitectos- que sintetizó los principios de los proyectos de la primera etapa de la obra de José Antonio Corrales (1921-2010) y Ramón Vázquez Molezún (1922-1993): paisaje construido, topografía modificada, basamento pesado y arraigado, cubierta ligera flotante y abstracción compositiva. La considerada vivienda experimental del siglo XX estaba asociada a estructuras familiares reducidas, como mucho formadas por un matrimonio con dos hijos. La Casa Huarte, sin embargo, pertenece a un grupo no reconocido de viviendas experimentales de gran formato, que aportaban -en entornos de vida socio-familiar no convencionales- una complejidad funcional, espacial y de relaciones interpersonales que la vivienda mínima no tenía. La Casa Huarte supuso un punto de inflexión en la carrera de Corrales y Molezún, culminando una primera etapa donde se concentraron sus obras más destacadas: Instituto en Herrera de Pisuerga (1956), Residencia de Miraflores (1958) y Pabellón de Bruselas, en sus versiones belga (1958) y española (1959). El proyecto de la Casa Huarte adelantó estrategias que aplicarían en proyectos posteriores -dinamismo del plano horizontal, visuales diagonales, entrada tangencial- y culminó la evolución de un tipo de vivienda que Corrales y Molezún comenzaron a investigar diez años antes. Entre 1956 y 1961 proyectaron cuatro viviendas (Casa Remírez Escudero, Casa Álvarez Mon, Casa Gómez Acebo y Casa Cela) que anticiparon soluciones y situaciones presentes y perfeccionadas en la Casa Huarte. Corrales aseguraba que si la vida es contradictoria la arquitectura también debería serlo. La Casa Huarte es compleja y contradictoria funcional y espacialmente, homogeneizada por una imagen exterior rotunda y atractiva de juegos de volúmenes maclados. El proyecto se muestra así de contundente detrás de habilidosas maniobras tectónicas que ocultan las muchas complejidades y contradicciones aparentemente inapreciables. Estas maniobras confunden la imagen que de la casa se tiene. Debajo de su manto cerámico de reminiscencias vernáculas - híbrido de casa castellana y arquitectura nórdica- se esconde una obra de arquitectura avanzada tecnológicamente. La tesis se desarrolla en cuatro apartados denominados procesos, por lo que tienen de secuencia en el desarrollo de la investigación. Estos procesos son: proceso descriptivo, proceso analítico, proceso interpretativo y proceso poético. Después del necesario e introductorio proceso descriptivo, el cuerpo central de la tesis -que contiene los procesos analítico, interpretativo y poético- sigue un guión marcado por la defensa de la categoría experimental de la Casa Huarte. Se han tratado los conceptos más característicos de la vivienda, desde los más generales a los más específicos divididos en cuatro grupos: Composición, volumen y espacio; El patio como lugar; El jardín: horizonte construido; Domesticidad del mundo interior; y Euritmia: materia y espíritu Molezún aseguraba que para entender una obra de arquitectura había que dibujarla. La Casa Huarte ha sido redibujada en sus tres etapas fundamentales: el proyecto de ejecución (marzo 1965), la casa acabada (noviembre 1966) y el estado actual (2012). El estudio y análisis se centra en la casa construida, por ser la realidad tridimensional en que el proyecto se nos manifiesta. La documentación gráfica del estado actual de la vivienda es inédita y ha sido posible gracias a múltiples inspecciones de la Casa Huarte en visitas facilitadas por las hijas de Jesús Huarte, actuales propietarias de la vivienda. Esta documentación nos permite constatar las alteraciones sobre la obra construida y conocer que modificaciones serían necesarias para recuperar el estado original de la casa. La Casa Huarte es una obra singular, una de las cinco viviendas unifamiliares pertenecientes a la Arquitectura del Movimiento Moderno en España y Portugal de mayor interés registrada por el Docomomo Internacional. Su futuro es incierto, se encuentra deshabitada y en venta. La familia Huarte ha cumplido con creces la misión de conservar su patrimonio. Es pertinente reivindicar su vigencia como obra de referencia de la arquitectura española del siglo XX, y, de esa manera, evitar que caiga en el olvido y el abandono. ABSTRACT The Huarte House (1966) will be analysed as a domestic experiment – that is how the Huarte’s conceived it, putting their faith in the architects – that synthesized the principles from the projects of the first phase of the work of Jose Antonio Corrales (1921-2010) and Ramón Vázquez Molezún (1922-1993): built landscape, modified topography, heavy and rooted base, light, floating roof and abstraction in composition. The experimental house of the 20th century was associated with small nuclear families of at the most a couple and two children. The Huarte House belongs to a group of non-recognised experimental houses of a larger size -and more unconventional familial settings- that lent themselves to greater functional, spatial and interpersonal complexity than their smaller counterparts. The Huarte House represented a turning point in the careers of Corrales and Molezún, capping a first phase that includes their most prominent work: the Institute at Herrera de Pisuerga (1965), the Residence at Miraflores (1958) and the Brussels Pavilion, in its Belgian (1958) and Spanish (1959) version. The project for the Huarte house anticipated strategies which they would apply to later projects: dynamism of the horizontal plane, diagonal visuals, and tangential entrances. It was also the culmination of the evolution of a type of house that Corrales and Molezún had started to investigate ten years earlier. Between 1956 and 1961 they designed four houses (Ramírez Escudero House, Álvarez Mon House, Gómez Acebo House and Cela House) that anticipated the solutions applied and perfected in the Huarte House. Corrales believed that if life was contradictory architecture should be so too. The Huarte House is complex and contradictory. Corrales and Molezún homogenised the project under a bold and attractive image of intersecting volumes. The project appears emphatic thanks to skilful tectonic manoeuvres that conceal the many complexities and contradictions so that they become imperceptible. These manoeuvres confound the image of the house. Under its ceramic blanket of vernacular reminiscences (a mixture of Castilian house and Nordic architecture) lies a technologically advanced piece of architecture. The thesis is organised in four chapters named ‘processes’ in reference to their sequence in the development of the research. These processes are: descriptive process, analytic process, interpretative process and poetic process. After the necessary and introductory descriptive process, the main body of the thesis, which encompasses the analytical, interpretative and poetic processes, develops the argument for incorporating the Huarte House into the experimental category. The thesis addresses the characteristic concepts of a house, from the general to the more specific, divided in four groups: composition, volume and space; the patio: architecture and landscape; the garden: building the horizon and eurythmy: spirit and matter. Molezún was convinced that to get to know a work of architecture it was necessary to draw it. The Huarte House is redrawn in its three main phases: the executive project (march 1965), the finished house (november 1966) and its actual state (2012). The study and analysis centers on the built house, as the actual tri-dimensional manifestation of the project. The graphic documentation of the present state of the house has never been published before and has been made possible by numerous visits to the House facilitated by Jesus Huarte’s daughters who are the current owners. This documentation allows us to determine any alterations of the constructed work and derive the necessary modifications to bring the house back to its original state. The Huarte House is a unique work, one of five single family homes registered by the International Docomomo. Its future is uncertain. It is currently uninhabited and up for sale. The Huarte family has more than delivered on the mission to safeguard its patrimony. It is important to defend its place as a key work of Spanish architecture of the 20th century and so avoid it being forgotten and abandoned.

