Prácticas de Topografía con el Observatorio Robotizado Montegancedo

En el programa formativo del actual Ingeniero Técnico en Topografía está presente la Astronomía Geodésica o de Posición con el fin de que el futuro profesional conozca los elementos de astronomía necesarios para poder calcular coordenadas latitud y longitud de puntos sobre la superficie terrestre, así como el acimut de direcciones a otros puntos a partir de observaciones a las estrellas. Aunque los métodos astronómicos se van sustituyendo por los métodos por observaciones a satélites (GNSS), ciertos conocimientos astronómicos son necesarios para poder comprender tanto los sistemas de referencias celestes y terrestres, como las observaciones geodésicas y geofísicas. Dentro de este programa formativo juegan un papel fundamental la realización de prácticas en las que el alumno vea y desarrolle sus habilidades para calcular parámetros astronómicos, resultado de su propia observación. En la ETSI de Topografía se viene realizando prácticas de observación a la estrella polar, con el fin de calcular el acimut de una dirección. También observaciones al Sol con el mismo objetivo. La utilización de equipos ópticos clásicos en esta observación entraña cierto riesgo al colocar el ojo sobre el ocular cuando se tiene enfocado el Sol. En prevención de fatales accidentes estas observaciones al Sol fueron retiradas del programa formativo. Recientemente, y gracias a la utilización de un telescopio robotizado, el observatorio Montegancedo (http://om.fi.upm.es), y con registro de imágenes, se ha podido rescatar este tipo de prácticas de observaciones al Sol en la formación de los ingenieros técnicos topográficos (ITT) de la Escuela. Se muestran en este artículo los objetivos perseguidos en esta experiencia, los métodos y materiales utilizados para la misma así como una serie de impresiones finales que se han encontrado en la realización de estas experiencias prácticas.

Making Transport Safer: V2V-Based Automated Emergency Braking System

An important goal in the field of intelligent transportation systems (ITS) is to provide driving aids aimed at preventing accidents and reducing the number of traffic victims. The commonest traffic accidents in urban areas are due to sudden braking that demands a very fast response on the part of drivers. Attempts to solve this problem have motivated many ITS advances including the detection of the intention of surrounding cars using lasers, radars or cameras. However, this might not be enough to increase safety when there is a danger of collision. Vehicle to vehicle communications are needed to ensure that the other intentions of cars are also available. The article describes the development of a controller to perform an emergency stop via an electro-hydraulic braking system employed on dry asphalt. An original V2V communication scheme based on WiFi cards has been used for broadcasting positioning information to other vehicles. The reliability of the scheme has been theoretically analyzed to estimate its performance when the number of vehicles involved is much higher. This controller has been incorporated into the AUTOPIA program control for automatic cars. The system has been implemented in Citroën C3 Pluriel, and various tests were performed to evaluate its operation.

Mapping wide row crops with video sequences acquired from a tractor moving at treatment speed

This paper presents a mapping method for wide row crop fields. The resulting map shows the crop rows and weeds present in the inter-row spacing. Because field videos are acquired with a camera mounted on top of an agricultural vehicle, a method for image sequence stabilization was needed and consequently designed and developed. The proposed stabilization method uses the centers of some crop rows in the image sequence as features to be tracked, which compensates for the lateral movement (sway) of the camera and leaves the pitch unchanged. A region of interest is selected using the tracked features, and an inverse perspective technique transforms the selected region into a bird’s-eye view that is centered on the image and that enables map generation. The algorithm developed has been tested on several video sequences of different fields recorded at different times and under different lighting conditions, with good initial results. Indeed, lateral displacements of up to 66% of the inter-row spacing were suppressed through the stabilization process, and crop rows in the resulting maps appear straight

On the biomimetic design of agile-robot legs

The development of functional legged robots has encountered its limits in human-made actuation technology. This paper describes research on the biomimetic design of legs for agile quadrupeds. A biomimetic leg concept that extracts key principles from horse legs which are responsible for the agile and powerful locomotion of these animals is presented. The proposed biomimetic leg model defines the effective leg length, leg kinematics, limb mass distribution, actuator power, and elastic energy recovery as determinants of agile locomotion, and values for these five key elements are given. The transfer of the extracted principles to technological instantiations is analyzed in detail, considering the availability of current materials, structures and actuators. A real leg prototype has been developed following the biomimetic leg concept proposed. The actuation system is based on the hybrid use of series elasticity and magneto-rheological dampers which provides variable compliance for natural motion. From the experimental evaluation of this prototype, conclusions on the current technological barriers to achieve real functional legged robots to walk dynamically in agile locomotion are presented.

