VHDL-based system design of a cognitive sensorimotor loop (CSL) for haptic Human-Machine Interaction (HMI)

This document is a summary of the Bachelor thesis titled “VHDL-Based System Design of a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) for Haptic Human-Machine Interaction (HMI)” written by Pablo de Miguel Morales, Electronics Engineering student at the Universidad Politécnica de Madrid (UPM Madrid, Spain) during an Erasmus+ Exchange Program at the Beuth Hochschule für Technik (BHT Berlin, Germany). The tutor of this project is Dr. Prof. Hild. This project has been developed inside the Neurobotics Research Laboratory (NRL) in close collaboration with Benjamin Panreck, a member of the NRL, and another exchange student from the UPM Pablo Gabriel Lezcano. For a deeper comprehension of the content of the thesis, a deeper look in the document is needed as well as the viewing of the videos and the VHDL design. In the growing field of automation, a large amount of workforce is dedicated to improve, adapt and design motor controllers for a wide variety of applications. In the specific field of robotics or other machinery designed to interact with humans or their environment, new needs and technological solutions are often being discovered due to the existing, relatively unexplored new scenario it is. The project consisted of three main parts: Two VHDL-based systems and one short experiment on the haptic perception. Both VHDL systems are based on a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) which is a control loop designed by the NRL and mainly developed by Dr. Prof. Hild. The CSL is a control loop whose main characteristic is the fact that it does not use any external sensor to measure the speed or position of the motor but the motor itself. The motor always generates a voltage that is proportional to its angular speed so it does not need calibration. This method is energy efficient and simplifies control loops in complex systems. The first system, named CSL Stay In Touch (SIT), consists in a one DC motor system controller by a FPGA Board (Zynq ZYBO 7000) whose aim is to keep contact with any external object that touches its Sensing Platform in both directions. Apart from the main behavior, three features (Search Mode, Inertia Mode and Return Mode) have been designed to enhance the haptic interaction experience. Additionally, a VGA-Screen is also controlled by the FPGA Board for the monitoring of the whole system. This system has been completely developed, tested and improved; analyzing its timing and consumption properties. The second system, named CSL Fingerlike Mechanism (FM), consists in a fingerlike mechanical system controlled by two DC motors (Each controlling one part of the finger). The behavior is similar to the first system but in a more complex structure. This system was optional and not part of the original objectives of the thesis and it could not be properly finished and tested due to the lack of time. The haptic perception experiment was an experiment conducted to have an insight into the complexity of human haptic perception in order to implement this knowledge into technological applications. The experiment consisted in testing the capability of the subjects to recognize different objects and shapes while being blindfolded and with their ears covered. Two groups were done, one had full haptic perception while the other had to explore the environment with a plastic piece attached to their finger to create a haptic handicap. The conclusion of the thesis was that a haptic system based only on a CSL-based system is not enough to retrieve valuable information from the environment and that other sensors are needed (temperature, pressure, etc.) but that a CSL-based system is very useful to control the force applied by the system to interact with haptic sensible surfaces such as skin or tactile screens. RESUMEN. Este documento es un resumen del proyecto fin de grado titulado “VHDL-Based System Design of a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) for Haptic Human-Machine Interaction (HMI)” escrito por Pablo de Miguel, estudiante de Ingeniería Electrónica de Comunicaciones en la Universidad Politécnica de Madrid (UPM Madrid, España) durante un programa de intercambio Erasmus+ en la Beuth Hochschule für Technik (BHT Berlin, Alemania). El tutor de este proyecto ha sido Dr. Prof. Hild. Este proyecto se ha desarrollado dentro del Neurorobotics Research Laboratory (NRL) en estrecha colaboración con Benjamin Panreck (un miembro del NRL) y con Pablo Lezcano (Otro estudiante de intercambio de la UPM). Para una comprensión completa del trabajo es necesaria una lectura detenida de todo el documento y el visionado de los videos y análisis del diseño VHDL incluidos en el CD adjunto. En el creciente sector de la automatización, una gran cantidad de esfuerzo está dedicada a mejorar, adaptar y diseñar controladores de motor para un gran rango de aplicaciones. En el campo específico de la robótica u otra maquinaria diseñada para interactuar con los humanos o con su entorno, nuevas necesidades y soluciones tecnológicas se siguen desarrollado debido al relativamente inexplorado y nuevo escenario que supone. El proyecto consta de tres partes principales: Dos sistemas basados en VHDL y un pequeño experimento sobre la percepción háptica. Ambos sistemas VHDL están basados en el Cognitive Sesnorimotor Loop (CSL) que es un lazo de control creado por el NRL y cuyo desarrollador principal ha sido Dr. Prof. Hild. El CSL es un lazo de control cuya principal característica es la ausencia de sensores externos para medir la velocidad o la posición del motor, usando el propio motor como sensor. El motor siempre genera un voltaje proporcional a su velocidad angular de modo que no es necesaria calibración. Este método es eficiente en términos energéticos y simplifica los lazos de control en sistemas complejos. El primer sistema, llamado CSL Stay In Touch (SIT), consiste en un sistema formado por un motor DC controlado por una FPGA Board (Zynq ZYBO 7000) cuyo objetivo es mantener contacto con cualquier objeto externo que toque su plataforma sensible en ambas direcciones. Aparte del funcionamiento básico, tres modos (Search Mode, Inertia Mode y Return Mode) han sido diseñados para mejorar la interacción. Adicionalmente, se ha diseñado el control a través de la FPGA Board de una pantalla VGA para la monitorización de todo el sistema. El sistema ha sido totalmente desarrollado, testeado y mejorado; analizando su propiedades de timing y consumo energético. El segundo sistema, llamado CSL Fingerlike Mechanism (FM), consiste en un mecanismo similar a un dedo controlado por dos motores DC (Cada uno controlando una falange). Su comportamiento es similar al del primer sistema pero con una estructura más compleja. Este sistema no formaba parte de los objetivos iniciales del proyecto y por lo tanto era opcional. No pudo ser plenamente desarrollado debido a la falta de tiempo. El experimento de percepción háptica fue diseñado para profundizar en la percepción háptica humana con el objetivo de aplicar este conocimiento en aplicaciones tecnológicas. El experimento consistía en testear la capacidad de los sujetos para reconocer diferentes objetos, formas y texturas en condiciones de privación del sentido del oído y la vista. Se crearon dos grupos, en uno los sujetos tenían plena percepción háptica mientras que en el otro debían interactuar con los objetos a través de una pieza de plástico para generar un hándicap háptico. La conclusión del proyecto fue que un sistema háptico basado solo en sistemas CSL no es suficiente para recopilar información valiosa del entorno y que debe hacer uso de otros sensores (temperatura, presión, etc.). En cambio, un sistema basado en CSL es idóneo para el control de la fuerza aplicada por el sistema durante la interacción con superficies hápticas sensibles tales como la piel o pantallas táctiles.

