BR3: a biologically inspired fish-like robot actuated by SMA-based artificial muscles

Los peces son animales, donde en la mayoría de los casos, son considerados como nadadores muy eficientes y con una alta capacidad de maniobra. En general los peces se caracterizan por su capacidad de maniobra, locomoción silencioso, giros y partidas rápidas y viajes de larga distancia. Los estudios han identificado varios tipos de locomoción que los peces usan para generar maniobras y natación constante. A bajas velocidades la mayoría de los peces utilizan sus aletas pares y / o impares para su locomoción, que ofrecen una mayor maniobrabilidad y mejor eficiencia de propulsión. A altas velocidades la locomoción implica el cuerpo y / o aleta caudal porque esto puede lograr un mayor empuje y aceleración. Estas características pueden inspirar el diseo y fabricación de una piel muy flexible, una aleta caudal mórfica y una espina dorsal no articulada con una gran capacidad de maniobra. Esta tesis presenta el desarrollo de un novedoso pez robot bio-inspirado y biomimético llamado BR3, inspirado en la capacidad de maniobra y nado constante de los peces vertebrados. Inspirado por la morfología de los peces Micropterus salmoides o también conocido como lubina negra, el robot BR3 utiliza su fundamento biológico para desarrollar modelos y métodos matemáticos precisos que permiten imitar la locomoción de los peces reales. Los peces Largemouth Bass pueden lograr un nivel increíble de maniobrabilidad y eficacia de la propulsión mediante la combinación de los movimientos ondulatorios y aletas morficas. Para imitar la locomoción de los peces reales en una contraparte artificial se necesita del análisis de tecnologías de actuación alternativos, como arreglos de fibras musculares en lugar de servo actuadores o motores DC estándar, así como un material flexible que proporciona una estructura continua sin juntas. Las aleaciones con memoria de forma (SMAs) proveen la posibilidad de construir robots livianos, que no emiten ruido, sin motores, sin juntas y sin engranajes. Asi es como un pez robot submarino se ha desarrollado y cuyos movimientos son generados mediante SMAs. Estos actuadores son los adecuados para doblar la espina dorsal continua del pez robot, que a su vez provoca un cambio en la curvatura del cuerpo. Este tipo de arreglo estructural está inspirado en los músculos rojos del pescado, que son usados principalmente durante la natación constante para la flexión de una estructura flexible pero casi incompresible como lo es la espina dorsal de pescado. Del mismo modo la aleta caudal se basa en SMAs y se modifica para llevar a cabo el trabajo necesario. La estructura flexible proporciona empuje y permite que el BR3 nade. Por otro lado la aleta caudal mórfica proporciona movimientos de balanceo y guiada. Motivado por la versatilidad del BR3 para imitar todos los modos de natación (anguilliforme, carangiforme, subcarangiforme y tunniforme) se propone un controlador de doblado y velocidad. La ley de control de doblado y velocidad incorpora la información del ángulo de curvatura y de la frecuencia para producir el modo de natación deseado y a su vez controlar la velocidad de natación. Así mismo de acuerdo con el hecho biológico de la influencia de la forma de la aleta caudal en la maniobrabilidad durante la natación constante se propone un control de actitud. Esta novedoso robot pescado es el primero de su tipo en incorporar sólo SMAs para doblar una estructura flexible continua y sin juntas y engranajes para producir empuje e imitar todos los modos de natación, así como la aleta caudal que es capaz de cambiar su forma. Este novedoso diseo mecatrónico presenta un futuro muy prometedor para el diseo de vehículos submarinos capaces de modificar su forma y nadar mas eficientemente. La nueva metodología de control propuesto en esta tesis proporcionan una forma totalmente nueva de control de robots basados en SMAs, haciéndolos energéticamente más eficientes y la incorporación de una aleta caudal mórfica permite realizar maniobras más eficientemente. En su conjunto, el proyecto BR3 consta de cinco grandes etapas de desarrollo: • Estudio y análisis biológico del nado de los peces con el propósito de definir criterios de diseño y control. • Formulación de modelos matemáticos que describan la: i) cinemática del cuerpo, ii) dinámica, iii) hidrodinámica iv) análisis de los modos de vibración y v) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular la aleta caudal y el doblado del cuerpo en la producción de fuerzas de empuje y fuerzas de rotación necesarias en las maniobras y optimización del consumo de energía. • Diseño y fabricación de BR3: i) estructura esquelética de la columna vertebral y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación basado en SMAs para el cuerpo y la aleta caudal, iii) piel artificial, iv) electrónica embebida y v) fusión sensorial. Está dirigido a desarrollar la plataforma de pez robot BR3 que permite probar los métodos propuestos. • Controlador de nado: compuesto por: i) control de las SMA (modulación de la forma de la aleta caudal y regulación de la actitud) y ii) control de nado continuo (modulación de la velocidad y doblado). Está dirigido a la formulación de los métodos de control adecuados que permiten la modulación adecuada de la aleta caudal y el cuerpo del BR3. • Experimentos: está dirigido a la cuantificación de los efectos de: i) la correcta modulación de la aleta caudal en la producción de rotación y su efecto hidrodinámico durante la maniobra, ii) doblado del cuerpo para la producción de empuje y iii) efecto de la flexibilidad de la piel en la habilidad para doblarse del BR3. También tiene como objetivo demostrar y validar la hipótesis de mejora en la eficiencia de la natación y las maniobras gracias a los nuevos métodos de control presentados en esta tesis. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos en canales de agua estarán orientados a discutir y demostrar cómo la aleta caudal y el cuerpo pueden afectar considerablemente la dinámica / hidrodinámica de natación / maniobras y cómo tomar ventaja de la modulación de curvatura que la aleta caudal mórfica y el cuerpo permiten para cambiar correctamente la geometría de la aleta caudal y del cuerpo durante la natación constante y maniobras. ABSTRACT Fishes are animals where in most cases are considered as highly manoeuvrable and effortless swimmers. In general fishes are characterized for his manoeuvring skills, noiseless locomotion, rapid turning, fast starting and long distance cruising. Studies have identified several types of locomotion that fish use to generate maneuvering and steady swimming. At low speeds most fishes uses median and/or paired fins for its locomotion, offering greater maneuverability and better propulsive efficiency At high speeds the locomotion involves the body and/or caudal fin because this can achieve greater thrust and accelerations. This can inspire the design and fabrication of a highly deformable soft artificial skins, morphing caudal fins and non articulated backbone with a significant maneuverability capacity. This thesis presents the development of a novel bio-inspired and biomimetic fishlike robot (BR3) inspired by the maneuverability and steady swimming ability of ray-finned fishes (Actinopterygii, bony fishes). Inspired by the morphology of the Largemouth Bass fish, the BR3 uses its biological foundation to develop accurate mathematical models and methods allowing to mimic fish locomotion. The Largemouth Bass fishes can achieve an amazing level of maneuverability and propulsive efficiency by combining undulatory movements and morphing fins. To mimic the locomotion of the real fishes on an artificial counterpart needs the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators as well as a bendable material that provides a continuous structure without joins. The Shape Memory Alloys (SMAs) provide the possibility of building lightweight, joint-less, noise-less, motor-less and gear-less robots. Thus a swimming underwater fish-like robot has been developed whose movements are generated using SMAs. These actuators are suitable for bending the continuous backbone of the fish, which in turn causes a change in the curvature of the body. This type of structural arrangement is inspired by fish red muscles, which are mainly recruited during steady swimming for the bending of a flexible but nearly incompressible structure such as the fishbone. Likewise the caudal fin is based on SMAs and is customized to provide the necessary work out. The bendable structure provides thrust and allows the BR3 to swim. On the other hand the morphing caudal fin provides roll and yaw movements. Motivated by the versatility of the BR3 to mimic all the swimming modes (anguilliform, caranguiform, subcaranguiform and thunniform) a bending-speed controller is proposed. The bending-speed control law incorporates bend angle and frequency information to produce desired swimming mode and swimming speed. Likewise according to the biological fact about the influence of caudal fin shape in the maneuverability during steady swimming an attitude control is proposed. This novel fish robot is the first of its kind to incorporate only SMAs to bend a flexible continuous structure without joints and gears to produce thrust and mimic all the swimming modes as well as the caudal fin to be morphing. This novel mechatronic design is a promising way to design more efficient swimming/morphing underwater vehicles. The novel control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling robots based on SMAs, making them more energy efficient and the incorporation of a morphing caudal fin allows to perform more efficient maneuvers. As a whole, the BR3 project consists of five major stages of development: • Study and analysis of biological fish swimming data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. • Formulation of mathematical models for: i) body kinematics, ii) dynamics, iii) hydrodynamics, iv) free vibration analysis and v) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modelling the e ects of modulating caudal fin and body bend into the production of thrust forces for swimming, rotational forces for maneuvering and energy consumption optimisation. • Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of backbone and body, ii) SMA muscle-like mechanisms for the body and caudal fin, iii) the artificial skin, iv) electronics onboard and v) sensor fusion. It is aimed at developing the fish-like platform (BR3) that allows for testing the methods proposed. • The swimming controller: i) control of SMA-muscles (morphing-caudal fin modulation and attitude regulation) and ii) steady swimming control (bend modulation and speed modulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BR3’s caudal fin and body. • Experiments: it is aimed at quantifying the effects of: i) properly caudal fin modulation into hydrodynamics and rotation production for maneuvering, ii) body bending into thrust generation and iii) skin flexibility into BR3 bending ability. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving swimming and maneuvering efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Waterchannel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the caudal fin and body can considerably affect the dynamics/hydrodynamics of swimming/maneuvering and how to take advantage of bend modulation that the morphing-caudal fin and body enable to properly change caudal fin and body’ geometry during steady swimming and maneuvering.

