Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

Changing assessment methods: New rules, new roles

Over the past 20 years,theuse of Computer Algebra Systems(CAS) has helped with the teaching of mathematics inengineer-ingschools. However the traditional use of CAS only in math labs has led to a narrow view by the student: the CAS is an additional work, not included in the learning process. The didactic guidelines of the European Higher Education Area(EHEA) propose a new teaching–learning model based on competencies. We suggest the use of the CAS be adapted to the new rules. In this paper,we present a model for the integrated use of the CAS,and we describe and analyze two experiments carried out in the academic year2011–2012. Our analysis suggests that the use of CAS in all learning and assessment activities has the potential to positively influence the development of competencies.

Time-multiscale methods for the simulation of slow transport problems in atomistic systems

En esta tesis presentamos una teoría adaptada a la simulación de fenómenos lentos de transporte en sistemas atomísticos. En primer lugar, desarrollamos el marco teórico para modelizar colectividades estadísticas de equilibrio. A continuación, lo adaptamos para construir modelos de colectividades estadísticas fuera de equilibrio. Esta teoría reposa sobre los principios de la mecánica estadística, en particular el principio de máxima entropía de Jaynes, utilizado tanto para sistemas en equilibrio como fuera de equilibrio, y la teoría de las aproximaciones del campo medio. Expresamos matemáticamente el problema como un principio variacional en el que maximizamos una entropía libre, en lugar de una energía libre. La formulación propuesta permite definir equivalentes atomísticos de variables macroscópicas como la temperatura y la fracción molar. De esta forma podemos considerar campos macroscópicos no uniformes. Completamos el marco teórico con reglas de cuadratura de Monte Carlo, gracias a las cuales obtenemos modelos computables. A continuación, desarrollamos el conjunto completo de ecuaciones que gobiernan procesos de transporte. Deducimos la desigualdad de disipación entrópica a partir de fuerzas y flujos termodinámicos discretos. Esta desigualdad nos permite identificar la estructura que deben cumplir los potenciales cinéticos discretos. Dichos potenciales acoplan las tasas de variación en el tiempo de las variables microscópicas con las fuerzas correspondientes. Estos potenciales cinéticos deben ser completados con una relación fenomenológica, del tipo definido por la teoría de Onsanger. Por último, aportamos validaciones numéricas. Con ellas ilustramos la capacidad de la teoría presentada para simular propiedades de equilibrio y segregación superficial en aleaciones metálicas. Primero, simulamos propiedades termodinámicas de equilibrio en el sistema atomístico. A continuación evaluamos la habilidad del modelo para reproducir procesos de transporte en sistemas complejos que duran tiempos largos con respecto a los tiempos característicos a escala atómica. ABSTRACT In this work, we formulate a theory to address simulations of slow time transport effects in atomic systems. We first develop this theoretical framework in the context of equilibrium of atomic ensembles, based on statistical mechanics. We then adapt it to model ensembles away from equilibrium. The theory stands on Jaynes' maximum entropy principle, valid for the treatment of both, systems in equilibrium and away from equilibrium and on meanfield approximation theory. It is expressed in the entropy formulation as a variational principle. We interpret atomistic equivalents of macroscopic variables such as the temperature and the molar fractions, wich are not required to be uniform, but can vary from particle to particle. We complement this theory with Monte Carlo summation rules for further approximation. In addition, we provide a framework for studying transport processes with the full set of equations driving the evolution of the system. We first derive a dissipation inequality for the entropic production involving discrete thermodynamic forces and fluxes. This discrete dissipation inequality identifies the adequate structure for discrete kinetic potentials which couple the microscopic field rates to the corresponding driving forces. Those kinetic potentials must finally be expressed as a phenomenological rule of the Onsanger Type. We present several validation cases, illustrating equilibrium properties and surface segregation of metallic alloys. We first assess the ability of a simple meanfield model to reproduce thermodynamic equilibrium properties in systems with atomic resolution. Then, we evaluate the ability of the model to reproduce a long-term transport process in complex systems.

Optimization methods for the operating room management under uncertainty: stochastic programming vs. decomposition approach

The operating theatres are the engine of the hospitals; proper management of the operating rooms and its staff represents a great challenge for managers and its results impact directly in the budget of the hospital. This work presents a MILP model for the efficient schedule of multiple surgeries in Operating Rooms (ORs) during a working day. This model considers multiple surgeons and ORs and different types of surgeries. Stochastic strategies are also implemented for taking into account the uncertain in surgery durations (pre-incision, incision, post-incision times). In addition, a heuristic-based methods and a MILP decomposition approach is proposed for solving large-scale ORs scheduling problems in computational efficient way. All these computer-aided strategies has been implemented in AIMMS, as an advanced modeling and optimization software, developing a user friendly solution tool for the operating room management under uncertainty.