Automated wordlength optimization framework for multi-source statistical interval-based analysis of nonlinear systems with control-flow structures

El uso de aritmética de punto fijo es una opción de diseño muy extendida en sistemas con fuertes restricciones de área, consumo o rendimiento. Para producir implementaciones donde los costes se minimicen sin impactar negativamente en la precisión de los resultados debemos llevar a cabo una asignación cuidadosa de anchuras de palabra. Encontrar la combinación óptima de anchuras de palabra en coma fija para un sistema dado es un problema combinatorio NP-hard al que los diseñadores dedican entre el 25 y el 50 % del ciclo de diseño. Las plataformas hardware reconfigurables, como son las FPGAs, también se benefician de las ventajas que ofrece la aritmética de coma fija, ya que éstas compensan las frecuencias de reloj más bajas y el uso más ineficiente del hardware que hacen estas plataformas respecto a los ASICs. A medida que las FPGAs se popularizan para su uso en computación científica los diseños aumentan de tamaño y complejidad hasta llegar al punto en que no pueden ser manejados eficientemente por las técnicas actuales de modelado de señal y ruido de cuantificación y de optimización de anchura de palabra. En esta Tesis Doctoral exploramos distintos aspectos del problema de la cuantificación y presentamos nuevas metodologías para cada uno de ellos: Las técnicas basadas en extensiones de intervalos han permitido obtener modelos de propagación de señal y ruido de cuantificación muy precisos en sistemas con operaciones no lineales. Nosotros llevamos esta aproximación un paso más allá introduciendo elementos de Multi-Element Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) y combinándolos con una técnica moderna basada en Modified Affine Arithmetic (MAA) estadístico para así modelar sistemas que contienen estructuras de control de flujo. Nuestra metodología genera los distintos caminos de ejecución automáticamente, determina las regiones del dominio de entrada que ejercitarán cada uno de ellos y extrae los momentos estadísticos del sistema a partir de dichas soluciones parciales. Utilizamos esta técnica para estimar tanto el rango dinámico como el ruido de redondeo en sistemas con las ya mencionadas estructuras de control de flujo y mostramos la precisión de nuestra aproximación, que en determinados casos de uso con operadores no lineales llega a tener tan solo una desviación del 0.04% con respecto a los valores de referencia obtenidos mediante simulación. Un inconveniente conocido de las técnicas basadas en extensiones de intervalos es la explosión combinacional de términos a medida que el tamaño de los sistemas a estudiar crece, lo cual conlleva problemas de escalabilidad. Para afrontar este problema presen tamos una técnica de inyección de ruidos agrupados que hace grupos con las señales del sistema, introduce las fuentes de ruido para cada uno de los grupos por separado y finalmente combina los resultados de cada uno de ellos. De esta forma, el número de fuentes de ruido queda controlado en cada momento y, debido a ello, la explosión combinatoria se minimiza. También presentamos un algoritmo de particionado multi-vía destinado a minimizar la desviación de los resultados a causa de la pérdida de correlación entre términos de ruido con el objetivo de mantener los resultados tan precisos como sea posible. La presente Tesis Doctoral también aborda el desarrollo de metodologías de optimización de anchura de palabra basadas en simulaciones de Monte-Cario que se ejecuten en tiempos razonables. Para ello presentamos dos nuevas técnicas que exploran la reducción del tiempo de ejecución desde distintos ángulos: En primer lugar, el método interpolativo aplica un interpolador sencillo pero preciso para estimar la sensibilidad de cada señal, y que es usado después durante la etapa de optimización. En segundo lugar, el método incremental gira en torno al hecho de que, aunque es estrictamente necesario mantener un intervalo de confianza dado para los resultados finales de nuestra búsqueda, podemos emplear niveles de confianza más relajados, lo cual deriva en un menor número de pruebas por simulación, en las etapas iniciales de la búsqueda, cuando todavía estamos lejos de las soluciones optimizadas. Mediante estas dos aproximaciones demostramos que podemos acelerar el tiempo de ejecución de los algoritmos clásicos de búsqueda voraz en factores de hasta x240 para problemas de tamaño pequeño/mediano. Finalmente, este libro presenta HOPLITE, una infraestructura de cuantificación automatizada, flexible y modular que incluye la implementación de las técnicas anteriores y se proporciona de forma pública. Su objetivo es ofrecer a desabolladores e investigadores un entorno común para prototipar y verificar nuevas metodologías de cuantificación de forma sencilla. Describimos el flujo de trabajo, justificamos las