Resultados de las mejoras de la tecnología de los vehículos y de los combustibles en la atmósfera del municipio de Madrid

El trabajo demuestra que las concentraciones de óxido de azufre y monóxido de carbono han disminuido como consecuencia de los incrementos de la calidad de los combustibles y de las normas de emisión de los vehículos desarrollados durante el periodo de estudio. Sin embargo, las concentraciones de los óxidos de nitrógeno, partículas materiales y ozono se han mantenido constantes pese a la mejora de las emisiones por vehículo, como consecuencia del aumento de la movilidad. Además, las concentraciones de los óxidos de nitrógeno y partículas materiales se encuentran por encima de los estándares de emisión permitidos.

Propuesta de un Modelo para la Gestión de los Neumáticos de Una flota de Vehículos

En la gestión de los neumáticos de una flota de vehículos el mejor ratio para ello es el coste del neumático dividido por las Horas o Km. realizados por el neumático, pero existen flotas de vehículos que por sus características de uso no se puede realizar un seguimiento de las horas o Km. que realiza el neumático en su vida útil ya que son vehículos que son utilizados por un gran número de conductores en diferentes turnos al día. Este tipo de flotas suelen operar en entornos urbanos y son: Vehículos destinados a la limpieza viaria, recogida de basuras, mantenimiento de jardines, Policía, Guardia Civil, Bomberos etc. así también en menor medida flotas de empresas, renting de vehículos, alquiler de vehículos etc. por ello se propone un modelo de gestión de neumáticos para una flota de vehículos en los que no se puede hacer un seguimiento de las horas o kilómetros realizados por el neumático en su uso.