Del confort doméstico a la emulación social

Del confort doméstico a la emulación social

California pragmatista 1900-1960: proyecto doméstico como expresión y laboratorio del modo de vida

Esta tesis doctoral pretende desgranar una técnica de proyecto que la experiencia californiana ejemplifica y que puede ser descrita en términos pragmatistas. La arquitectura doméstica californiana fue la expresión tangible de una forma de ser y estar californiana pero también universal. El destinatario de esta arquitectura experimental y pragmática fue el individuo, tanto el gran mecenas como el liberal individualista de recursos moderados y aspiraciones infinitas; la gente corriente y, más tarde, la típica familia de clase media, fueron sin embargo el destinatario soñado en muchos ensayos de casa particular, frecuentemente en la casa del propio arquitecto. Arquitectos y clientes compartían el deseo común de un espacio doméstico involucrado en propiciar una vida sana, informal y hedonista, y en comunión con el aire, la naturaleza y el territorio, que satisficiera el espíritu independiente y emprendedor propio de una identidad libre y progresista. Participaron en ese sentido de la esperanza pragmatista de un futuro mejor, mediante la formulación de un modo de vida propio, moldeado por las distintas fuerzas motoras que definían el contexto. La principal de ellas fue la sensación de oportunidad: California se ofrecía como una tabula rasa con un clima paradisíaco; el paraíso soñado para generaciones sucesivas de recién llegados, que en la distancia con tradiciones preestablecidas en sus lugares de origen, encontraron el mayor estímulo para una actitud experimental que tomó el modo de vida como un material de proyecto para la formulación del espacio doméstico. Así, el proyecto doméstico californiano, fue un laboratorio cuyo trabajo mezclaba casos específicos con mitos e ilusiones, muchas veces cuestionadas; pero su interés reside en que puede ser, además de un referente estético y un icono visual, un ejemplo de una forma de proyectar que aborda el proyecto doméstico con talante indagador desde la receptividad al contexto físico, social y cultural; con capacidad para soñar y experimentar llevando los ideales a la práctica de los casos concretos; desde la atención al usuario, aunque sea anónimo; y usando un léxico llano, que devuelve toda la eficacia al vocabulario cotidiano. La experiencia californiana es por tanto, en este trabajo, sólo un ejemplo; un ejemplo paradigmático de una técnica de proyecto que puede ser de interés en otras circunstancias y contextos, y que concibe el espacio doméstico como la expresión, y también el laboratorio, del modo de vida. ABSTRACT This doctoral thesis aims to display a design’s technic that is exemplified by the Californian experience and can be described in pragmatic terms. The Californian domestic architecture was the tangible expression of a life style and way of being that was Californian but also universal. Home’s designed for the everyday experience attended the individual, both the rich sponsors of their own domestic design and the low income liberal individualists in search of an affordable but optimum home. But the dreamed target was ordinary people and the typical middle class family, as they represented the dream of a truly democratic society. Many domestic experiments for them took the form of particular cases, often in the house of the architect, which acted as a laboratory in search of general solutions. Architects and clients shared the common desire of a new domestic space, involved in promoting a healthy, casual and hedonistic lifestyle and in communion with the air, nature and territory, which satisfied the own independent and entrepreneurial spirit of a free and progressive identity. The way of life was therefore a design material, sensitive to the forces that shaped the region and its society through its domestic space. The main one was the feeling of opportunity: California offered itself as a tabula rasa with an exotic climate; the dreamed paradise for successive generations of newcomers who, in the distance with the pre-established traditions of their homelands, found the greatest incentive for an experimental attitude in which lifestyle was seen as project material to formulate the domestic space. Thus, the Californian domestic project can be more than an aesthetic reference and a visual icon; it is also an example of a design’s technic that approaches the domestic project with an inquisitive spirit sustained by these abilities: receptivity to the physical, social and cultural context; capacity to dream and to experiment, carrying ideals into practice; attention to the user, even when it’s anonymous; and use of a common lexicon that returns all the power to the everyday vocabulary. The Californian experience is therefore, in this dissertation, just an example; a paradigmatic example of a project technique that conceives domestic space as an expression, and also as a laboratory, of the way of life.