decisiones de diseño tomadas, explicamos su API pública y hacemos una demostración paso a paso de su funcionamiento. Además mostramos, a través de un ejemplo sencillo, la forma en que conectar nuevas extensiones a la herramienta con las interfaces ya existentes para poder así expandir y mejorar las capacidades de HOPLITE. ABSTRACT Using fixed-point arithmetic is one of the most common design choices for systems where area, power or throughput are heavily constrained. In order to produce implementations where the cost is minimized without negatively impacting the accuracy of the results, a careful assignment of word-lengths is required. The problem of finding the optimal combination of fixed-point word-lengths for a given system is a combinatorial NP-hard problem to which developers devote between 25 and 50% of the design-cycle time. Reconfigurable hardware platforms such as FPGAs also benefit of the advantages of fixed-point arithmetic, as it compensates for the slower clock frequencies and less efficient area utilization of the hardware platform with respect to ASICs. As FPGAs become commonly used for scientific computation, designs constantly grow larger and more complex, up to the point where they cannot be handled efficiently by current signal and quantization noise modelling and word-length optimization methodologies. In this Ph.D. Thesis we explore different aspects of the quantization problem and we present new methodologies for each of them: The techniques based on extensions of intervals have allowed to obtain accurate models of the signal and quantization noise propagation in systems with non-linear operations. We take this approach a step further by introducing elements of MultiElement Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) and combining them with an stateof- the-art Statistical Modified Affine Arithmetic (MAA) based methodology in order to model systems that contain control-flow structures. Our methodology produces the different execution paths automatically, determines the regions of the input domain that will exercise them, and extracts the system statistical moments from the partial results. We use this technique to estimate both the dynamic range and the round-off noise in systems with the aforementioned control-flow structures. We show the good accuracy of our approach, which in some case studies with non-linear operators shows a 0.04 % deviation respect to the simulation-based reference values. A known drawback of the techniques based on extensions of intervals is the combinatorial explosion of terms as the size of the targeted systems grows, which leads to scalability problems. To address this issue we present a clustered noise injection technique that groups the signals in the system, introduces the noise terms in each group independently and then combines the results at the end. In this way, the number of noise sources in the system at a given time is controlled and, because of this, the combinato rial explosion is minimized. We also present a multi-way partitioning algorithm aimed at minimizing the deviation of the results due to the loss of correlation between noise terms, in order to keep the results as accurate as possible. This Ph.D. Thesis also covers the development of methodologies for word-length optimization based on Monte-Carlo simulations in reasonable times. We do so by presenting two novel techniques that explore the reduction of the execution times approaching the problem in two different ways: First, the interpolative method applies a simple but precise interpolator to estimate the sensitivity of each signal, which is later used to guide the optimization effort. Second, the incremental method revolves on the fact that, although we strictly need to guarantee a certain confidence level in the simulations for the final results of the optimization process, we can do it with more relaxed levels, which in turn implies using a considerably smaller amount of samples, in the initial stages of the process, when we are still far from the optimized solution. Through these two approaches we demonstrate that the execution time of classical greedy techniques can be accelerated by factors of up to ×240 for small/medium sized problems. Finally, this book introduces HOPLITE, an automated, flexible and modular framework for quantization that includes the implementation of the previous techniques and is provided for public access. The aim is to offer a common ground for developers and researches for prototyping and verifying new techniques for system modelling and word-length optimization easily. We describe its work flow, justifying the taken design decisions, explain its public API and we do a step-by-step demonstration of its execution. We also show, through an example, the way new extensions to the flow should be connected to the existing interfaces in order to expand and improve the capabilities of HOPLITE.