RVDynDB: Repositorio abierto para el intercambio de datos dinámicos de vehículos ferroviarios

En este artículo se describe el proceso de diseño e implementación de la base de datos RVDynDB (Rail Vehicle Dynamic parameters DataBase), que pretende ser un extenso repositorio de los modelos de dominio público empleados en la simulación dinámica de vehículos ferroviarios en todo el mundo. Atendiendo a sus características de flexibilidad, extensibilidad e independencia de la plataforma, se ha escogido un modelo de datos XML, que facilita el almacenamiento de datos de procedencia muy heterogénea, al tiempo que permite compartir el contenido de la base de datos con otros usuarios a través de internet. Se ha presentado también el lenguaje RVDynML (Rail Vehicle Dynamic parameters Markup Language), que define la estructura de la información almacenada en la base de datos. Al ser un lenguaje basado en XML, con el tiempo podría llegar a convertirse en un estándar para el intercambio de datos sobre los principales parámetros constructivos que definen el comportamiento dinámico de los vehículos.Se han seleccionado 173 referencias bibliográficas, cuyos datos se han utilizado para construir la base de datos, constituida por un total de 957 registros. Finalmente, se ha desarrollado una aplicación específica con MATLAB para gestionar las búsquedas en la base de datos. Para ello se ha empleando una API de Java que proporciona una interfaz para el DOM, que permite permiten acceder, modificar, insertar o eliminar los elementos y atributos que componen un documento XML.

Estudios de confort de vehículos ferroviarios mediante técnicas combinadas de simulación FEM y MBS

La elasticidad de la caja de viajeros de los vehículos ferroviarios tiene una gran influencia sobre el confort. Por esta razón, cuando se desea simular el comportamiento dinámico del vehículo para estudios de confort, resulta conveniente construir un modelo elástico de caja, a fin de obtener resultados más precisos. La construcción de este tipo de modelos pasa por el desarrollo de dos etapas fundamentales, que comprenden la generación de un modelo de caja mediante la técnica de los elementos finitos (FEM) para su caracterización dinámica como cuerpo elástico y la definición de un modelo de sistema multicuerpo (MBS) que englobe los restantes componentes del vehículo. En este artículo se presentan los resultados obtenidos en un estudio comparativo llevado a cabo con modelos de caja rígida y elástica, en los que se ha valorado el nivel de confort obtenido con ambas configuraciones. Para ello, se ha simulado el comportamiento del vehículo a dos velocidades distintas, de 70 y 110km/h, y con dos niveles de irregularidades. Se han analizado las aceleraciones de la caja, que se han procesado de acuerdo a las especificaciones de la norma EN12299, a fin de obtener el índice de comodidad. Este parámetro se ha utilizado para comparar el nivel de confort obtenido con ambos modelos, habiéndose encontrado una gran diferencia en los índices calculados con caja rígida y con caja elástica, lo que confirma la gran influencia de la elasticidad de la caja en los estudios de confort llevados a cabo mediante técnicas de simulación dinámica.

Red adaptativa de conmutación suave para convertidor trifásico en puente activo completo para aplicaciones de vehículos eléctricos

En éste artículo se presenta el control adaptativo de un circuito auxiliar para conseguir conmutaciones suaves en todo el rango de carga en los semiconductores principales de un convertidor cargador de baterías trifásico basado en doble puente activo. Mediante este sistema se consigue tener ZVS en todo el margen de carga, sin ser necesaria la modificación de los parámetros del circuito ni de los semiconductores principales. Los principios de operación de este circuito y su control se comprobarán experimentalmente en un convertidor cargador de baterías de características similares al utilizado en el HYBRID TOYOTA PRIUS

Problemas asociados a la medida de emisiones másicas instantáneas en motores de vehículos

Se ha desarrollado un equipo de medida de emisiones contaminantes de motores térmicos, embarcable en un vehículo, que mide la concentración, el caudal y todas las condiciones termodinámicas asociadas al flujo de escape en tiempo real. Se discute la metodología empleada en la determinación de las emisiones másicas instantáneas, las totales y los factores de emisión, detallando por un lado la configuración física del caudalímetro, la frecuencia de muestreo, el registro de datos, y los cálculos. Y por otro, las correcciones sobre las concentraciones instantáneas por tipo de medida y dinámica propia de los analizadores es necesario realizar. El trabajo se enfoca principalmente en los aspectos termodinámicos asociados, pero se discutirán los problemas físicos de este tipo de medidas: condensado, arrastre de partículas y oscilaciones del flujo. Con objeto de ilustrar las dificultades encontradas y legitimar las soluciones adoptadas, se presentan y se discuten algunos resultados reales obtenidos en un motor en condiciones normales de funcionamiento, y los resultados de validación en base a medidas en banco de rodillos. Los resultados muestran la importancia del diseño físico del caudalímetro, de la precisión y rapidez de los analizadores y de la adecuada frecuencia de muestreo.

Metodología de evaluación de la seguridad vial en intersecciones basada en el análisis cuantitativo de conflictos entre vehículos