Biomasa ramoneable procedente de resalveos sobre tallares envejecidos de encina

Los tallares envejecidos de encina ocupan una gran superficie en España, y presentan graves problemas selvícolas, ecológicos y económicos cuya solución podría venir de la aplicación de resalveos de conversión. Dicho tratamiento provoca inevitablemente un rebrote que debe ser controlado, siendo el ganado silvestre o doméstico la principal herramienta para ello. En este trabajo se presentan los resultados obtenidos durante los tres años siguientes tras la aplicación de claras de distinto peso en un tallar envejecido de Guadalajara, en relación con la producción de brotes de suelo. A modo de ejemplo, para un 50% de área basimétrica extraída se producen los siguientes kg de materia seca/ha como media: 132,2 el primer año; 265,1 el segundo año; 437,9 el tercer año. También se ofrecen, para los dos primeros años tras las claras, valores relativos al porcentaje de peso seco de hojas sobre el peso seco total de brotes de suelo: 53,3 % y 60,6 %, respectivamente.

Depuración genética de poblaciones mediante marcadores diagnóstico

La pérdida de diversidad genética, que conlleva descensos en eficacia biológica y pérdida de adaptabilidad, suele considerarse un fenómeno a evitar. Sin embargo determinadas poblaciones requieren la preservación del fondo genético diferenciado de otros grupos: han de ser mantenidas en pureza. El motivo puede ser económico: razas que proporcionan productos de interés (como los cerdos ibéricos o bovinos de raza Reggiana; Dalvit et al., 2007) razas, como en perros, que no se cruzan por motivos estéticos (Parker et al., 2004), etc. También en especies o razas salvajes amenazadas por su equivalente doméstico tiene interés el mantenimiento de su base genética diferenciada (Rhymer y Simberloff 1996; Allendorf et al., 2001). Si tenemos una población de interés que se ha cruzado (bien por error o por mala gestión) con otra y queremos recuperar su fondo genético original, tendremos que llevar a cabo un proceso de desintrogresión. Por ejemplo, poblaciones que quieren recuperarse a través de un banco de semen requieren la utilización de hembras de otra población cuyo fondo genético habría de ser eliminado (Hall y Bradley 1995

La intimidad de la mirada: el habitar a través de "Las Moradas" de Santa Teresa

La tesis tiene por objeto analizar desde la disciplina arquitectónica la forma de habitar de Teresa de Ávila desvelando los vínculos que se establecen, a partir de la intimidad, entre interioridad y exterioridad a través de su forma de la mirada. Se tratará de reproducir su mirada a través de las huellas que nos han llegado hasta la contemporaneidad. En Santa Teresa se dan tres escalas de lo ?interior-íntimo? a través de las cuales realiza sus desplazamientos y en las que se organiza la tesis: los tres grados del adverbio ?dentro?: INTRA (adverbio ?dentro?) - INTERIOR (comparativo de superioridad ?más dentro que?) - INTIMUS (superlativo ?lo más adentro de todo?). Éstas, permiten realizar una investigación transversal que abarca desde la gran escala de la lógica de las fundaciones, hasta el espacio más íntimo del Castillo Interior pasando por los ?conventos itinerantes? utilizados en sus viajes, las ocupaciones y el reciclaje de antiguas casas para las nuevas fundaciones, o las celdas mínimas de sus nuevas fundaciones. INTRA (dentro) En el primer capítulo se realiza una aproximación a la mirada de Teresa de Jesús desde la forma de habitar en territorio: las andaduras. La lógica de los desplazamientos teresianos por el territorio viene definida por el tiempo monástico. Teresa de Ávila se desplazaba en sus viajes utilizando carros y coches en los que un habitar que nómada los transformaba en conventos itinerantes mediante un uso de los tiempos, los silencios y los objetos característicos del habitar monástico. Se realiza en primer lugar un análisis territorial de las andaduras que recorren los espacios más característicos de Castilla para posteriormente extraer el sentido del viaje como experiencia y su forma de la mirada ante el territorio. INTERIOR (más dentro que) En el segundo capítulo, ahondando en la interioridad, aparecen los conventos como espacios de lo doméstico y la celda como núcleo de lo interior. La lógica de las Fundaciones desvela una relación territorial de cada una de ellas. Esta red territorial, a modo de rizoma, permitía comunicaciones y conexiones intensas mientras que al mismo tiempo su situación dentro de las ciudades garantizaba lugares de silencio y desierto. Son espacios para el silencio a la vez que islas y archipiélagos interconectados. Posteriormente se analiza la celda como el espacio de la intimidad: la alcoba. Se trata de establecer las relaciones entre el espacio y el cuerpo en el habitar, la búsqueda de silencio y el movimiento hacia la interioridad a través del vacío de los espacios. INTIMUS (lo más adentro de todo) La investigación se introduce, por último en el espacio de la intimidad, lo más profundo del habitar. La metáfora es la forma de desvelar y transmitir ese paisaje interior. Se trata de un acto creativo en el que podemos acercamos a los objetos que se escapan de la experiencia cotidiana para sugerirlos sin la pretensión de agotar totalmente todo su significado. Desde este punto de vista, se estudian las distintas metáforas que expresan la experiencia mística de Teresa de Ávila. El castillo, la montaña, el jardín, el vacío, el corazón aparecen como lugares del habitar, como diferentes espacios o moradas de la intimidad. Teresa de Jesús, escribe no sólo para transmitir ese paisaje interior, sino también para examinarlo y comprenderlo a través de la razón mística o razón poética. Ésta vía de pensamiento se transforma de método de aprehensión de la realidad en actitud mística del ser y de la palabra. En Castillo Interior necesita del recorrido para narrar su experiencia de interioridad-intimidad.