PDR with a foot-mounted IMU and ramp detection

The localization of persons in indoor environments is nowadays an open problem. There are partial solutions based on the deployment of a network of sensors (Local Positioning Systems or LPS). Other solutions only require the installation of an inertial sensor on the person’s body (Pedestrian Dead-Reckoning or PDR). PDR solutions integrate the signals coming from an Inertial Measurement Unit (IMU), which usually contains 3 accelerometers and 3 gyroscopes. The main problem of PDR is the accumulation of positioning errors due to the drift caused by the noise in the sensors. This paper presents a PDR solution that incorporates a drift correction method based on detecting the access ramps usually found in buildings. The ramp correction method is implemented over a PDR framework that uses an Inertial Navigation algorithm (INS) and an IMU attached to the person’s foot. Unlike other approaches that use external sensors to correct the drift error, we only use one IMU on the foot. To detect a ramp, the slope of the terrain on which the user is walking, and the change in height sensed when moving forward, are estimated from the IMU. After detection, the ramp is checked for association with one of the existing in a database. For each associated ramp, a position correction is fed into the Kalman Filter in order to refine the INS-PDR solution. Drift-free localization is achieved with positioning errors below 2 meters for 1,000-meter-long routes in a building with a few ramps.

Ultrasonic sensors in urban traffic driving-aid systems

Currently, vehicles are often equipped with active safety systems to reduce the risk of accidents, most of which occur in urban environments. The most prominent include Antilock Braking Systems (ABS), Traction Control and Stability Control. All these systems use different kinds of sensors to constantly monitor the conditions of the vehicle, and act in an emergency. In this paper the use of ultrasonic sensors in active safety systems for urban traffic is proposed, and the advantages and disadvantages when compared to other sensors are discussed. Adaptive Cruise Control (ACC) for urban traffic based on ultrasounds is presented as an application example. The proposed system has been implemented in a fully-automated prototype vehicle and has been tested under real traffic conditions. The results confirm the good performance of ultrasonic sensors in these systems. ©2011 by the authors.

Grapevine Yield and Leaf Area Estimation Using Supervised Classification Methodology on RGB Images Taken under Field Conditions

The aim of this research was to implement a methodology through the generation of a supervised classifier based on the Mahalanobis distance to characterize the grapevine canopy and assess leaf area and yield using RGB images. The method automatically processes sets of images, and calculates the areas (number of pixels) corresponding to seven different classes (Grapes, Wood, Background, and four classes of Leaf, of increasing leaf age). Each one is initialized by the user, who selects a set of representative pixels for every class in order to induce the clustering around them. The proposed methodology was evaluated with 70 grapevine (V. vinifera L. cv. Tempranillo) images, acquired in a commercial vineyard located in La Rioja (Spain), after several defoliation and de-fruiting events on 10 vines, with a conventional RGB camera and no artificial illumination. The segmentation results showed a performance of 92% for leaves and 98% for clusters, and allowed to assess the grapevine’s leaf area and yield with R2 values of 0.81 (p < 0.001) and 0.73 (p = 0.002), respectively. This methodology, which operates with a simple image acquisition setup and guarantees the right number and kind of pixel classes, has shown to be suitable and robust enough to provide valuable information for vineyard management.

Software para análisis automático de ficheros de imagen

El presente proyecto fin de carrera consiste en el diseño, desarrollo e implementación de una aplicación informática cuya función sea la identificación de distintos ficheros de imagen, audio y video y la interpretación y presentación de los metadatos asociados a los mismos. El software desarrollado, EXTRACTORDATOS_LBS, reconocerá el tipo de formato del fichero bajo estudio a partir del análisis de los bytes de identificación contenidos en la cabecera del archivo. En base a la información registrada en dicha cabecera, la aplicación interpretará el contenido de los metadatos asociados al fichero, mostrando por pantalla aquellos que resulten de interés para el análisis de los mismos. Previamente a la implementación del software se acomete el análisis teórico de los formatos de diversos archivos multimedia, recogidos en múltiples normas y recomendaciones. Tras esa identificación, se procede al desarrollo de la aplicación EXTRACTORDATOS_LBS , que informa de los parámetros de interés contenidos en las cabeceras de los archivos. El desarrollo se ilustra con los diagramas conceptuales asociados a la arquitectura del software implementado. De igual forma, se muestran las salidas por pantalla de una serie de ficheros de muestra, y se presenta el manual de usuario de la aplicación. La versión electrónica de este documento acompaña el ejecutable que permite el análisis de los archivos. This final project consists in the design, development and implementation of a computer application whose function is the identification of different image, audio and video files and the interpretation and presentation of their metadata. The software developed, EXTRACTORDATOS_LBS, will recognize the type of the file under study through the analysis of the identification bytes contained on the file’s header. Based on information registered in this header, the application will interpret the metadata content associated to file, displaying the most interesting ones for their analysis. Prior to the software implementation, a theoretical analysis of the different formats of media files is undertaken. After this identification, the application EXTRACTORDATOS_LBS is developed. This software analyzes and displays the most interesting parameters contained in multimedia file’s header. The development of the application is illustrated with flow charts associated to the architecture of the software. Furthermore, some graphic examples of use of the program are included, as well as the user’s manual. The electronic version of this document attaches the executable file that permits file analysis.