El modo tradicional de estimar el nivel de seguridad vial es el registro de accidentes de tráfico, sin embargo son altamente variables, aleatorios y necesitan un periodo de registro de al menos 3 años. Existen metodologías preventivas en las cuales no es necesario que ocurra un accidente para determinar el nivel de seguridad de una intersección, como lo es la técnica de los conflictos de tráfico, que introduce las mediciones alternativas de seguridad como cuantificadoras del riesgo de accidente. El objetivo general de la tesis es establecer una metodología que permita clasificar el riesgo en intersecciones interurbanas, en función del análisis de conflictos entre vehículos, realizado mediante las variables alternativas o indirectas de seguridad vial. La metodología para el análisis y evaluación temprana de la seguridad en una intersección, estará basada en dos medidas alternativas de seguridad: el tiempo hasta la colisión y el tiempo posterior a la invasión de la trayectoria. El desarrollo experimental se realizó mediante estudios de campo, para la parte exploratoria de la investigación, se seleccionaron 3 intersecciones interurbanas en forma de T donde se obtuvieron las variables que caracterizan los conflictos entre vehículos; luego mediante técnicas de análisis multivariante, se obtuvo los modelos de clasificación del riesgo cualitativo y cuantitativo. Para la homologación y el estudio final de concordancia entre el índice propuesto y el modelo de clasificación, se desarrollaron nuevos estudios de campo en 6 intersecciones interurbanas en forma de T. El índice de riesgo obtenido resulta una herramienta muy útil para realizar evaluaciones rápidas conducentes a estimar la peligrosidad de una intersección en T, debido a lo simple y económico que resulta obtener los registros de datos en campo, por medio de una rápida capacitación a operarios; la elaboración del informe de resultados debe ser por un especialista. Los índices de riesgo obtenidos muestran que las variables originales más influyentes son las mediciones de tiempo. Se pudo determinar que los valores más altos del índice de riesgo están relacionados a un mayor riesgo de que un conflicto termine en accidente. Dentro de este índice, la única variable cuyo aporte es proporcionalmente directo es la velocidad de aproximación, lo que concuerda con lo que sucede en un conflicto, pues una velocidad excesiva se manifiesta como un claro factor de riesgo ya que potencia todos los fallos humanos en la conducción. Una de las principales aportaciones de esta tesis doctoral a la ingeniería de carreteras, es la posibilidad de aplicación de la metodología por parte de administraciones de carreteras locales, las cuales muchas veces cuentan con recursos de inversión limitados para efectuar estudios preventivos, sobretodo en países en vías de desarrollo. La evaluación del riesgo de una intersección luego de una mejora en cuanto a infraestructura y/o dispositivos de control de tráfico, al igual que un análisis antes – después, pero sin realizar una comparación mediante la ocurrencia de accidentes, sino que por medio de la técnica de conflictos de tráfico, se puede convertir en una aplicación directa y económica. Además, se pudo comprobar que el análisis de componentes principales utilizado en la creación del índice de riesgo de la intersección, es una herramienta útil para resumir todo el conjunto de mediciones que son posibles de obtener con la técnica de conflictos de tráfico y que permiten el diagnóstico del riesgo de accidentalidad en una intersección. En cuanto a la metodología para la homologación de los modelos, se pudo establecer la validez y confiabilidad al conjunto de respuestas entregadas por los observadores en el registro de datos en campo, ya que los resultados de la validación establecen que la medición de concordancia de las respuestas entregadas por los modelos y lo observado, son significativas y sugieren una alta coincidencia entre ellos. ABSTRACT The traditional way of estimating road safety level is the record of occurrence of traffic accidents; however, they are highly variable, random, and require a recording period of at least three years. There are preventive methods which do not need an accident to determine the road safety level of an intersection, such as traffic conflict technique, which introduces surrogate safety measures as parameters for the evaluation of accident risks. The general objective of the thesis is to establish a methodology that will allow the classification of risk at interurban intersections as a function of the analysis of conflicts between vehicles performed by means of surrogate road safety variables. The proposal of a methodology for the analysis and early evaluation of safety at an intersection will be based on two surrogate safety measures: the time to collision and the post encroachment time. On the other hand, the experimental development has taken place by means of field studies in which the exploratory part of the investigation selected three interurban T-intersections where the application of the traffic conflict technique gave variables that characterize the conflicts between vehicles; then, using multivariate analysis techniques, the models for the classification of qualitative and quantitative risk were obtained. With the models new field studies were carried out at six interurban Tintersections with the purpose of developing the homologation and the final study of the agreement between the proposed index and the classification model. The risk index obtained is a very useful tool for making rapid evaluations to estimate the hazard of a T-intersection, as well as for getting simply and economically the field data records after a fast training of the workers and then preparing the report of results by a specialist. The risk indices obtained show that the most influential original variables are the measurements of time. It was determined that the highest risk index values are related with greater risk of a conflict resulting in an accident. Within this index, the only variable whose contribution is proportionally direct is the approach speed, in agreement with what happens in a conflict, because excessive speed appears as a clear risk factor at an intersection because it intensifies all the human driving faults. One of the main contributions of this doctoral thesis to road engineering is the possibility of applying the methodology by local road administrations, which very often have limited investment resources to carry out these kinds of preventive studies, particularly in developing countries. The evaluation of the risk at an intersection after an improvement in terms of infrastructure and/or traffic control devices, the same as a before/after analysis, without comparison of accident occurrence but by means of the traffic conflict technique, can become a direct and economical application. It is also shown that main components analysis used for producing the risk index of the intersection is a useful tool for summarizing the whole set of measurements that can be obtained with the traffic conflict technique and allow diagnosing accident risk at an intersection. As to the methodology for the homologation of the models, the validity and reliability of the set of responses delivered by the observers recording the field data could be established, because the results of the validation show that agreement between the observations and the responses delivered by the models is significant and highly coincident.

Driving assistance system applied in curves for real vehicles | Sistema de ayuda a la conducción en curvas para vehículos reales

Decreasing the accidents on highway and urban environments is the main motivation for the research and developing of driving assistance systems, also called ADAS (Advanced Driver Assistance Systems). In recent years, there are many applications of these systems in commercial vehicles: ABS systems, Cruise Control (CC), parking assistance and warning systems (including GPS), among others. However, the implementation of driving assistance systems on the steering wheel is more limited, because of their complexity and sensitivity. This paper is focused in the development, test and implementation of a driver assistance system for controlling the steering wheel in curve zones. This system is divided in two levels: an inner control loop which permits to execute the position and speed target, softening the action over the steering wheel, and a second control outer loop (controlling for fuzzy logic) that sends the reference to the inner loop according the environment and vehicle conditions. The tests have been done in different curves and speeds. The system has been proved in a commercial vehicle with satisfactory results.