Métodos diferenciales e interferométricos para la evaluación de deformaciones de la corteza terrestre mediante técnicas GNSS e InSAR = Differential and interferometric methods for evaluation of crustal deformation using GNSS and InSAR techniques

La actividad volcánica interviene en multitud de facetas de la propia actividad humana, no siempre negativas. Sin embargo, son más los motivos de peligrosidad y riesgo que incitan al estudio de la actividad volcánica. Existen razones de seguridad que inciden en el mantenimiento del seguimiento y monitorización de la actividad volcánica para garantizar la vida y la seguridad de los asentamientos antrópicos en las proximidades de los edificios volcánicos. En esta tesis se define e implementa un sistema de monitorización de movimientos de la corteza en las islas de Tenerife y La Palma, donde el impacto social que representa un aumento o variación de la actividad volcánica en las islas es muy severo. Aparte de la alta densidad demográfica del Archipiélago, esta población aumenta significativamente, en diferentes periodos a lo largo del año, debido a la actividad turística que representa la mayor fuente de ingresos de las islas. La población y los centros turísticos se diseminan predominantemente a lo largo de las costas y también a lo largo de los flancos de los edificios volcánicos. Quizá el mantenimiento de estas estructuras sociales y socio-económicas son los motivos más importantes que justifican una monitorización de la actividad volcánica en las Islas Canarias. Recientemente se ha venido trabajando cada vez más en el intento de predecir la actividad volcánica utilizando los nuevos sistemas de monitorización geodésica, puesto que la actividad volcánica se manifiesta anteriormente por deformación de la corteza terrestre y cambios en la fuerza de la gravedad en la zona donde más tarde se registran eventos volcánicos. Los nuevos dispositivos y sensores que se han desarrollado en los últimos años en materias como la geodesia, la observación de la Tierra desde el espacio y el posicionamiento por satélite, han permitido observar y medir tanto la deformación producida en el terreno como los cambios de la fuerza de la gravedad antes, durante y posteriormente a los eventos volcánicos que se producen. Estos nuevos dispositivos y sensores han cambiado las técnicas o metodologías geodésicas que se venían utilizando hasta la aparición de los mismos, renovando métodos clásicos y desarrollando otros nuevos que ya se están afianzando como metodologías probadas y reconocidas para ser usadas en la monitorización volcánica. Desde finales de la década de los noventa del siglo pasado se han venido desarrollando en las Islas Canarias varios proyectos que han tenido como objetivos principales el desarrollo de nuevas técnicas de observación y monitorización por un lado y el diseño de una metodología de monitorización volcánica adecuada, por otro. Se presenta aquí el estudio y desarrollo de técnicas GNSS para la monitorización de deformaciones corticales y su campo de velocidades para las islas de Tenerife y La Palma. En su implementación, se ha tenido en cuenta el uso de la infraestructura geodésica y de monitorización existente en el archipiélago a fin de optimizar costes, además de complementarla con nuevas estaciones para dar una cobertura total a las dos islas. Los resultados obtenidos en los proyectos, que se describen en esta memoria, han dado nuevas perspectivas en la monitorización geodésica de la actividad volcánica y nuevas zonas de interés que anteriormente no se conocían en el entorno de las Islas Canarias. Se ha tenido especial cuidado en el tratamiento y propagación de los errores durante todo el proceso de observación, medida y proceso de los datos registrados, todo ello en aras de cuantificar el grado de fiabilidad de los resultados obtenidos. También en este sentido, los resultados obtenidos han sido verificados con otros procedentes de sistemas de observación radar de satélite, incorporando además a este estudio las implicaciones que el uso conjunto de tecnologías radar y GNSS tendrán en un futuro en la monitorización de deformaciones de la corteza terrestre. ABSTRACT Volcanic activity occurs in many aspects of human activity, and not always in a negative manner. Nonetheless, research into volcanic activity is more likely to be motivated by its danger and risk. There are security reasons that influence the monitoring of volcanic activity in order to guarantee the life and safety of human settlements near volcanic edifices. This thesis defines and implements a monitoring system of movements in the Earth’s crust in the islands of Tenerife and La Palma, where the social impact of an increase (or variation) of volcanic activity is very severe. Aside from the high demographic density of the archipelago, the population increases significantly in different periods throughout the year due to tourism, which represents a major source of revenue for the islands. The population and the tourist centres are mainly spread along the coasts and also along the flanks of the volcanic edifices. Perhaps the preservation of these social and socio-economic structures is the most important reason that justifies monitoring volcanic activity in the Canary Islands. Recently more and more work has been done with the intention of predicting volcanic activity, using new geodesic monitoring systems, since volcanic activity is evident prior to eruption because of a deformation of the Earth’s crust and changes in the force of gravity in the zone where volcanic events will later be recorded. The new devices and sensors that have been developed in recent years in areas such as geodesy, the observation of the Earth from space, and satellite positioning have allowed us to observe and measure the deformation produced in the Earth as well as the changes in the force of gravity before, during, and after the volcanic events occur. The new devices and sensors have changed the geodetic techniques and methodologies that were used previously. The classic methods have been renovated and other newer ones developed that are now vouched for as proven recognised methodologies to be used for volcanic monitoring. Since the end of the 1990s, in the Canary Islands various projects have been developed whose principal aim has been the development of new observation and monitoring techniques on the one hand, and the design of an appropriate volcanic monitoring methodology on the other. The study and development of GNSS techniques for the monitoring of crustal deformations and their velocity field is presented here. To carry out the study, the use of geodetic infrastructure and existing monitoring in the archipelago have been taken into account in order to optimise costs, besides complementing it with new stations for total coverage on both islands. The results obtained in the projects, which are described below, have produced new perspectives in the geodetic monitoring of volcanic activity and new zones of interest which previously were unknown in the environment of the Canary Islands. Special care has been taken with the treatment and propagation of errors during the entire process of observing, measuring, and processing the recorded data. All of this was done in order to quantify the degree of trustworthiness of the results obtained. Also in this sense, the results obtained have been verified with others from satellite radar observation systems, incorporating as well in this study the implications that the joint use of radar technologies and GNSS will have for the future of monitoring deformations in the Earth’s crust.