La intimidad de la casa: el espacio individual en la arquitectura doméstica en el siglo XX

El espacio íntimo no está únicamente asociado al espacio privado y doméstico, sin embargo las nociones de privacidad e intimidad están emparentadas a la idea de casa. Mientras el lugar íntimo no se resuma al espacio de proyección individual, la necesidad revelada por el individuo a lo largo de la historia de poseer un espacio propio configura una categoría de planteamiento íntimo ante el espacio. Aunque pertenezca a un ámbito inmaterial, la intimidad se busca, en las páginas siguientes, en lo arquitectónico a través de la observación de algunos espacios individuales. Se identifican imágenes del habitar individual y espacios de reclusión individual. Se observa en los momentos inicial y final de la vida el exponente máximo de aislamiento y de unidad, la imagen del espacio intrauterino y una idea de lo fúnebre planean sobre el cotidiano, infundiéndolo también de la necesidad de aislamiento. La reclusión se podrá procesar a partir de distintas motivaciones. En este sentido se ha identificado el espacio del ermitaño, el espacio de retiro y el espacio de la exclusión. Cercado el ámbito del espacio individual surge como necesaria la tarea de oponer el individuo al mundo, pues no existe dentro sin fuera, como no hay día sin noche, ni el ser individual existe sin que pueda plantearse ante otros que confirmen su existencia. En este sentido se plantea el habitante individual ante la inmensidad, ante la exposición y ante la extrañeza. Para que un viaje sea completo hay que regresar al punto de partida lo que en este contexto significó un regreso del individuo a sí mismo, pero en este punto mediado por el artificio, es decir, se planteó el individuo ante el espejo: ante la naturaleza, ante el arte y ante la tecnología. El último capítulo surge como la configuración de un conjunto de espectros que se habían vislumbrado a lo largo del trabajo y que tienen en la última parte la posibilidad de cruzarse y generar nuevas lecturas. La motivación en percibir de que formas el concepto de intimidad se cruza con las problemáticas implícitas en el concebir y experimentar el espacio se va destilando a lo largo del trabajo: se identifican afinidades entre lo que podrá parecer ajeno, se admiten escisiones entre lo que se enseña uno, y se observan temas que por tan vinculados a las experiencias más banales del habitar se encuentran a menudo en el olvido. Este trabajo no es más que un acercamiento a las cuestiones más elementales del proyecto de arquitectura de alguien que más allá de experimentar el espacio como habitante se dispone también a pensarlo.

Un modelo de intervención para una motricidad expresiva y creativa

Las actividades físicas artístico-expresivas desarrollan el potencial expresivo, comunicativo,estético y creador del niño. Pero para poder hacerlo con éxito precisamos herramientas didácticas, de acuerdo con los nuevos paradigmas educativos, que posibiliten llevarlo a cabo de forma práctica en el aula. En el presente artículo reflexionamos sobre los principios que deben regir su diseño e implementación, utilizando los recursos que nos brindan los procesos creativos, y proponemos un modelo de intervención didáctica elaborado específicamente para tal fin: el proceso 3-E.