Eliminacion de dioxido de carbono en la propulsion de submarinos

Una planta AIP es cualquier sistema propulsivo capaz de posibilitar la navegación de un vehículo submarino bajo la superficie del mar de forma completamente independiente de la atmósfera terrestre. El uso a bordo de submarinos de plantas AIP basadas en la reacción química entre un hidrocarburo y oxígeno (ambos almacenados en el interior del submarino) da lugar a la producción en grandes cantidades de agua y CO2, residuos que necesitan ser eliminados. En concreto, la producción de CO2 en grandes cantidades (y en estado gaseoso) constituye un auténtico problema en un submarino navegando en inmersión, ya que actualmente no resulta viable almacenarlo a bordo, y su eliminación tiene que llevarse a cabo de forma discreta y con un coste energético reducido. Actualmente, hay varias alternativas para eliminar el CO2 producido en la propulsión de un submarino navegando en inmersión, siendo la más ventajosa la disolución de dicha sustancia en agua de mar y su posterior expulsión al exterior del submarino. Esta alternativa consta básicamente de 3 etapas bien definidas: • Etapa 1.- Introducir agua de mar a bordo del submarino, haciendo bajar su presión desde la existente en el exterior hasta la presión a la que se quiere realizar el proceso de disolución. • Etapa 2.- Llevar a cabo el proceso de disolución a presión constante e independiente de la existente en el exterior del submarino. • Etapa 3.- Expulsar fuera del submarino el agua de mar saturada de CO2 haciendo subir su presión desde la correspondiente al proceso de disolución hasta la existente en el exterior. Para ejecutar las etapas 1 y 3 con un coste energético aceptable, resulta necesaria la instalación de un sistema de recuperación de energía, el cual basa su funcionamiento en aprovechar la energía producida en la caída de presión del flujo de agua entrante para elevar la presión del flujo de agua saliente saturada de CO2. El sistema arriba citado puede implementarse de 3 formas alternativas: • Recuperación de doble salto mediante máquinas hidráulicas de desplazamiento positivo. • Recuperación directa mediante cilindros estacionarios dotados de pistones internos. • Recuperación directa mediante cilindros rotativos sin pistones internos. Por otro lado, para ejecutar la etapa 2 de forma silenciosa, y sin ocupar excesivo volumen, resulta necesaria la instalación de un sistema de disolución de CO2 en agua de mar a baja presión, existiendo actualmente 2 principios funcionales viables: • Dispersión de finas burbujas de gas en el seno de una masa de agua. • Difusión directa de CO2 a través de una inter-fase líquido/gas estable sin procesos de dispersión previos. Una vez dicho todo esto, el objetivo de la tesis consiste en llevar a cabo dos estudios comparativos: uno para analizar las ventajas/inconvenientes que presentan las 3 alternativas de recuperación de energía citadas y otro para analizar las ventajas/inconvenientes que presentan los sistemas de disolución de CO2 en agua de mar basados en los 2 principios funcionales mencionados. En ambos estudios se van a tener en cuenta las singularidades propias de una instalación a bordo de submarinos. Para finalizar este resumen, cabe decir que la ejecución de los estudios arriba citados ha exigido el desarrollo de un código software específico (no disponible en la bibliografía) para llevar a cabo la simulación numérica de los distintos sistemas presentados en la tesis. Este código software se ha desarrollado bajo una serie de restricciones importantes, las cuales se listan a continuación: • Ha sido necesario tener en cuenta fluidos de trabajo multi-componente: agua de mar con CO2 disuelto. • El fluido de trabajo se encuentra normalmente en estado líquido, habiendo sido necesario considerar fenómenos de cambio de fase únicamente en etapas incipientes. • La algoritmia se ha diseñado de la forma más simple posible, al objeto de facilitar el subsiguiente proceso de programación y reducir al máximo el tiempo de ejecución en máquina. • La algoritmia arriba citada se ha diseñado para llevar a cabo análisis de tipo comparativo solamente, y no para obtener resultados extremadamente precisos en términos absolutos.