Diseño de un sistema networking audio para instalación audiovisual

Una vez presentada la tecnología de Networking audio (redes de datos, protocolos actuales, etc.) se realizará un diseño de la instalación del sistema de audio, en el que el punto de partida es la parte creativa de la actividad en dicha instalación: un juego en el que la comunicación auditiva es lo fundamental. La instalación se compondrá de una sala central, tres salas de grupos, tres salas de cabinas de actores y ocho salas de pasaje. Esta actividad tan particular hará plantearse configuraciones, equipamiento y formas de trabajar especiales que, mediante la tecnología de audio vía red de datos y el equipamiento auxiliar a esta red, podría realizarse de la una forma óptima cumpliendo con todos los objetivos de la actividad, tanto técnicos como relativos al juego. El libro se dividirá en dos partes: La primera parte consistirá en una explicación de lo que son las redes de datos y los aspectos básicos para entenderlas desde un punto de vista práctico: qué es Ethernet, los componentes de una red... Una vez explicada la terminología específica de redes, se expondrán los protocolos que se usan para transmitir audio profesional a día de hoy. En la segunda parte, se empezará presentando la actividad que se realizará en nuestra instalación: un juego de rol. A continuación se conocerá el flujo de señales existentes para después, poner en práctica lo aprendido en la primera parte: diseñaremos una instalación audiovisual mediante networking audio. Un sistema de estas características necesita además de dispositivos en red, sistemas convencionales de audio. Durante el diseño y debido a las necesidades tan específicas de la instalación, se verá que ha sido necesario pensar en sistemas especiales para hacer posible la actividad para la que ha sido ideada nuestra instalación. Los objetivos de este proyecto son, desarrollar los puntos que tendría que tener en cuenta un integrador que se proponga diseñar un sistema de audio networking para una instalación audiovisual para, a continuación, poner en práctica estos conocimientos con la exposición del diseño de una instalación en la que se llevará a cabo una actividad lúdica y de aprendizaje en la que una óptima transmisión de señal de audio a tiempo real, es lo fundamental. ABSTRACT. Once introduced the Networking technology (data networks, current protocols, etc.), the audio installation design is being done. In which the starting point is the creative part of the activity will be made: one game in which the auditory communication is fundamental. The installation will consist of a central room, three meeting groups, three actor cabins rooms and eight passage rooms. This particular activity will consider configurations, equipment and forms of special working that through audio technology via data network and auxiliary equipment to this network, it could be done in an optimal way to meet all the goals of the activity, both technical and relative to the game. The book is divided into two parts: The first part consists of an explanation of what the data networks and the basics to understand from a practical point of view: what Ethernet is, the network components... Once specific network terminology is explained, the current protocols used to transmit professional audio are being showed. In the second part, it is introducing the activity to be made in our installation: a game. Then, the flow of existing signals are being known, we practice what I learned in the first part: we will design an audiovisual installation by audio networking. A system like this besides networked devices, it needs conventional audio systems. During the design and due to the very specific needs of the installation, you will see that it was necessary to think of special systems for this special activity. The goals of this project are to develop the points that an system integrator would have to consider to design a system of networking audio for an audiovisual installation, then put this knowledge into practice with the installation design where it will take place a fun and learning activity in which an optimal transmission of audio signal in real time, is basic.