Transductor óptico-sonoro basado en procesado de imagen

En este proyecto se aborda la transducción óptico-sonora utilizando métodos de tratamiento digital de imagen. Para llevar a cabo el proyecto se consideran únicamente métodos de bajo presupuesto, por lo que para realizar todo el proceso de conversión óptico-sonora se utilizan un ordenador y un escáner doméstico. Como el principal objetivo del proyecto es comprobar si es viable utilizar el tratamiento digital de imagen como conversor no se ha contemplado la utilización de equipamiento profesional. La utilidad de este proyecto está en la restauración del sonido de material fílmico con importantes degradaciones, tales que no sea posible su reproducción en un proyector. Con el prototipo que se propone, realizado con el software de programación Matlab, se consigue digitalizar el audio analógico de las películas en malas condiciones ya que la captura de audio se efectúa de manera óptica sobre las bandas sonoras. Lo conseguido en este proyecto cobra especial importancia si se tiene en cuenta la cantidad de material cinematográfico que hay en películas de celulosa. La conservación de dicho material requiere unas condiciones de almacenamiento muy específicas para que el soporte no se vea afectado, pero con el paso del tiempo es habitual que las bobinas de película presenten deformaciones o incluso ruptura. Aplicando métodos de tratamiento digital de imagen es posible restaurar el audio de fragmentos de película que no puedan ser expuestos a la tensión producida por los rodillos de los proyectores, incluso es posible recuperar el audio de fotogramas concretos ya que la digitalización del audio se realiza capturando la imagen de la forma de onda. Por ello, el procedimiento seguido para digitalizar la película debe ser poco intrusivo para garantizar la conservación del soporte fílmico. Cabe destacar que en este proyecto se ha realizado la conversión óptico-sonora sobre las bandas de sonido analógicas de área variable presentes en la película, pero el procedimiento es aplicable también a las bandas de área variable realizando modificaciones en el prototipo. Esto último queda fuera del objetivo de este proyecto, pero puede ser un trabajo futuro. ABSTRACT This project addresses optical to sound conversion using digital image processing methods. To carry out the project are considered only low-budget methods , so for all optical to sound conversion process using a computer and a home scanner . As the main application of this project is to test the feasibility of using the digital image processing as a converter does not contemplate the use of professional equipment. The main objective of this project is the restoration of sound film material with significant impairments , such is not possible playback on a projector. With the proposed prototype , made with Matlab programming software , you get digitize analog audio bad movies because the audio capture is performed optically on the soundtracks. The achievements in this project is especially important if you consider the amount of film material is in cellulose films . The preservation of such material requires a very specific storage conditions to which the support is not affected , but over time it is common for film reels presenting deformations or even rupture. Applying methods of digital image processing is possible to restore the audio from movie clips that can not be exposed to the tension produced by the rollers of the projectors , it is even possible to retrieve specific frames audio and audio that digitization is done by capturing the image of the waveform. Therefore, the procedure used to digitize the film should be bit intrusive to ensure the conservation of the film medium. Note that in this project was carried out optical to sound conversion on analog variable area soundtracks present in the film, but the procedure is applicable to variable-area bands making changes to the prototype. The latter is beyond the scope of this project, but can be a future work.

Estudio cinemático del cuerpo humano mediante Kinect

La cámara Kinect está desarrollada por Prime Sense en colaboración con Microsoft para la consola XBox, ofrece imágenes de profundidad gracias a un sensor infrarrojo. Este dispositivo también incluye una cámara RGB que ofrece imágenes a color además de una serie de micrófonos colocados de tal manera que son capaces de saber de qué ángulo proviene el sonido. En un principio Kinect se creó para el ocio doméstico pero su bajo precio (en comparación con otras cámaras de iguales características) y la aceptación por parte de desarrolladores han explotado sus posibilidades. El objetivo de este proyecto es, partiendo de estos datos, la obtención de variables cinemáticas tales como posición, velocidad y aceleración de determinados puntos de control del cuerpo de un individuo como pueden ser el cabeza, cuello, hombros, codos, muñecas, caderas, rodillas y tobillos a partir de los cuales poder extraer patrones de movimiento. Para ello se necesita un middleware mediante el entorno de libre distribución (GNU) multiplataforma. Como IDE se ha utilizado Processing, un entorno open source creado para proyectos de diseño. Además se ha utilizado el contenedor SimpleOpenNI, desarrollado por estudiantes e investigadores que trabajan con Kinect. Esto ofrece la posibilidad de prescindir del SDK de Microsoft, el cual es propietario y obliga a utilizar su sistema operativo, Windows. Usando estas herramientas se consigue una solución viable para varios sistemas operativos. Se han utilizado métodos y facilidades que ofrece el lenguaje orientado a objetos Java (Proccesing hereda de este), y se ha planteado una solución basada en un modelo cliente servidor que dota de escalabilidad al proyecto. El resultado del proyecto es útil en aplicaciones para poblaciones con riesgo de exclusión (como es el espectro autista), en telediagnóstico, y en general entornos donde se necesite estudiar hábitos y comportamientos a partir del movimiento humano. Con este proyecto se busca tener una continuidad mediante otras aplicaciones que analicen los datos ofrecidos. ABSTRACT. The Kinect camera is developed by PrimeSense in collaboration with Microsoft for the xBox console provides depth images thanks to an infrared sensor. This device also includes an RGB camera that provides color images in addition to a number of microphones placed such that they are able to know what angle the sound comes. Kinect initially created for domestic leisure but its low prices (compared to other cameras with the same characteristics) and acceptance by developers have exploited its possibilities. The objective of this project is based on this data to obtain kinematic variables such as position, velocity and acceleration of certain control points of the body of an individual from which to extract movement patterns. These points can be the head, neck, shoulders, elbows, wrists, hips, knees and ankles. This requires a middleware using freely distributed environment (GNU) platform. Processing has been used as a development environment, and open source environment created for design projects. Besides the container SimpleOpenNi has been used, it developed by students and researchers working with Kinect. This offers the possibility to dispense with the Microsoft SDK which owns and agrees to use its operating system, Windows. Using these tools will get a viable solution for multiple operating systems. We used methods and facilities of the Java object-oriented language (Processing inherits from this) and has proposed a solution based on a client-server model which provides scalability to the project. The result of the project is useful in applications to populations at risk of exclusion (such as autistic spectrum), in remote diagnostic, and in general environments that need study habits and behaviors from human motion. This project aims to have continuity using other applications to analyze the data provided.