Acondicionamiento y procesado de señales mediante bus CAN en vehículos monoplaza

En este proyecto se ha diseñado un sistema de adquisición y uso compartido de datos orientado a la implantación en un vehículo monoplaza de Formula SAE. Más concretamente, se encarga de recoger la información proporcionada por cuatro sensores infrarrojos de temperatura que sondearán constantemente la temperatura a la que se encuentran las ruedas del vehículo. La información, recogida en una memoria de almacenamiento masivo, se compartirá con otros dispositivos mediante un bus común. Los sensores empleados para generar la información los proporciona Melexis. Dichos sensores permiten estar todos simultáneamente conectados en un bus común gracias a su electrónica interna. Mediante el bus I2C irán conectados los cuatro sensores de nuestra aplicación (uno por cada rueda) permitiéndose añadir a posteriori más sensores o incluso otros elementos que permitan la comunicación por este tipo de bus I2C. La gestión de las tareas se realiza mediante el microcontrolador DSPIC33FJ256GP710-I/PF proporcionado por Microchip. Este es un microcontrolador complejo, por lo que para nuestra aplicación desaprovecharemos parte de su potencial. En nuestra tarjeta ha sido solamente añadido el uso de los dos I2C (uno para la tarjeta SD y el otro para los sensores), el módulo ECAN1 (para las comunicaciones por bus CAN), el módulo SPI (para acceder a una memoria Flash), 4 ADCs (para posibles mediciones) y 2 entradas de interrupción (para posible interactuación con el usuario), a parte de los recursos internos necesarios. En este proyecto se realiza tanto el desarrollo de una tarjeta de circuito impreso dedicada a resolver la funcionalidad requerida, así como su programación a través del entorno de programación facilitado por Microchip, el ICD2 Programmer. In this project, an acquisition and sharing system of data, which is oriented to be installed in a Formula SAE single-seater vehicle, has been designed. Concretely, it is responsible for getting the information supplied by four IR temperature sensors that monitor the wheels temperature. The information, which is loaded in a massive storage memory, will be shared with other devices by means of a common bus. The sensors used to generate the information are supplied by Melexis. Such specific sensors let that all they can be connected to the same bus at the same time due to their internal electronic. The four sensors will be connected through an I2C bus, one for each wheel, although we could add later more sensors or even other devices that they were able to let the I2C communication. Tasks management will be done by means of the DSPIC33FJ256GP710-I/PF microcontroller, which will be supplied by Microchip. This is a complex microcontroller, so, in our application we waste off a part of its potential. In our PCB has only been incorporated the use of the two I2C (one for the SD card and the other for the sensors), the ECAN module (to communicate devices), the SPI module (to access to the Flash memory), 4 ADC’s (for possible measurements) and 2 interrupt inputs (for possible inter-action with the user), a part of the necessary internal resources. This project aims the PCB development dedicated to solve the requested functionality and its programming through the programming environment provided by Microchip (the ICD2 programmer).

Aspectos de la medición dinámica instantánea de emisiones de motores. Aplicación al desarrollo de un equipo portátil y una metodología para estudios de contaminación de vehículos en tráfico real.

Esta Tesis Doctoral se encuadra en el ámbito de la medida de emisiones contaminantes y de consumo de combustible en motores de combustión interna alternativos cuando se utilizan como plantas de potencia para propulsión de vehículos ligeros de carretera, y más concretamente en las medidas dinámicas con el vehículo circulando en tráfico real. En este ámbito, el objetivo principal de la Tesis es estudiar los problemas asociados a la medición en tiempo real con equipos embarcados de variables medioambientales, energéticas y de actividad, de vehículos ligeros propulsados por motores térmicos en tráfico real. Y como consecuencia, desarrollar un equipo y una metodología apropiada para este objetivo, con el fin de realizar consiguientemente un estudio sobre los diferentes factores que influyen sobre las emisiones y el consumo de combustible de vehículos turismo en tráfico real. La Tesis se comienza realizando un estudio prospectivo sobre los trabajos de otros autores relativos al desarrollo de equipos portátiles de medida de emisiones (Portable Emission Measurement Systems – PEMS), problemas asociados a la medición dinámica de emisiones y estudios de aplicación en tráfico real utilizando este tipo de equipos. Como resultado de este estudio se plantea la necesidad de disponer de un equipo específicamente diseñado para ser embarcado en un vehículo que sea capaz de medir en tiempo real las concentraciones de emisiones y el caudal de gases de escape, al mismo tiempo que se registran variables del motor, del vehículo y del entorno como son la pendiente y los datos meteorológicos. De esta forma se establecen las especificaciones y condiciones de diseño del equipo PEMS. Aunque al inicio de esta Tesis ya existían en el mercado algunos sistemas portátiles de medida de emisiones (PEMS: Portable Emissions Measurement Systems), en esta Tesis se investiga, diseña y construye un nuevo sistema propio, denominado MIVECO – PEMS. Se exponen, discuten y justifican todas las soluciones técnicas incorporadas en el sistema que incluyen los subsistema de análisis de gases, subsistemas de toma de muestra incluyendo caudalímetro de gases de escape, el subsistema de medida de variables del entorno y actividad del vehículo y el conjunto de sistemas auxiliares. El diseño final responde a las hipótesis y necesidades planteadas y se valida en uso real, en banco de rodillos y en comparación con otro equipos de medida de emisiones estacionarios y portátiles. En esta Tesis se presenta también toda la investigación que ha conducido a establecer la metodología de tratamiento de las señales registradas en tiempo real que incluye la sincronización, cálculos y propagación de errores. La metodología de selección y caracterización de los recorridos y circuitos y de las pautas de conducción, preparación del vehículo y calibración de los equipos forma también parte del legado de esta Tesis. Para demostrar la capacidad de medida del equipo y el tipo de resultados que pueden obtenerse y que son útiles para la comunidad científica, y las autoridades medioambientales en la parte final de esta Tesis se plantean y se presentan los resultados de varios estudios de variables endógenas y exógenas que afectan a las emisiones instantáneas y a los factores de emisión y consumo (g/km) como: el estilo de conducción, la infraestructura vial, el nivel de congestión del tráfico, tráfico urbano o extraurbano, el contenido de biocarburante, tipo de motor (diesel y encendido provocado), etc. Las principales conclusiones de esta Tesis son que es posible medir emisiones másicas y consumo de motores de vehículos en uso real y que los resultados permiten establecer políticas de reducción de impacto medio ambiental y de eficiencia energética, pero, se deben establecer unas metodologías precisas y se debe tener mucho cuidado en todo el proceso de calibración, medida y postratamientos de los datos. Abstract This doctoral thesis is in the field of emissions and fuel consumption measurement of reciprocating internal combustion engines when are used as power-trains for light-duty road vehicles, and especially in the real-time dynamic measurements procedures when the vehicle is being driven in real traffic. In this context, the main objective of this thesis is to study the problems associated with on-board real-time measuring systems of environmental, energy and activity variables of light vehicles powered by internal combustion engines in real traffic, and as a result, to develop an instrument and an appropriate methodology for this purpose, and consequently to make a study of the different factors which influence the emissions and the fuel consumption of passenger cars in real traffic. The thesis begins developing a prospective study on other authors’ works about development of Portable Emission Measurement Systems (PEMS), problems associated with dynamic emission measurements and application studies on actual traffic using PEMS. As a result of this study, it was shown that a measuring system specifically designed for being on-board on a vehicle, which can measure in real time emission concentrations and exhaust flow, and at the same time to record motor vehicle and environment variables as the slope and atmospheric data, is needed; and the specifications and design parameters of the equipment are proposed. Although at the beginning of this research work there were already on the market some PEMS, in this Thesis a new system is researched, designed and built, called MIVECO – PEMS, in order to meet such measurements needs. Following that, there are presented, discussed and justify all technical solutions incorporated in the system, including the gas analysis subsystem, sampling and exhaust gas flowmeter subsystem, the subsystem for measurement of environment variables and of the vehicle activity and the set of auxiliary subsystems. The final design meets the needs and hypotheses proposed, and is validated in real-life use and chassis dynamometer testing and is also compared with other stationary and on-board systems. This thesis also presents all the research that has led to the methodology of processing the set of signals recorded in real time including signal timing, calculations and error propagation. The methodology to select and characterize of the routes and circuits, the driving patterns, and the vehicle preparation and calibration of the instruments and sensors are part of the legacy of this thesis. To demonstrate the measurement capabilities of the system and the type of results that can be obtained and that are useful for the scientific community and the environmental authorities, at the end of this Thesis is presented the results of several studies of endogenous and exogenous variables that affect the instantaneous and averaged emissions and consumption factors (g/km), as: driving style, road infrastructure, the level of traffic congestion, urban and extra-urban traffic, biofuels content, type of engine (diesel or spark ignition) etc. The main conclusions of this thesis are that it is possible to measure mass emissions and consumption of vehicle engines in actual use and that the results allow us to establish policies to reduce environmental impact and improve energy efficiency, but, to establish precise methodologies and to be very careful in the entire process of calibration, measurement and data post-treatment is necessary.