Conductos prefabricados de hormigón. Cálculo de la vida útil

En este artículo se aplica el modelo de la EHE-08 de carbonatación y de penetración de cloruros a la determinación de la vida útil de conductos de hormigón utilizados en sistemas de saneamiento y drenaje. Asimismo, se presentan de forma sencilla una serie de reglas que pueden contribuir a la mejora del comportamiento de los conductos de hormigón en las condiciones de servicio más frecuentes.

Reciclaje

La reutilización de los materiales sobrantes de los que se dispone en un determinado lugar o la reinterpretación de procesos de trabajo existentes son temas recurrentes en los proyectos de cooperación del aula PFC Aranguren.

Las enseñanzas de sistemas en los currículos relacionados con la computación: una experiencia acumulada

Este texto propone la incorporación de las ideas de sistemas como elemento indispensable en los currículos universitarios relacionados con computación. Con este objetivo,se presenta la experiencia acumulada en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación de Madrid desde 1978. Más concretamente, se muestran los objetivos,metodología y resultados obtenidos dentro de una asignatura denominada Ingeniería de Sistemas, integrada en el último curso de una especialización en Ingeniería Telemática (Informática y Comunicaciones).

Sistemas de aprendizaje colaborativo móvil en realidad aumentada

La realidad aumentada educativa es una tecnología que actualmente está mejorando la calidad de enseñanza, la utilización de dispositivos móviles permite que el estudiante sea protagonista de su aprendizaje sin estar confinado a un espacio o tiempo específico para aprender. Aplicaciones colaborativas con realidad aumentada están siendo empleadas cada vez más en la educación, de tal forma que fomentan el trabajo en grupo donde los estudiantes comparten conocimiento, dudas, opiniones logrando un mejor nivel cognitivo que trabajando individualmente. En este trabajo se presenta el estado de la cuestión de Aplicaciones Educativas con Realidad Aumentada en dispositivos móviles, y Aplicaciones Educativas colaborativas con Realidad Aumentada, desarrolladas desde el 2002 e implementadas en instituciones educativas. Así mismo se realiza un estudio sobre la Realidad Aumentada, Realidad Aumentada móvil y Aprendizaje Móvil. Además, a partir de las características del estudio de las aplicaciones con Realidad Aumenta, se realiza un análisis y diseño de una Aplicación Móvil para el proyecto de inicio de los alumnos de nuevo ingreso de la UPM. Así como también una herramienta de autoría para las gestiones de las actividades propuestas por los docentes de la UPM. Finalmente se presenta un caso de prueba en el que se implementa parte de la propuesta de este trabajo, logrando construir un parte funcional para el proyecto inicial denominado PIANI – UPM. ---ABSTRACT---Educational Augmented reality is a technology that is improving the quality of teaching, use of mobile devices enables the student to be protagonists of their learning without being confined to a specific space or time to learn. Collaborative augmented reality applications applied in education are being used gradually encourage group work where students share knowledge, doubts, opinions so they achieve better cognitive level than working individually. In this paper the description of educational applications is presented with Augmented Reality using mobile devices, and collaborative educational Augmented Reality applications, developed since 2002 and implemented in educational institutions. Also a study on Augmented Reality, Mobile Augmented Reality and Mobile Learning is performed. Furthermore, from the study of the characteristics of Reality applications increases, an analysis and design of a mobile application for the proposed start of new students of UPM is performed. As well as an authoring tool for the efforts of the activities proposed by the teachers of the UPM. Finally a test case is presented in which part of the proposal of this work is implemented, obtaining building an initial prototype called PIANI - UPM.