Design and Validation of an Optimized MB-OFDM Ultra Wideband Transceiver System

Esta tesis está incluida dentro del campo del campo de Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra Wideband (MB-OFDM UWB), el cual ha adquirido una gran importancia en las comunicaciones inalámbricas de alta tasa de datos en la última década. UWB surgió con el objetivo de satisfacer la creciente demanda de conexiones inalámbricas en interiores y de uso doméstico, con bajo coste y alta velocidad. La disponibilidad de un ancho de banda grande, el potencial para alta velocidad de transmisión, baja complejidad y bajo consumo de energía, unido al bajo coste de implementación, representa una oportunidad única para que UWB se convierta en una solución ampliamente utilizada en aplicaciones de Wireless Personal Area Network (WPAN). UWB está definido como cualquier transmisión que ocupa un ancho de banda de más de 20% de su frecuencia central, o más de 500 MHz. En 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) definió que el rango de frecuencias de transmisión de UWB legal es de 3.1 a 10.6 GHz, con una energía de transmisión de -41.3 dBm/Hz. Bajo las directrices de FCC, el uso de la tecnología UWB puede aportar una enorme capacidad en las comunicaciones de corto alcance. Considerando las ecuaciones de capacidad de Shannon, incrementar la capacidad del canal requiere un incremento lineal en el ancho de banda, mientras que un aumento similar de la capacidad de canal requiere un aumento exponencial en la energía de transmisión. En los últimos años, s diferentes desarrollos del UWB han sido extensamente estudiados en diferentes áreas, entre los cuales, el protocolo de comunicaciones inalámbricas MB-OFDM UWB está considerado como la mejor elección y ha sido adoptado como estándar ISO/IEC para los WPANs. Combinando la modulación OFDM y la transmisión de datos utilizando las técnicas de salto de frecuencia, el sistema MB-OFDM UWB es capaz de soportar tasas de datos con que pueden variar de los 55 a los 480 Mbps, alcanzando una distancia máxima de hasta 10 metros. Se esperara que la tecnología MB-OFDM tenga un consumo energético muy bajo copando un are muy reducida en silicio, proporcionando soluciones de bajo coste que satisfagan las demandas del mercado. Para cumplir con todas estas expectativas, el desarrollo y la investigación del MBOFDM UWB deben enfrentarse a varios retos, como son la sincronización de alta sensibilidad, las restricciones de baja complejidad, las estrictas limitaciones energéticas, la escalabilidad y la flexibilidad. Tales retos requieren un procesamiento digital de la señal de última generación, capaz de desarrollar sistemas que puedan aprovechar por completo las ventajas del espectro UWB y proporcionar futuras aplicaciones inalámbricas en interiores. Esta tesis se centra en la completa optimización de un sistema de transceptor de banda base MB-OFDM UWB digital, cuyo objetivo es investigar y diseñar un subsistema de comunicación inalámbrica para la aplicación de las Redes de Sensores Inalámbricas Visuales. La complejidad inherente de los procesadores FFT/IFFT y el sistema de sincronización así como la alta frecuencia de operación para todos los elementos de procesamiento, se convierten en el cuello de la botella para el diseño y la implementación del sistema de UWB digital en base de banda basado en MB-OFDM de baja energía. El objetivo del transceptor propuesto es conseguir baja energía y baja complejidad bajo la premisa de un alto rendimiento. Las optimizaciones están realizadas tanto a nivel algorítmico como a nivel arquitectural para todos los elementos del sistema. Una arquitectura hardware eficiente en consumo se propone en primer lugar para aquellos módulos correspondientes a núcleos de computación. Para el procesado de la Transformada Rápida de Fourier (FFT/IFFT), se propone un algoritmo mixed-radix, basado en una arquitectura con pipeline y se ha desarrollado un módulo de Decodificador de Viterbi (VD) equilibrado en coste-velocidad con el objetivo de reducir el consumo energético e incrementar la velocidad de procesamiento. También se ha implementado un correlador signo-bit simple basado en la sincronización del tiempo de símbolo es presentado. Este correlador es usado para detectar y sincronizar los paquetes de OFDM de forma robusta y precisa. Para el desarrollo de los subsitemas de procesamiento y realizar la integración del sistema completo se han empleado tecnologías de última generación. El dispositivo utilizado para el sistema propuesto es una FPGA Virtex 5 XC5VLX110T del fabricante Xilinx. La validación el propuesta para el sistema transceptor se ha implementado en dicha placa de FPGA. En este trabajo se presenta un algoritmo, y una arquitectura, diseñado con filosofía de co-diseño hardware/software para el desarrollo de sistemas de FPGA complejos. El objetivo principal de la estrategia propuesta es de encontrar una metodología eficiente para el diseño de un sistema de FPGA configurable optimizado con el empleo del mínimo esfuerzo posible en el sistema de procedimiento de verificación, por tanto acelerar el periodo de desarrollo del sistema. La metodología de co-diseño presentada tiene la ventaja de ser fácil de usar, contiene todos los pasos desde la propuesta del algoritmo hasta la verificación del hardware, y puede ser ampliamente extendida para casi todos los tipos de desarrollos de FPGAs. En este trabajo se ha desarrollado sólo el sistema de transceptor digital de banda base por lo que la comprobación de señales transmitidas a través del canal inalámbrico en los entornos reales de comunicación sigue requiriendo componentes RF y un front-end analógico. No obstante, utilizando la metodología de co-simulación hardware/software citada anteriormente, es posible comunicar el sistema de transmisor y el receptor digital utilizando los modelos de canales propuestos por IEEE 802.15.3a, implementados en MATLAB. Por tanto, simplemente ajustando las características de cada modelo de canal, por ejemplo, un incremento del retraso y de la frecuencia central, podemos estimar el comportamiento del sistema propuesto en diferentes escenarios y entornos. Las mayores contribuciones de esta tesis son: • Se ha propuesto un nuevo algoritmo 128-puntos base mixto FFT usando la arquitectura pipeline multi-ruta. Los complejos multiplicadores para cada etapa de