Estudio teórico experimental de la estabilidad lateral en vehículos cisterna. Metodología para la determinación del umbral de vuelco.

El oleaje de la masa de líquido contenida en el interior del tanque de los camiones cisterna puede afectar significativamente a su dinámica de marcha y su estabilidad. Plateando como objetivo, el aumento de la seguridad, cualquier mejora en el diseño del vehículo o en la geometría de la virola, redundará en un aumento de la misma. En la actualidad, el marco normativo exige a los vehículos un umbral de vuelco mínimo, verificable mediante ensayo o cálculo en condiciones cuasi-estáticas. La experiencia en su aplicación ha demostrado que, éste último resulta extremadamente conservador, limitando las posibilidades de diseño del fabricante; además, el grado de equivalencia con las condiciones dinámicas a las que se puede ver sometido el vehículo durante su vida útil, no es claro. En esta tesis, se proponen una serie de mejoras en el método de cálculo simplificado, que aumentan la precisión en la estimación del umbral de vuelco, junto con el empleo de un coeficiente de ponderación del ángulo requerido, para tener en cuenta el efecto dinámico del oleaje. Además, se ha desarrollado un método de cálculo alternativo, que disminuye el error de la predicción, aunque requiere conocer un mayor número de parámetros del vehículo. Para cuantificar el efecto de la carga líquida, se ha realizado un análisis experimental, con tanques a escala, de las geometrías más frecuentes, junto con la propuesta de una metodología de simulación de la interacción fluido-vehículo, basada en el acoplamiento entre un modelo obtenido mediante una analogía mecánica que reproduce el efecto del oleaje, con un modelo del vehículo, empleando la técnica de multi-cuerpo, que ha sido validada experimentalmente. Para la obtención de los parámetros que la definen, se propone dos alternativas, la experimentación y estimación parámetros o el empleo la dinámica computacional de fluidos, basada en las ecuaciones de Navier-Stokes, incorporando la técnica de volumen de fluido para capturar la superficie libre. Se ofrecen resultados de ambas y su comparación. Finalmente, se han analizado las diferentes tipologías de maniobras existentes para la evaluación de la estabilidad lateral de los vehículos con ensayos dinámicos, calificando y cuantificando su equivalencia.

Modelado, control y diseño de robots submarinos de estructura paralela con impulsores vectorizados.

En años recientes, se han realizado algunos esfuerzos para equipar a robots submarinos con impulsores vectorizados. Este sistema de propulsión permite el uso de una menor cantidad de impulsores, esto a su vez tiene consecuencias favorables en el volumen y costo del robot a medida que una mayor potencia de propulsión es requerida. El propósito de esta tesis es realizar un estudio sobre el modelado, control y diseño de robots submarinos de estructura paralela con impulsores vectorizados. De esta manera exponer los aspectos más importantes relativos a estos puntos, y proponer soluciones a los problemas que plantea la arquitectura de estos robots. En esta tesis se tomo como objeto de estudio el robot Remo 2, cuya estructura paralela representa una gran parte del volumen del robot y esto hace que su análisis sea el más complejo que se pueda tener en los robots de esta categoría. El diseño de este robot es un concepto radicalmente diferente al de los robots submarinos convencionales. Sus características son prometedoras, pero para poder sacar provecho de estas potencialidades es necesario un entendimiento de la dinámica del robot. En este trabajo se presenta el desarrollo y análisis de modelos analíticos, y el desarrollo de herramientas de simulación para este robot. El propósito de estas herramientas es identificar las oportunidades y restricciones impuestas por la estructura y la dinámica del vehículo. Se presenta el planteamiento (y solución) de los problemas cinemático y dinámico inverso para un robot submarino de estructura paralela. Por otro lado, se demostró por primera vez el funcionamiento del concepto del robot submarino a través de una herramienta de simulación. Haciendo uso de esta herramienta se exploro el desempeño del robot bajo diversos esquemas de control, se encontró que el robot es capaz de ejecutar con éxito diversas maniobras empleando controladores clásicos. Se presento un controlador basado en el modelo del robot y se demostró sus ventajas. Posteriormente se presento un apartado cuyo propósito es exponer aspectos importantes sobre el diseño de este tipo de robots, sobre todo aquellos que influyen en su desempeño cinetostático. Se plantea el problema del diseño óptimo de un robot tipo Remo 2, y se proponen un par de índices de desempeño globales. Otra contribución fue, en condición de coautoría, el diseño y análisis de una nueva estructura paralela la cual no ha sido considerada anteriormente en la literatura.