Integración arquitectónica y constructiva de sistemas fotovoltaicos de tecnología de lámina delgada en relación con la disipación térmica y almacenamiento de calor

Esta tesis doctoral contribuye al análisis y desarrollo de nuevos elementos constructivos que integran sistemas de generación eléctrica a través de células fotovoltaicas (FV); particularmente, basados en tecnología FV de lámina delgada. Para ello se estudia el proceso de la integración arquitectónica de éstos elementos (conocido internacionalmente como “Building Integrated Photovoltaic – BIPV”) mediante diferentes metodologías. Se inicia con el estudio de los elementos fotovoltaicos existentes y continúa con los materiales que conforman actualmente las pieles de los edificios y su posible adaptación a las diferentes tecnologías. Posteriormente, se propone una estrategia de integración de los elementos FV en los materiales constructivos. En ésta se considera la doble función de los elementos BIPV, eléctrica y arquitectónica, y en especial se plantea el estudio de la integración de elementos de disipación térmica y almacenamiento de calor mediante los materiales de cambio de fase (“Phase Change Materials – PCM”), todo esto con el objeto de favorecer el acondicionamiento térmico pasivo a través del elemento BIPV. Para validar dicha estrategia, se desarrolla una metodología experimental que consiste en el diseño y desarrollo de un prototipo denominado elemento BIPV/TF – PCM, así como un método de medida y caracterización en condiciones de laboratorio. Entre los logros alcanzados, destaca la multifuncionalidad de los elementos BIPV, el aprovechamiento de la energía residual del elemento, la reducción de los excedentes térmicos que puedan modificar el balance térmico de la envolvente del edificio, y las mejoras conseguidas en la producción eléctrica de los módulos fotovoltaicos por reducción de temperatura, lo que hará más sostenible la solución BIPV. Finalmente, como resultado del análisis teórico y experimental, esta tesis contribuye significativamente al estudio práctico de la adaptabilidad de los elementos BIPV en el entorno urbano por medio de una metodología que se basa en el desarrollo y puesta en marcha de una herramienta informática, que sirve tanto a ingenieros como arquitectos para verificar la calidad de la integración arquitectónica y calidad eléctrica de los elementos FV, antes, durante y después de la ejecución de un proyecto constructivo. ABSTRACT This Doctoral Thesis contributes to the analysis and development of new building elements that integrate power generation systems using photovoltaic solar cells (PV), particularly based on thin-film PV technology. For this propose, the architectural integration process is studied (concept known as "Building Integrated Photovoltaic - BIPV") by means of different methodologies. It begins with the study of existing PV elements and materials that are currently part of the building skins and the possible adaptation to different technologies. Subsequently, an integration strategy of PV elements in building materials is proposed. Double function of BIPV elements is considered, electrical and architectural, especially the heat dissipation and heat storage elements are studied, particularly the use Phase Change Materials– PCM in order to favor the thermal conditioning of buildings by means of the BIPV elements. For this propose, an experimental methodology is implemented, which consist of the design and develop of a prototype "BIPV/TF- PCM element" and measurement method (indoor laboratory conditions) in order to validate this strategy. Among the most important achievements obtained of this develop and results analysis includes, in particular, the multifunctionality of BIPV elements, the efficient use of the residual energy of the element, reduction of the excess heat that it can change the heat balance of the building envelope and improvements in electricity production of PV modules by reducing the temperature, are some benefits achieved that make the BIPV element will be more sustainable. Finally, as a result of theoretical and experimental analysis, this thesis contributes significantly to the practical study of the adaptability of BIPV elements in the urban environment by means of a novel methodology based on the development and implementation by computer software of a useful tool which serves as both engineers and architects to verify the quality of architectural integration and electrical performance of PV elements before, during, and after execution of a building projects.

Evaluación para el aprendizaje en la asignatura sistemas operativos en modalidad online: un estudio cualitativo basado en la taxonomía de Bloom