procesamiento son diseñados usando la arquitectura modificada shiftadd. Los sistemas word length y twiddle word length son comparados y seleccionados basándose en la señal para cuantización del SQNR y el análisis de energías. • El desempeño del procesador IFFT es analizado bajo diferentes situaciones aritméticas de bloques de punto flotante (BFP) para el control de desbordamiento, por tanto, para encontrar la arquitectura perfecta del algoritmo IFFT basado en el procesador FFT propuesto. • Para el sistema de receptor MB-OFDM UWB se ha empleado una sincronización del tiempo innovadora, de baja complejidad y esquema de compensación, que consiste en funciones de Detector de Paquetes (PD) y Estimación del Offset del tiempo. Simplificando el cross-correlation y maximizar las funciones probables solo a sign-bit, la complejidad computacional se ve reducida significativamente. • Se ha propuesto un sistema de decodificadores Viterbi de 64 estados de decisión-débil usando velocidad base-4 de arquitectura suma-comparaselecciona. El algoritmo Two-pointer Even también es introducido en la unidad de rastreador de origen con el objetivo de conseguir la eficiencia en el hardware. • Se han integrado varias tecnologías de última generación en el completo sistema transceptor basebanda , con el objetivo de implementar un sistema de comunicación UWB altamente optimizado. • Un diseño de flujo mejorado es propuesto para el complejo sistema de implementación, el cual puede ser usado para diseños de Cadena de puertas de campo programable general (FPGA). El diseño mencionado no sólo reduce dramáticamente el tiempo para la verificación funcional, sino también provee un análisis automático como los errores del retraso del output para el sistema de hardware implementado. • Un ambiente de comunicación virtual es establecido para la validación del propuesto sistema de transceptores MB-OFDM. Este método es provisto para facilitar el uso y la conveniencia de analizar el sistema digital de basebanda sin parte frontera analógica bajo diferentes ambientes de comunicación. Esta tesis doctoral está organizada en seis capítulos. En el primer capítulo se encuentra una breve introducción al campo del UWB, tanto relacionado con el proyecto como la motivación del desarrollo del sistema de MB-OFDM. En el capítulo 2, se presenta la información general y los requisitos del protocolo de comunicación inalámbrica MBOFDM UWB. En el capítulo 3 se habla de la arquitectura del sistema de transceptor digital MB-OFDM de banda base . El diseño del algoritmo propuesto y la arquitectura para cada elemento del procesamiento está detallado en este capítulo. Los retos de diseño del sistema que involucra un compromiso de discusión entre la complejidad de diseño, el consumo de energía, el coste de hardware, el desempeño del sistema, y otros aspectos. En el capítulo 4, se ha descrito la co-diseñada metodología de hardware/software. Cada parte del flujo del diseño será detallado con algunos ejemplos que se ha hecho durante el desarrollo del sistema. Aprovechando esta estrategia de diseño, el procedimiento de comunicación virtual es llevado a cabo para probar y analizar la arquitectura del transceptor propuesto. Los resultados experimentales de la co-simulación y el informe sintético de la implementación del sistema FPGA son reflejados en el capítulo 5. Finalmente, en el capítulo 6 se incluye las conclusiones y los futuros proyectos, y también los resultados derivados de este proyecto de doctorado. ABSTRACT In recent years, the Wireless Visual Sensor Network (WVSN) has drawn great interest in wireless communication research area. They enable a wealth of new applications such as building security control, image sensing, and target localization. However, nowadays wireless communication protocols (ZigBee, Wi-Fi, and Bluetooth for example) cannot fully satisfy the demands of high data rate, low power consumption, short range, and high robustness requirements. New communication protocol is highly desired for such kind of applications. The Ultra Wideband (UWB) wireless communication protocol, which has increased in importance for high data rate wireless communication field, are emerging as an important topic for WVSN research. UWB has emerged as a technology that offers great promise to satisfy the growing demand for low-cost, high-speed digital wireless indoor and home networks. The large bandwidth available, the potential for high data rate transmission, and the potential for low complexity and low power consumption, along with low implementation cost, all present a unique opportunity for UWB to become a widely adopted radio solution for future Wireless Personal Area Network (WPAN) applications. UWB is defined as any transmission that occupies a bandwidth of more than 20% of its center frequency, or more than 500 MHz. In 2002, the Federal Communications Commission (FCC) has mandated that UWB radio transmission can legally operate in the range from 3.1 to 10.6 GHz at a transmitter power of －41.3 dBm/Hz. Under the FCC guidelines, the use of UWB technology can provide enormous capacity over short communication ranges. Considering Shannon’s capacity equations, increasing the channel capacity requires linear increasing in bandwidth, whereas similar channel capacity increases would require exponential increases in transmission power. In recent years, several different UWB developments has been widely studied in different area, among which, the MB-OFDM UWB wireless communication protocol is considered to be the leading choice and has recently been adopted in the ISO/IEC standard for WPANs. By combing the OFDM modulation and data transmission using frequency hopping techniques, the MB-OFDM UWB system is able to support various data rates, ranging from 55 to 480 Mbps, over distances up to 10 meters. The MB-OFDM technology is expected to consume very little power and silicon area, as well as provide low-cost solutions that can satisfy consumer market demands. To fulfill these expectations, MB-OFDM UWB research and development have to cope with several challenges, which consist of high-sensitivity synchronization, low- complexity constraints, strict power limitations, scalability, and flexibility. Such challenges require state-of-the-art digital signal processing expertise to develop systems that could fully take advantages of the UWB spectrum