Face detection in C#

Actualmente la detección del rostro humano es un tema difícil debido a varios parámetros implicados. Llega a ser de interés cada vez mayor en diversos campos de aplicaciones como en la identificación personal, la interface hombre-máquina, etc. La mayoría de las imágenes del rostro contienen un fondo que se debe eliminar/discriminar para poder así detectar el rostro humano. Así, este proyecto trata el diseño y la implementación de un sistema de detección facial humana, como el primer paso en el proceso, dejando abierto el camino, para en un posible futuro, ampliar este proyecto al siguiente paso, que sería, el Reconocimiento Facial, tema que no trataremos aquí. En la literatura científica, uno de los trabajos más importantes de detección de rostros en tiempo real es el algoritmo de Viola and Jones, que ha sido tras su uso y con las librerías de Open CV, el algoritmo elegido para el desarrollo de este proyecto. A continuación explicaré un breve resumen sobre el funcionamiento de mi aplicación. Mi aplicación puede capturar video en tiempo real y reconocer el rostro que la Webcam captura frente al resto de objetos que se pueden visualizar a través de ella. Para saber que el rostro es detectado, éste es recuadrado en su totalidad y seguido si este mueve. A su vez, si el usuario lo desea, puede guardar la imagen que la cámara esté mostrando, pudiéndola almacenar en cualquier directorio del PC. Además, incluí la opción de poder detectar el rostro humano sobre una imagen fija, cualquiera que tengamos guardada en nuestro PC, siendo mostradas el número de caras detectadas y pudiendo visualizarlas sucesivamente cuantas veces queramos. Para todo ello como bien he mencionado antes, el algoritmo usado para la detección facial es el de Viola and Jones. Este algoritmo se basa en el escaneo de toda la superficie de la imagen en busca del rostro humano, para ello, primero la imagen se transforma a escala de grises y luego se analiza dicha imagen, mostrando como resultado el rostro encuadrado. ABSTRACT Currently the detection of human face is a difficult issue due to various parameters involved. Becomes of increasing interest in various fields of applications such as personal identification, the man-machine interface, etc. Most of the face images contain a fund to be removed / discriminate in order to detect the human face. Thus, this project is the design and implementation of a human face detection system, as the first step in the process, leaving the way open for a possible future, extend this project to the next step would be, Facial Recognition , a topic not covered here. In the literature, one of the most important face detection in real time is the algorithm of Viola and Jones, who has been after use with Open CV libraries, the algorithm chosen for the development of this project. I will explain a brief summary of the performance of my application. My application can capture video in real time and recognize the face that the Webcam Capture compared to other objects that can be viewed through it. To know that the face is detected, it is fully boxed and followed if this move. In turn, if the user may want to save the image that the camera is showing, could store in any directory on your PC. I also included the option to detect the human face on a still image, whatever we have stored in your PC, being shown the number of faces detected and can view them on more times. For all as well I mentioned before, the algorithm used for face detection is that of Viola and Jones. This algorithm is based on scanning the entire surface of the image for the human face, for this, first the image is converted to gray-scale and then analyzed the image, showing results in the face framed.

Arquitectura de información para medicion de rendimiento en entornos e-manufacturing