La asignatura Sistemas Operativos presenta dificultades para su aprendizaje, pero poco se conoce acerca de las mismas, ya que no han sido determinadas ni estudiadas por la literatura. Asimismo, los trabajos existentes sobre la enseñanza y aprendizaje de Sistemas Operativos se limitan a proponer distintos enfoques para impartir la asignatura y en general no evalúan el aprendizaje de los estudiantes para comprobar la eficacia del método propuesto ni usan metodologías de investigación rigurosas. Por otra parte, la impartición de la asignatura Sistemas Operativos en modalidad online ha sido escasamente estudiada y podría tener dificultades adicionales a las de la modalidad presencial, ya que el contexto online impone una serie de restricciones tanto para el profesor como para el estudiante. En la presente tesis se ha llevado a cabo una evaluación formativa en la asignatura Sistemas Operativos, perteneciente al Grado de Ingeniería Informática de una universidad online. El objetivo inicial de la evaluación era descubrir las dificultades de los estudiantes para la comprensión de los conceptos de la asignatura. Posteriormente y, dada la buena aceptación de la evaluación por parte de los estudiantes, se ampliaron los objetivos del trabajo para explorar los efectos de la evaluación realizada sobre el aprendizaje. La evaluación formativa diseñada está basada en la taxonomía revisada de Bloom y sus principales objetivos son: (a) promover el aprendizaje significativo y (b) hacer a los estudiantes conscientes de su proceso de aprendizaje. La metodología de investigación utilizada es el estudio de caso cualitativo y la muestra está constituida por 9 estudiantes del total de 13 matriculados en la asignatura. Los datos cualitativos analizados proceden de las pruebas de evaluación formativa llevadas a cabo por los estudiantes durante la impartición de la asignatura. Los conceptos de sistemas operativos que han resultado más difíciles de comprender en el curso online estudiado han sido las interrupciones y los semáforos. Además, alrededor de estos conceptos se han identificado las dificultades específicas y sus posibles causas. Las dificultades descubiertas acerca de los semáforos corroboran las investigaciones existentes en el área de programación concurrente. El resto de las dificultades identificadas no habían sido determinadas por la literatura existente. En cuanto a los efectos de la evaluación formativa sobre el aprendizaje, la evidencia empírica muestra que ésta ha provocado en los estudiantes una reflexión profunda sobre los conceptos de la asignatura y sobre su propio proceso de aprendizaje. El estudio de caso presentado puede ayudar a los profesores del área de ingeniería a crear evaluaciones formativas en cursos online. La tesis, por tanto, realiza aportaciones relevantes en las áreas de enseñanza y aprendizaje de sistemas operativos, evaluación formativa, metodologías cualitativas y educación online. ABSTRACT Operating Systems is a difficult subject to learn; however little is known about said difficulties, as they have not been studied nor determined by the relevant literature. Existing studies on teaching and learning the subject of operating systems are limited to presenting different approaches for teaching the subject and generally do not evaluate students’ learning to verify the effectiveness of the proposed methods, nor do they use rigorous research methodologies. On the other hand, there are very few studies on teaching operating systems online, which may inherently present more difficulties than the in-person format, since an online context imposes a series of restrictions on both professors and students, such as not having face-to-face interaction for communications. This thesis studies a formative assessment of the subject of operating systems, as part of the Degree in Information Technology Engineering for an online university. The initial objective of this assessment was to determine the students’ difficulties in conceptual comprehension for this subject. Once students had accepted the assessment, the study’s objectives were expanded to include an investigation of the effects of the assessment on learning. The designed formative assessment was based on Revised Bloom’s Taxonomy with the following main objectives: (a) to promote meaningful learning and (b) (b) to make students aware of their learning process. The research methodology involves a qualitative case study with a sample consisting of 9 of the total 13 students registered for this course. The qualitative data analyzed comes from the formative assessment tests taken by these students during the course. The most difficult operating systems concepts for students in the online course were interrupts and semaphores. Additionally, the specific difficulties and their possible causes have been identified. The students’ comprehension difficulties with semaphores corroborate the existing research in the area of concurrent programming. The other identified difficulties were not discussed in the existing literature. Regarding the effects of the formative assessment on learning, the empirical evidence shows that it causes students to reflect carefully on the subject’s concepts as well as their own learning process. The presented case study can help professors in the area of engineering to create formative assessments for online courses. This thesis, therefore, makes relevant contributions to the areas of teaching and learning operating systems, formative assessment, qualitative methodologies, and online education.

Sistemas web con alta disponibilidad en cloud

Este trabajo contiene el estudio de las tecnologías que se están usando actualmente en web, tratando de explicar cuáles son sus principales componentes, su objetivo y funcionamiento. En base a un supuesto teórico de un montaje para un servicio web con un número muy alto de usuarios, y basándose en las tecnologías estudiadas, se propone un posible montaje completo de un sistema, que sería capaz de gestionar correctamente todas las peticiones, evitando fallos y tiempos de indisponibilidad. Se a~nade un análisis teórico de los costes deribados de la implantación del sistema, comparándolo con un sistema web convencional, y otro análisis con el funcionamiento de una caché y los benéficos, en carga, derivados de su uso.---ABSTRACT---This work contains a study about new web technologies. Its objective is to explain the web technologies componentes with their particular usage and performance. Based on a theorical postulation about a preparation of a web service with a large number of users, and working with the studied technologies, a complete system assembling is proposed. This system will be able to attend all the incoming requests, without failures nor downtimes. It is attached a theorical study of the derivative costs associated to the system implementation, compared to a traditional one. In addition, another study is included with the work ow of a cache and the benefits derived of its usage in work terms.