Efectos dinámicos laterales en vehículos y puentes ferroviarios sometidos a la acción de vientos transversales

En las últimas décadas el aumento de la velocidad y la disminución del peso de los vehículos ferroviarios de alta velocidad ha provocado que aumente su riesgo de vuelco. Además, las exigencias de los trazados de las líneas exige en ocasiones la construcción de viaductos muy altos situados en zonas expuestas a fuertes vientos. Esta combinación puede poner en peligro la seguridad de la circulación. En esta tesis doctoral se estudian los efectos dinámicos que aparecen en los vehículos ferroviarios cuando circulan sobre viaductos en presencia de vientos transversales. Para ello se han desarrollado e implementado una serie de modelos numéricos que permiten estudiar estos efectos de una forma realista y general. Los modelos desarrollados permiten analizar la interacción dinámica tridimensional tren-estructura, formulada mediante coordenadas absolutas en un sistema de referencia inercial, en un contexto de elementos _nitos no lineales. Mediante estos modelos se pueden estudiar de forma realista casos extremos como el vuelco o descarrilamiento de los vehículos. Han sido implementados en Abaqus, utilizando sus capacidades para resolver sistemas multi-cuerpo para el vehículo y elementos finitos para la estructura. La interacción entre el vehículo y la estructura se establece a través del contacto entre rueda y carril. Para ello, se han desarrollado una restricción, que permite establecer la relación cinemática entre el eje ferroviario y la vía, teniendo en cuenta los posibles defectos geométricos de la vía; y un modelo de contacto rueda-carril para establecer la interacción entre el vehículo y la estructura. Las principales características del modelo de contacto son: considera la geometría real de ambos cuerpos de forma tridimensional; permite resolver situaciones en las que el contacto entre rueda y carril se da en más de una zona a la vez; y permite utilizar distintas formulaciones para el cálculo de la tensión tangencial entre ambos cuerpos. Además, se ha desarrollado una metodología para determinar, a partir de formulaciones estocásticas, las historias temporales de cargas aerodinámicas debidas al viento turbulento en estructuras grandes y con pilas altas y flexibles. Esta metodología tiene cuenta la variabilidad espacial de la velocidad de viento, considerando la correlación entre los distintos puntos; considera las componentes de la velocidad del viento en tres dimensiones; y permite el cálculo de la velocidad de viento incidente sobre los vehículos que atraviesan la estructura. La metodología desarrollada en este trabajo ha sido implementada, validada y se ha aplicado a un caso concreto en el que se ha estudiado la respuesta de un tren de alta velocidad, similar al Siemens Velaro, circulando sobre el viaducto del río Ulla en presencia viento cruzado. En este estudio se ha analizado la seguridad y el confort de la circulación y la respuesta dinámica de la estructura cuando el tren cruza el viaducto. During the last decades the increase of the speed and the reduction of the weight of high-speed railway vehicles has led to a rise of the overturn risk. In addition, the design requests of the railway lines require some times the construction of very tall viaducts in strong wind areas. This combination may endanger the traffic safety. In this doctoral thesis the dynamic effects that appear in the railway vehicles when crossing viaducts under strong winds are studied. For this purpose it has been developed and implemented numerical models for studying these effects in a realistic and general way. The developed models allow to analyze the train-structure three-dimensional dynamic interaction, that is formulated by using absolute coordinates in an inertial reference frame within a non-linear finite element framework. By means of these models it is possible to study in a realistic way extreme situations such vehicle overturn or derailment. They have been implemented for Abaqus, by using its capabilities for solving multi-body systems for the vehicle and finite elements for the structure. The interaction between the vehicle and the structure is established through the wheel-rail contact. For this purpose, a constraint has been developed. It allows to establish the kinematic relationship between the railway wheelset and the track, taking into account the track irregularities. In addition, a wheel-rail contact model for establishing the interaction of the vehicle and the structure has been developed. The main features of the contact model are: it considers the real geometry During the last decades the increase of the speed and the reduction of the weight of high-peed railway vehicles has led to a rise of the overturn risk. In addition, the design requests of the railway lines require some times the construction of very tall viaducts in strong wind areas. This combination may endanger the traffic safety. In this doctoral thesis the dynamic effects that appear in the railway vehicles when crossing viaducts under strong winds are studied. For this purpose it has been developed and implemented numerical models for studying these effects in a realistic and general way. The developed models allow to analyze the train-structure three-dimensional dynamic interaction, that is formulated by using absolute coordinates in an inertial reference frame within a non-linear finite element framework. By means of these models it is possible to study in a realistic way extreme situations such vehicle overturn or derailment. They have been implemented for Abaqus, by using its capabilities for solving multi-body systems for the vehicle and finite elements for the structure. The interaction between the vehicle and the structure is established through the wheel-rail contact. For this purpose, a constraint has been developed. It allows to establish the kinematic relationship between the railway wheelset and the track, taking into account the track irregularities. In addition, a wheel-rail contact model for establishing the interaction of the vehicle and the structure has been developed. The main features of the contact model are: it considers the real geometry