La implantación de las tecnologías Internet ha permitido la extensión del uso de estrategias e-manufacturing y el desarrollo de herramientas para la recopilación, transformación y sincronización de datos de fabricación vía web. En este ámbito, un área de potencial desarrollo es la extensión del virtual manufacturing a los procesos de Performance Management (PM), área crítica para la toma de decisiones y ejecución de acciones de mejora en fabricación. Este trabajo doctoral propone un Arquitectura de Información para el desarrollo de herramientas virtuales en el ámbito PM. Su aplicación permite asegurar la interoperabilidad necesaria en los procesos de tratamiento de información de toma de decisión. Está formado por tres sub-sistemas: un modelo conceptual, un modelo de objetos y un marco Web compuesto de una plataforma de información y una arquitectura de servicios Web (WS). El modelo conceptual y el modelo de objetos se basa en el desarrollo de toda la información que se necesita para definir y obtener los diferentes indicadores de medida que requieren los procesos PM. La plataforma de información hace uso de las tecnologías XML y B2MML para estructurar un nuevo conjunto de esquemas de mensajes de intercambio de medición de rendimiento (PMXML). Esta plataforma de información se complementa con una arquitectura de servicios web que hace uso de estos esquemas para integrar los procesos de codificación, decodificación, traducción y evaluación de los performance key indicators (KPI). Estos servicios realizan todas las transacciones que permiten transformar los datos origen en información inteligente usable en los procesos de toma de decisión. Un caso práctico de intercambio de datos en procesos de medición del área de mantenimiento de equipos es mostrado para verificar la utilidad de la arquitectura. ABSTRAC The implementation of Internet technologies has led to e-Manufacturing technologies becoming more widely used and to the development of tools for compiling, transforming and synchronizing manufacturing data through the Web. In this context, a potential area for development is the extension of virtual manufacturing to Performance Measurement (PM) processes, a critical area for decision-making and implementing improvement actions in manufacturing. This thesis proposes a Information Architecture to integrate decision support systems in e-manufacturing. Specifically, the proposed architecture offers a homogeneous PM information exchange model that can be applied trough decision support in emanufacturing environment. Its application improves the necessary interoperability in decision-making data processing tasks. It comprises three sub-systems: a data model, a object model and Web Framework which is composed by a PM information platform and PM-Web services architecture. . The data model and the object model are based on developing all the information required to define and acquire the different indicators required by PM processes. The PM information platform uses XML and B2MML technologies to structure a new set of performance measurement exchange message schemas (PM-XML). This PM information platform is complemented by a PM-Web Services architecture that uses these schemas to integrate the coding, decoding, translation and assessment processes of the key performance indicators (KPIs). These services perform all the transactions that enable the source data to be transformed into smart data that can be used in the decision-making processes. A practical example of data exchange for measurement processes in the area of equipment maintenance is shown to demonstrate the utility of the architecture.

Consciousness, Action Selection, Meaning and Phenomenic Anticipation

Phenomenal states are generally considered the ultimate sources of intrinsic motivation for autonomous biological agents. In this article, we will address the issue of the necessity of exploiting these states for the design and implementation of robust goal-directed artificial systems. We will provide an analysis of consciousness in terms of a precise definition of how an agent "understands" the informational flows entering the agent and its very own action possibilities. This abstract model of consciousness and understanding will be based in the analysis and evaluation of phenomenal states along potential future trajectories in the state space of the agents. This implies that a potential strategy to follow in order to build autonomous but still customer-useful systems is to embed them with the particular, ad hoc phenomenality that captures the system-external requirements that define the system usefulness from a customer-based, requirements-strict engineering viewpoint.

A Model of Emotion as Patterned Metacontrol

Adaptive agents use feedback as a key strategy to cope with un- certainty and change in their environments. The information fed back from the sensorimotor loop into the control subsystem can be used to change four different elements of the controller: parameters associated to the control model, the control model itself, the functional organization of the agent and the functional realization of the agent. There are many change alternatives and hence the complexity of the agent’s space of potential configurations is daunting. The only viable alternative for space- and time-constrained agents —in practical, economical, evolutionary terms— is to achieve a reduction of the dimensionality of this configuration space. Emotions play a critical role in this reduction. The reduction is achieved by func- tionalization, interface minimization and by patterning, i.e. by selection among a predefined set of organizational configurations. This analysis lets us state how autonomy emerges from the integration of cognitive, emotional and autonomic systems in strict functional terms: autonomy is achieved by the closure of functional dependency. Emotion-based morphofunctional systems are able to exhibit complex adaptation patterns at a reduced cognitive cost. In this article we show a general model of how emotion supports functional adaptation and how the emotional biological systems operate following this theoretical model. We will also show how this model is also of applicability to the construction of a wide spectrum of artificial systems1.

Estudio y desarrollo de un preproceso basado en la difusión no lineal para la segmentación en imágenes