Adaptation Strategies for Discontinuous Galerkin Spectral Element Methods by means of Truncation Error Estimations

In this work a p-adaptation (modification of the polynomial order) strategy based on the minimization of the truncation error is developed for high order discontinuous Galerkin methods. The truncation error is approximated by means of a truncation error estimation procedure and enables the identification of mesh regions that require adaptation. Three truncation error estimation approaches are developed and termed a posteriori, quasi-a priori and quasi-a priori corrected. Fine solutions, which are obtained by enriching the polynomial order, are required to solve the numerical problem with adequate accuracy. For the three truncation error estimation methods the former needs time converged solutions, while the last two rely on non-converged solutions, which lead to faster computations. Based on these truncation error estimation methods, algorithms for mesh adaptation were designed and tested. Firstly, an isotropic adaptation approach is presented, which leads to equally distributed polynomial orders in different coordinate directions. This first implementation is improved by incorporating a method to extrapolate the truncation error. This results in a significant reduction of computational cost. Secondly, the employed high order method permits the spatial decoupling of the estimated errors and enables anisotropic p-adaptation. The incorporation of anisotropic features leads to meshes with different polynomial orders in the different coordinate directions such that flow-features related to the geometry are resolved in a better manner. These adaptations result in a significant reduction of degrees of freedom and computational cost, while the amount of improvement depends on the test-case. Finally, this anisotropic approach is extended by using error extrapolation which leads to an even higher reduction in computational cost. These strategies are verified and compared in terms of accuracy and computational cost for the Euler and the compressible Navier-Stokes equations. The main result is that the two quasi-a priori methods achieve a significant reduction in computational cost when compared to a uniform polynomial enrichment. Namely, for a viscous boundary layer flow, we obtain a speedup of a factor of 6.6 and 7.6 for the quasi-a priori and quasi-a priori corrected approaches, respectively. RESUMEN En este trabajo se ha desarrollado una estrategia de adaptación-p (modificación del orden polinómico) para métodos Galerkin discontinuo de alto orden basada en la minimización del error de truncación. El error de truncación se estima utilizando el método tau-estimation. El estimador permite la identificación de zonas de la malla que requieren adaptación. Se distinguen tres técnicas de estimación: a posteriori, quasi a priori y quasi a priori con correción. Todas las estrategias requieren una solución obtenida en una malla fina, la cual es obtenida aumentando de manera uniforme el orden polinómico. Sin embargo, mientras que el primero requiere que esta solución esté convergida temporalmente, el resto utiliza soluciones no convergidas, lo que se traduce en un menor coste computacional. En este trabajo se han diseñado y probado algoritmos de adaptación de malla basados en métodos tau-estimation. En primer lugar, se presenta un algoritmo de adaptacin isótropo, que conduce a discretizaciones con el mismo orden polinómico en todas las direcciones espaciales. Esta primera implementación se mejora incluyendo un método para extrapolar el error de truncación. Esto resulta en una reducción significativa del coste computacional. En segundo lugar, el método de alto orden permite el desacoplamiento espacial de los errores estimados, permitiendo la adaptación anisotropica. Las mallas obtenidas mediante esta técnica tienen distintos órdenes polinómicos en cada una de las direcciones espaciales. La malla final tiene una distribución óptima de órdenes polinómicos, los cuales guardan relación con las características del flujo que, a su vez, depenen de la geometría. Estas técnicas de adaptación reducen de manera significativa los grados de libertad y el coste computacional. Por último, esta aproximación anisotropica se extiende usando extrapolación del error de truncación, lo que conlleva un coste computational aún menor. Las estrategias se verifican y se comparan en téminors de precisión y coste computacional utilizando las ecuaciones de Euler y Navier Stokes. Los dos métodos quasi a priori consiguen una reducción significativa del coste computacional en comparación con aumento uniforme del orden polinómico. En concreto, para una capa límite viscosa, obtenemos una mejora en tiempo de computación de 6.6 y 7.6 respectivamente, para las aproximaciones quasi-a priori y quasi-a priori con corrección.