Monitorización de sistemas en alta disponibilidad

El objetivo del proyecto es implantar un sistema de monitorización, con la peculiaridad de encontrarse en alta disponibilidad, esto es, que el servicio (la monitorización de una infraestructura) se preste forma continua y no se vea interrumpido. Dado que el propósito del sistema es monitorizar activamente una infraestructura, ha sido necesario desplegar una infraestructura, además del sistema de monitorización. La infraestructura en cuestión está compuesta por un servidor de documentación, un servidor de base de datos, un servidor de aplicaciones y un servidor web. El sistema de monitorización se ha desplegado en la misma red de área local de esta infraestructura y monitoriza que los servicios prestados por los componentes de esta infraestructura se encuentren operativos y funcionando adecuadamente. Así pues, se tendría un sistema de monitorización local funcional. No obstante, el proyecto plantea un sistema escalable, que esté preparado para el crecimiento de la infraestructura y continúe siendo eficiente. Para ello, sistema de monitorización se encuentre dividido por dos componentes:  Sonda delegada: monitoriza localmente los activos de la infraestructura a monitorizar, es el escenario anteriormente descrito.  Sonda maestra: recibe los resultados de la monitorización realizada, este sistema puede estar desplegado en otra red distinta a la sonda delegada. Este enfoque no solo es escalable, sino también es fiel a la realidad, pues puede darse el caso de que las sondas pertenezcan a distintas infraestructuras e inclusive, distintas organizaciones, y se comuniquen a través de internet, mediante un mecanismo confiable a ser posible. El proyecto plantea que ambas sondas se encuentren en alta disponibilidad (en adelante HA, referente a high availability), y que cada sonda está compuesta por dos equipos (nodos, en adelante). Como se analizará en posteriores capítulos, existen diversas configuraciones que permiten implantar un sistema en HA, la configuración escogida para el proyecto es Activo – Pasivo(los detalles de esta configuración también se explican en posteriores capítulos). Para finalizar, se estudiara la posibilidad de ofrecer respuestas activas en ciertas situaciones y configuraciones adicionales sobre el sistema de monitorización base. Por otro lado, para la implantación del proyecto se ha usado software de código abierto para la virtualización de la infraestructura (Virtual Box y GNS3), los sistemas operativos base (Linux), el sistema de monitorización(Nagios Core) así como el software que implementa la HA (corosync y pacemaker).---ABSTRACT---The aim of the Project is to implement a monitoring system, with the peculiarity of being deployed in high availability, what it is that the service (monitoring infrastructure) is provided continuously and not interrupted. As the purpose of the system is monitoring infrastructure actively, an infrastructure has been deployed, and also the monitoring system. The infrastructure monitored is composed of a documentation server, a server database, an application server and a Web server. The monitoring system has been also deployed on the same LAN of this infrastructure and monitors the services provided by the components of this infrastructure are operational and working as expected. This is a local monitoring system functional. However, the project also proposes a scalable system that is ready for growth of infrastructure and efficient. This is the reason of divide the system in two components:  Slave Component: monitors locally the infrastructure assets to be monitored, this is the scenario described above.  Master Component: get the results from the monitoring, provided by the Slave Component. This system can be deployed in a different network than the slave component. This approach is not only scalable but also a real scenario, as may be the case that the Components belongs to different infrastructures and even, different organizations, also this components can communicate over the Internet, through a reliable mechanism if possible. The project proposes that both Components are deployed in high availability (HA onwards concerning high availability), each Component is composed of two servers (nodes, hereafter). As will be discussed in later chapters, there are several settings available to deploy a system in HA, the configuration chosen for the project is Active - Passive (details of this configuration are also explained in later chapters). Finally the possibility of offering active responses in certain situations and additional settings on the monitoring system will be discussed. On the other hand, for the implementation of the project, open source software has been used, for virtualization infrastructure (Virtual Box and GNS3), code-based operating systems (Linux), the monitoring system (Nagios core), as well as the software that implements the HA (corosync and pacemaker).