En esta Tesis Doctoral se aborda la utilización de filtros de difusión no lineal para obtener imágenes constantes a trozos como paso previo al proceso de segmentación. En una primera parte se propone un formulación intrínseca para la ecuación de difusión no lineal que proporcione las condiciones de diseño necesarias sobre los filtros de difusión. A partir del marco teórico propuesto, se proporciona una nueva familia de difusividades; éstas son obtenidas a partir de técnicas de difusión no lineal relacionadas con los procesos de difusión regresivos. El objetivo es descomponer la imagen en regiones cerradas que sean homogéneas en sus niveles de grises sin contornos difusos. Asimismo, se prueba que la función de difusividad propuesta satisface las condiciones de un correcto planteamiento semi-discreto. Esto muestra que mediante el esquema semi-implícito habitualmente utilizado, realmente se hace un proceso de difusión no lineal directa, en lugar de difusión inversa, conectando con proceso de preservación de bordes. Bajo estas condiciones establecidas, se plantea un criterio de parada para el proceso de difusión, para obtener imágenes constantes a trozos con un bajo coste computacional. Una vez aplicado todo el proceso al caso unidimensional, se extienden los resultados teóricos, al caso de imágenes en 2D y 3D. Para el caso en 3D, se detalla el esquema numérico para el problema evolutivo no lineal, con condiciones de contorno Neumann homogéneas. Finalmente, se prueba el filtro propuesto para imágenes reales en 2D y 3D y se ilustran los resultados de la difusividad propuesta como método para obtener imágenes constantes a trozos. En el caso de imágenes 3D, se aborda la problemática del proceso previo a la segmentación del hígado, mediante imágenes reales provenientes de Tomografías Axiales Computarizadas (TAC). En ese caso, se obtienen resultados sobre la estimación de los parámetros de la función de difusividad propuesta. This Ph.D. Thesis deals with the case of using nonlinear diffusion filters to obtain piecewise constant images as a previous process for segmentation techniques. I have first shown an intrinsic formulation for the nonlinear diffusion equation to provide some design conditions on the diffusion filters. According to this theoretical framework, I have proposed a new family of diffusivities; they are obtained from nonlinear diffusion techniques and are related with backward diffusion. Their goal is to split the image in closed contours with a homogenized grey intensity inside and with no blurred edges. It has also proved that the proposed filters satisfy the well-posedness semi-discrete and full discrete scale-space requirements. This shows that by using semi-implicit schemes, a forward nonlinear diffusion equation is solved, instead of a backward nonlinear diffusion equation, connecting with an edgepreserving process. Under the conditions established for the diffusivity and using a stopping criterion I for the diffusion time, I have obtained piecewise constant images with a low computational effort. The whole process in the one-dimensional case is extended to the case where 2D and 3D theoretical results are applied to real images. For 3D, develops in detail the numerical scheme for nonlinear evolutionary problem with homogeneous Neumann boundary conditions. Finally, I have tested the proposed filter with real images for 2D and 3D and I have illustrated the effects of the proposed diffusivity function as a method to get piecewise constant images. For 3D I have developed a preprocess for liver segmentation with real images from CT (Computerized Tomography). In this case, I have obtained results on the estimation of the parameters of the given diffusivity function.