and support future indoor wireless applications. This thesis focuses on fully optimization for the MB-OFDM UWB digital baseband transceiver system, aiming at researching and designing a wireless communication subsystem for the Wireless Visual Sensor Networks (WVSNs) application. The inherent high complexity of the FFT/IFFT processor and synchronization system, and high operation frequency for all processing elements, becomes the bottleneck for low power MB-OFDM based UWB digital baseband system hardware design and implementation. The proposed transceiver system targets low power and low complexity under the premise of high performance. Optimizations are made at both algorithm and architecture level for each element of the transceiver system. The low-power hardwareefficient structures are firstly proposed for those core computation modules, i.e., the mixed-radix algorithm based pipelined architecture is proposed for the Fast Fourier Transform (FFT/IFFT) processor, and the cost-speed balanced Viterbi Decoder (VD) module is developed, in the aim of lowering the power consumption and increasing the processing speed. In addition, a low complexity sign-bit correlation based symbol timing synchronization scheme is presented so as to detect and synchronize the OFDM packets robustly and accurately. Moreover, several state-of-the-art technologies are used for developing other processing subsystems and an entire MB-OFDM digital baseband transceiver system is integrated. The target device for the proposed transceiver system is Xilinx Virtex 5 XC5VLX110T FPGA board. In order to validate the proposed transceiver system in the FPGA board, a unified algorithm-architecture-circuit hardware/software co-design environment for complex FPGA system development is presented in this work. The main objective of the proposed strategy is to find an efficient methodology for designing a configurable optimized FPGA system by using as few efforts as possible in system verification procedure, so as to speed up the system development period. The presented co-design methodology has the advantages of easy to use, covering all steps from algorithm proposal to hardware verification, and widely spread for almost all kinds of FPGA developments. Because only the digital baseband transceiver system is developed in this thesis, the validation of transmitting signals through wireless channel in real communication environments still requires the analog front-end and RF components. However, by using the aforementioned hardware/software co-simulation methodology, the transmitter and receiver digital baseband systems get the opportunity to communicate with each other through the channel models, which are proposed from the IEEE 802.15.3a research group, established in MATLAB. Thus, by simply adjust the characteristics of each channel model, e.g. mean excess delay and center frequency, we can estimate the transmission performance of the proposed transceiver system through different communication situations. The main contributions of this thesis are: • A novel mixed radix 128-point FFT algorithm by using multipath pipelined architecture is proposed. The complex multipliers for each processing stage are designed by using modified shift-add architectures. The system wordlength and twiddle word-length are compared and selected based on Signal to Quantization Noise Ratio (SQNR) and power analysis. • IFFT processor performance is analyzed under different Block Floating Point (BFP) arithmetic situations for overflow control, so as to find out the perfect architecture of IFFT algorithm based on the proposed FFT processor. • An innovative low complex timing synchronization and compensation scheme, which consists of Packet Detector (PD) and Timing Offset Estimation (TOE) functions, for MB-OFDM UWB receiver system is employed. By simplifying the cross-correlation and maximum likelihood functions to signbit only, the computational complexity is significantly reduced. • A 64 state soft-decision Viterbi Decoder system by using high speed radix-4 Add-Compare-Select architecture is proposed. Two-pointer Even algorithm is also introduced into the Trace Back unit in the aim of hardware-efficiency. • Several state-of-the-art technologies are integrated into the complete baseband transceiver system, in the aim of implementing a highly-optimized UWB communication system. • An improved design flow is proposed for complex system implementation which can be used for general Field-Programmable Gate Array (FPGA) designs. The design method not only dramatically reduces the time for functional verification, but also provides automatic analysis such as errors and output delays for the implemented hardware systems. • A virtual communication environment is established for validating the proposed MB-OFDM transceiver system. This methodology is proved to be easy for usage and convenient for analyzing the digital baseband system without analog frontend under different communication environments. This PhD thesis is organized in six chapters. In the chapter 1 a brief introduction to the UWB field, as well as the related work, is done, along with the motivation of MBOFDM system development. In the chapter 2, the general information and requirement of MB-OFDM UWB wireless communication protocol is presented. In the chapter 3, the architecture of the MB-OFDM digital baseband transceiver system is presented. The design of the proposed algorithm and architecture for each processing element is detailed in this chapter. Design challenges of such system involve trade-off discussions among design complexity, power consumption, hardware cost, system performance, and some other aspects. All these factors are analyzed and discussed. In the chapter 4, the hardware/software co-design methodology is proposed. Each step of this design flow will be detailed by taking some examples that we met during system development. Then, taking advantages of this design strategy, the Virtual Communication procedure is carried out so as to test and analyze the proposed transceiver architecture. Experimental results from the co-simulation and synthesis report of the implemented FPGA system are given in the chapter 5. The chapter 6 includes conclusions and future work, as well as the results derived from this PhD work.

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