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

Bats are animals that posses high maneuvering capabilities. Their wings contain dozens of articulations that allow the animal to perform aggressive maneuvers by means of controlling the wing shape during flight (morphing-wings). There is no other flying creature in nature with this level of wing dexterity and there is biological evidence that the inertial forces produced by the wings have a key role in the attitude movements of the animal. This can inspire the design of highly articulated morphing-wing micro air vehicles (not necessarily bat-like) with a significant wing-to-body mass ratio. This thesis presents the development of a novel bat-like micro air vehicle (BaTboT) inspired by the morphing-wing mechanism of bats. BaTboT’s morphology is alike in proportion compared to its biological counterpart Cynopterus brachyotis, which provides the biological foundations for developing accurate mathematical models and methods that allow for mimicking bat flight. In nature bats can achieve an amazing level of maneuverability by combining flapping and morphing wingstrokes. Attempting to reproduce the biological wing actuation system that provides that kind of motion using an artificial counterpart requires the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators. Thus, NiTinol Shape Memory Alloys (SMAs) acting as artificial biceps and triceps muscles are used for mimicking the morphing wing mechanism of the bat flight apparatus. This antagonistic configuration of SMA-muscles response to an electrical heating power signal to operate. This heating power is regulated by a proper controller that allows for accurate and fast SMA actuation. Morphing-wings will enable to change wings geometry with the unique purpose of enhancing aerodynamics performance. During the downstroke phase of the wingbeat motion both wings are fully extended aimed at increasing the area surface to properly generate lift forces. Contrary during the upstroke phase of the wingbeat motion both wings are retracted to minimize the area and thus reducing drag forces. Morphing-wings do not only improve on aerodynamics but also on the inertial forces that are key to maneuver. Thus, a modeling framework is introduced for analyzing how BaTboT should maneuver by means of changing wing morphology. This allows the definition of requirements for achieving forward and turning flight according to the kinematics of the wing modulation. Motivated by the biological fact about the influence of wing inertia on the production of body accelerations, an attitude controller is proposed. The attitude control law incorporates wing inertia information to produce desired roll (φ) and pitch (θ) acceleration commands. This novel flight control approach is aimed at incrementing net body forces (Fnet) that generate propulsion. Mimicking the way how bats take advantage of inertial and aerodynamical forces produced by the wings in order to both increase lift and maneuver is a promising way to design more efficient flapping/morphing wings MAVs. The novel wing modulation strategy and attitude control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling flying robots, that eliminates the need of appendices such as flaps and rudders, and would allow performing more efficient maneuvers, especially useful in confined spaces. As a whole, the BaTboT project consists of five major stages of development: - Study and analysis of biological bat flight data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. - Formulation of mathematical models for: i) wing kinematics, ii) dynamics, iii) aerodynamics, and iv) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modeling the effects of modulating wing inertia into the production of net body forces for maneuvering. - Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of wings and body, ii) SMA muscle-like mechanisms, iii) the wing-membrane, and iv) electronics onboard. It is aimed at developing the bat-like platform (BaTboT) that allows for testing the methods proposed. - The flight controller: i) control of SMA-muscles (morphing-wing modulation) and ii) flight control (attitude regulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BaTboT’s wings. - Experiments: it is aimed at quantifying the effects of properly wing modulation into aerodynamics and inertial production for maneuvering. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving flight efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Windtunnel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the wings can considerably affect the dynamics/aerodynamics of flight and how to take advantage of wing inertia modulation that the morphing-wings enable to properly change wings’ geometry during flapping. Resumen: Los murciélagos son mamíferos con una alta capacidad de maniobra. Sus alas están conformadas por docenas de articulaciones que permiten al animal maniobrar gracias al cambio geométrico de las alas durante el vuelo. Esta característica es conocida como (alas mórficas). En la naturaleza, no existe ningún especimen volador con semejante grado de dexteridad de vuelo, y se ha demostrado, que las fuerzas inerciales producidas por el batir de las alas juega un papel fundamental en los movimientos que orientan al animal en vuelo. Estas características pueden inspirar el diseño de un micro vehículo aéreo compuesto por alas mórficas con redundantes grados de libertad, y cuya proporción entre la masa de sus alas y el cuerpo del robot sea significativa. Esta tesis doctoral presenta el desarrollo de un novedoso robot aéreo inspirado en el mecanismo de ala mórfica de los murciélagos. El robot, llamado BaTboT, ha sido diseñado con parámetros morfológicos muy similares a los descritos por su símil biológico Cynopterus brachyotis. El estudio biológico de este especimen ha permitido la definición de criterios de diseño y modelos matemáticos que representan el comportamiento del robot, con el objetivo de imitar lo mejor posible la biomecánica de vuelo de los murciélagos. La biomecánica de vuelo está definida por dos tipos de movimiento de las alas: aleteo y cambio de forma. Intentar imitar como los murciélagos cambian la forma de sus alas con un prototipo artificial, requiere el análisis de métodos alternativos de actuación que se asemejen a la biomecánica de los músculos que actúan las alas, y evitar el uso de sistemas convencionales de actuación como servomotores ó motores DC. En este sentido, las aleaciones con memoria de forma, ó por sus siglas en inglés (SMA), las cuales son fibras de NiTinol que se contraen y expanden ante estímulos térmicos, han sido usados en este proyecto como músculos artificiales que actúan como bíceps y tríceps de las alas, proporcionando la funcionalidad de ala mórfica previamente descrita. De esta manera, los músculos de SMA son mecánicamente posicionados en una configuración antagonista que permite la rotación de las articulaciones del robot. Los actuadores son accionados mediante una señal de potencia la cual es regulada por un sistema de control encargado que los músculos de SMA respondan con la precisión y velocidad deseada. Este sistema de control mórfico de las alas permitirá al robot cambiar la forma de las mismas con el único propósito de mejorar el desempeño aerodinámico. Durante la fase de bajada del aleteo, las alas deben estar extendidas para incrementar la producción de fuerzas de sustentación. Al contrario, durante el ciclo de subida del aleteo, las alas deben contraerse para minimizar el área y reducir las fuerzas de fricción aerodinámica. El control de alas mórficas no solo mejora el desempeño aerodinámico, también impacta la generación de fuerzas inerciales las cuales son esenciales para maniobrar durante el vuelo. Con el objetivo de analizar como el cambio de geometría de las alas influye en la definición de maniobras y su efecto en la producción de fuerzas netas, simulaciones y experimentos han sido llevados a cabo para medir cómo distintos patrones de modulación de las alas influyen en la producción de aceleraciones lineales y angulares. Gracias a estas mediciones, se propone un control de vuelo, ó control de actitud, el cual incorpora información inercial de las alas para la definición de referencias de aceleración angular. El objetivo de esta novedosa estrategia de control radica en el incremento de fuerzas netas para la adecuada generación de movimiento (Fnet). Imitar como los murciélagos ajustan sus alas con el propósito de incrementar las fuerzas de sustentación y mejorar la maniobra en vuelo es definitivamente un tópico de mucho interés para el diseño de robots aéros mas eficientes. La propuesta de control de vuelo definida en este trabajo de investigación podría dar paso a una nueva forma de control de vuelo de robots aéreos que no necesitan del uso de partes mecánicas tales como alerones, etc. Este control también permitiría el desarrollo de vehículos con mayor capacidad de maniobra. El desarrollo de esta investigación se centra en cinco etapas: - Estudiar y analizar el vuelo de los murciélagos con el propósito de definir criterios de diseño y control. - Formular modelos matemáticos que describan la: i) cinemática de las alas, ii) dinámica, iii) aerodinámica, y iv) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular las alas en la producción de fuerzas netas. - Diseño y fabricación de BaTboT: i) estructura de las alas y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación mórfico basado en SMA, iii) membrana de las alas, y iv) electrónica abordo. - Contro de vuelo compuesto por: i) control de la SMA (modulación de las alas) y ii) regulación de maniobra (actitud). - Experimentos: están enfocados en poder cuantificar cuales son los efectos que ejercen distintos perfiles de modulación del ala en el comportamiento aerodinámico e inercial. El objetivo es demostrar y validar la hipótesis planteada al inicio de esta investigación: mejorar eficiencia de vuelo gracias al novedoso control de orientación (actitud) propuesto en este trabajo. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos son realizados utilizando un túnel de viento con la instrumentación necesaria para llevar a cabo las mediciones de desempeño respectivas. En los resultados se discutirá y demostrará que la inercia producida por las alas juega un papel considerable en el comportamiento dinámico y aerodinámico del sistema y como poder tomar ventaja de dicha característica para regular patrones de modulación de las alas que conduzcan a mejorar la eficiencia del robot en futuros vuelos.

Multimodal non-rigid image registration methods for therapy and surgery planning

La planificación pre-operatoria se ha convertido en una tarea esencial en cirugías y terapias de marcada complejidad, especialmente aquellas relacionadas con órgano blando. Un ejemplo donde la planificación preoperatoria tiene gran interés es la cirugía hepática. Dicha planificación comprende la detección e identificación precisa de las lesiones individuales y vasos así como la correcta segmentación y estimación volumétrica del hígado funcional. Este proceso es muy importante porque determina tanto si el paciente es un candidato adecuado para terapia quirúrgica como la definición del abordaje a seguir en el procedimiento. La radioterapia de órgano blando es un segundo ejemplo donde la planificación se requiere tanto para la radioterapia externa convencional como para la radioterapia intraoperatoria. La planificación comprende la segmentación de tumor y órganos vulnerables y la estimación de la dosimetría. La segmentación de hígado funcional y la estimación volumétrica para planificación de la cirugía se estiman habitualmente a partir de imágenes de tomografía computarizada (TC). De igual modo, en la planificación de radioterapia, los objetivos de la radiación se delinean normalmente sobre TC. Sin embargo, los avances en las tecnologías de imagen de resonancia magnética (RM) están ofreciendo progresivamente ventajas adicionales. Por ejemplo, se ha visto que el ratio de detección de metástasis hepáticas es significativamente superior en RM con contraste Gd–EOB–DTPA que en TC. Por tanto, recientes estudios han destacado la importancia de combinar la información de TC y RM para conseguir el mayor nivel posible de precisión en radioterapia y para facilitar una descripción precisa de las lesiones del hígado. Con el objetivo de mejorar la planificación preoperatoria en ambos escenarios se precisa claramente de un algoritmo de registro no rígido de imagen. Sin embargo, la gran mayoría de sistemas comerciales solo proporcionan métodos de registro rígido. Las medidas de intensidad de voxel han demostrado ser criterios de similitud de imágenes robustos, y, entre ellas, la Información Mutua (IM) es siempre la primera elegida en registros multimodales. Sin embargo, uno de los principales problemas de la IM es la ausencia de información espacial y la asunción de que las relaciones estadísticas entre las imágenes son homogéneas a lo largo de su domino completo. La hipótesis de esta tesis es que la incorporación de información espacial de órganos al proceso de registro puede mejorar la robustez y calidad del mismo, beneficiándose de la disponibilidad de las segmentaciones clínicas. En este trabajo, se propone y valida un esquema de registro multimodal no rígido 3D usando una nueva métrica llamada Información Mutua Centrada en el Órgano (Organ-Focused Mutual Information metric (OF-MI)) y se compara con la formulación clásica de la Información Mutua. Esto permite mejorar los resultados del registro en áreas problemáticas incorporando información regional al criterio de similitud, beneficiándose de la disponibilidad real de segmentaciones en protocolos estándares clínicos, y permitiendo que la dependencia estadística entre las dos modalidades de imagen difiera entre órganos o regiones. El método propuesto se ha aplicado al registro de TC y RM con contraste Gd–EOB–DTPA así como al registro de imágenes de TC y MR para planificación de radioterapia intraoperatoria rectal. Adicionalmente, se ha desarrollado un algoritmo de apoyo de segmentación 3D basado en Level-Sets para la incorporación de la información de órgano en el registro. El algoritmo de segmentación se ha diseñado específicamente para la estimación volumétrica de hígado sano funcional y ha demostrado un buen funcionamiento en un conjunto de imágenes de TC abdominales. Los resultados muestran una mejora estadísticamente significativa de OF-MI comparada con la Información Mutua clásica en las medidas de calidad de los registros; tanto con datos simulados (p<0.001) como con datos reales en registro hepático de TC y RM con contraste Gd– EOB–DTPA y en registro para planificación de radioterapia rectal usando OF-MI multi-órgano (p<0.05). Adicionalmente, OF-MI presenta resultados más estables con menor dispersión que la Información Mutua y un comportamiento más robusto con respecto a cambios en la relación señal-ruido y a la variación de parámetros. La métrica OF-MI propuesta en esta tesis presenta siempre igual o mayor precisión que la clásica Información Mutua y consecuentemente puede ser una muy buena alternativa en aplicaciones donde la robustez del método y la facilidad en la elección de parámetros sean particularmente importantes. Abstract Pre-operative planning has become an essential task in complex surgeries and therapies, especially for those affecting soft tissue. One example where soft tissue preoperative planning is of high interest is liver surgery. It involves the accurate detection and identification of individual liver lesions and vessels as well as the proper functional liver segmentation and volume estimation. This process is very important because it determines whether the patient is a suitable candidate for surgical therapy and the type of procedure. Soft tissue radiation therapy is a second example where planning is required for both conventional external and intraoperative radiotherapy. It involves the segmentation of the tumor target and vulnerable organs and the estimation of the planned dose. Functional liver segmentations and volume estimations for surgery planning are commonly estimated from computed tomography (CT) images. Similarly, in radiation therapy planning, targets to be irradiated and healthy and vulnerable tissues to be protected from irradiation are commonly delineated on CT scans. However, developments in magnetic resonance imaging (MRI) technology are progressively offering advantages. For instance, the hepatic metastasis detection rate has been found to be significantly higher in Gd–EOB–DTPAenhanced MRI than in CT. Therefore, recent studies highlight the importance of combining the information from CT and MRI to achieve the highest level of accuracy in radiotherapy and to facilitate accurate liver lesion description. In order to improve those two soft tissue pre operative planning scenarios, an accurate nonrigid image registration algorithm is clearly required. However, the vast majority of commercial systems only provide rigid registration. Voxel intensity measures have been shown to be robust measures of image similarity, and among them, Mutual Information (MI) is always the first candidate in multimodal registrations. However, one of the main drawbacks of Mutual Information is the absence of spatial information and the assumption that statistical relationships between images are the same over the whole domain of the image. The hypothesis of the present thesis is that incorporating spatial organ information into the registration process may improve the registration robustness and quality, taking advantage of the clinical segmentations availability. In this work, a multimodal nonrigid 3D registration framework using a new Organ- Focused Mutual Information metric (OF-MI) is proposed, validated and compared to the classical formulation of the Mutual Information (MI). It allows improving registration results in problematic areas by adding regional information into the similitude criterion taking advantage of actual segmentations availability in standard clinical protocols and allowing the statistical dependence between the two modalities differ among organs or regions. The proposed method is applied to CT and T1 weighted delayed Gd–EOB–DTPA-enhanced MRI registration as well as to register CT and MRI images in rectal intraoperative radiotherapy planning. Additionally, a 3D support segmentation algorithm based on Level-Sets has been developed for the incorporation of the organ information into the registration. The segmentation algorithm has been specifically designed for the healthy and functional liver volume estimation demonstrating good performance in a set of abdominal CT studies. Results show a statistical significant improvement of registration quality measures with OF-MI compared to MI with both simulated data (p<0.001) and real data in liver applications registering CT and Gd–EOB–DTPA-enhanced MRI and in registration for rectal radiotherapy planning using multi-organ OF-MI (p<0.05). Additionally, OF-MI presents more stable results with smaller dispersion than MI and a more robust behavior with respect to SNR changes and parameters variation. The proposed OF-MI always presents equal or better accuracy than the classical MI and consequently can be a very convenient alternative within applications where the robustness of the method and the facility to choose the parameters are particularly important.