Contributions to Bayesian network learning with applications to neuroscience

Neuronal morphology is a key feature in the study of brain circuits, as it is highly related to information processing and functional identification. Neuronal morphology affects the process of integration of inputs from other neurons and determines the neurons which receive the output of the neurons. Different parts of the neurons can operate semi-independently according to the spatial location of the synaptic connections. As a result, there is considerable interest in the analysis of the microanatomy of nervous cells since it constitutes an excellent tool for better understanding cortical function. However, the morphologies, molecular features and electrophysiological properties of neuronal cells are extremely variable. Except for some special cases, this variability makes it hard to find a set of features that unambiguously define a neuronal type. In addition, there are distinct types of neurons in particular regions of the brain. This morphological variability makes the analysis and modeling of neuronal morphology a challenge. Uncertainty is a key feature in many complex real-world problems. Probability theory provides a framework for modeling and reasoning with uncertainty. Probabilistic graphical models combine statistical theory and graph theory to provide a tool for managing domains with uncertainty. In particular, we focus on Bayesian networks, the most commonly used probabilistic graphical model. In this dissertation, we design new methods for learning Bayesian networks and apply them to the problem of modeling and analyzing morphological data from neurons. The morphology of a neuron can be quantified using a number of measurements, e.g., the length of the dendrites and the axon, the number of bifurcations, the direction of the dendrites and the axon, etc. These measurements can be modeled as discrete or continuous data. The continuous data can be linear (e.g., the length or the width of a dendrite) or directional (e.g., the direction of the axon). These data may follow complex probability distributions and may not fit any known parametric distribution. Modeling this kind of problems using hybrid Bayesian networks with discrete, linear and directional variables poses a number of challenges regarding learning from data, inference, etc. In this dissertation, we propose a method for modeling and simulating basal dendritic trees from pyramidal neurons using Bayesian networks to capture the interactions between the variables in the problem domain. A complete set of variables is measured from the dendrites, and a learning algorithm is applied to find the structure and estimate the parameters of the probability distributions included in the Bayesian networks. Then, a simulation algorithm is used to build the virtual dendrites by sampling values from the Bayesian networks, and a thorough evaluation is performed to show the model’s ability to generate realistic dendrites. In this first approach, the variables are discretized so that discrete Bayesian networks can be learned and simulated. Then, we address the problem of learning hybrid Bayesian networks with different kinds of variables. Mixtures of polynomials have been proposed as a way of representing probability densities in hybrid Bayesian networks. We present a method for learning mixtures of polynomials approximations of one-dimensional, multidimensional and conditional probability densities from data. The method is based on basis spline interpolation, where a density is approximated as a linear combination of basis splines. The proposed algorithms are evaluated using artificial datasets. We also use the proposed methods as a non-parametric density estimation technique in Bayesian network classifiers. Next, we address the problem of including directional data in Bayesian networks. These data have some special properties that rule out the use of classical statistics. Therefore, different distributions and statistics, such as the univariate von Mises and the multivariate von Mises–Fisher distributions, should be used to deal with this kind of information. In particular, we extend the naive Bayes classifier to the case where the conditional probability distributions of the predictive variables given the class follow either of these distributions. We consider the simple scenario, where only directional predictive variables are used, and the hybrid case, where discrete, Gaussian and directional distributions are mixed. The classifier decision functions and their decision surfaces are studied at length. Artificial examples are used to illustrate the behavior of the classifiers. The proposed classifiers are empirically evaluated over real datasets. We also study the problem of interneuron classification. An extensive group of experts is asked to classify a set of neurons according to their most prominent anatomical features. A web application is developed to retrieve the experts’ classifications. We compute agreement measures to analyze the consensus between the experts when classifying the neurons. Using Bayesian networks and clustering algorithms on the resulting data, we investigate the suitability of the anatomical terms and neuron types commonly used in the literature. Additionally, we apply supervised learning approaches to automatically classify interneurons using the values of their morphological measurements. Then, a methodology for building a model which captures the opinions of all the experts is presented. First, one Bayesian network is learned for each expert, and we propose an algorithm for clustering Bayesian networks corresponding to experts with similar behaviors. Then, a Bayesian network which represents the opinions of each group of experts is induced. Finally, a consensus Bayesian multinet which models the opinions of the whole group of experts is built. A thorough analysis of the consensus model identifies different behaviors between the experts when classifying the interneurons in the experiment. A set of characterizing morphological traits for the neuronal types can be defined by performing inference in the Bayesian multinet. These findings are used to validate the model and to gain some insights into neuron morphology. Finally, we study a classification problem where the true class label of the training instances is not known. Instead, a set of class labels is available for each instance. This is inspired by the neuron classification problem, where a group of experts is asked to individually provide a class label for each instance. We propose a novel approach for learning Bayesian networks using count vectors which represent the number of experts who selected each class label for each instance. These Bayesian networks are evaluated using artificial datasets from supervised learning problems. Resumen La morfología neuronal es una característica clave en el estudio de los circuitos cerebrales, ya que está altamente relacionada con el procesado de información y con los roles funcionales. La morfología neuronal afecta al proceso de integración de las señales de entrada y determina las neuronas que reciben las salidas de otras neuronas. Las diferentes partes de la neurona pueden operar de forma semi-independiente de acuerdo a la localización espacial de las conexiones sinápticas. Por tanto, existe un interés considerable en el análisis de la microanatomía de las células nerviosas, ya que constituye una excelente herramienta para comprender mejor el funcionamiento de la corteza cerebral. Sin embargo, las propiedades morfológicas, moleculares y electrofisiológicas de las células neuronales son extremadamente variables. Excepto en algunos casos especiales, esta variabilidad morfológica dificulta la definición de un conjunto de características que distingan claramente un tipo neuronal. Además, existen diferentes tipos de neuronas en regiones particulares del cerebro. La variabilidad neuronal hace que el análisis y el modelado de la morfología neuronal sean un importante reto científico. La incertidumbre es una propiedad clave en muchos problemas reales. La teoría de la probabilidad proporciona un marco para modelar y razonar bajo incertidumbre. Los modelos gráficos probabilísticos combinan la teoría estadística y la teoría de grafos con el objetivo de proporcionar una herramienta con la que trabajar bajo incertidumbre. En particular, nos centraremos en las redes bayesianas, el modelo más utilizado dentro de los modelos gráficos probabilísticos. En esta tesis hemos diseñado nuevos métodos para aprender redes bayesianas, inspirados por y aplicados al problema del modelado y análisis de datos morfológicos de neuronas. La morfología de una neurona puede ser cuantificada usando una serie de medidas, por ejemplo, la longitud de las dendritas y el axón, el número de bifurcaciones, la dirección de las dendritas y el axón, etc. Estas medidas pueden ser modeladas como datos continuos o discretos. A su vez, los datos continuos pueden ser lineales (por ejemplo, la longitud o la anchura de una dendrita) o direccionales (por ejemplo, la dirección del axón). Estos datos pueden llegar a seguir distribuciones de probabilidad muy complejas y pueden no ajustarse a ninguna distribución paramétrica conocida. El modelado de este tipo de problemas con redes bayesianas híbridas incluyendo variables discretas, lineales y direccionales presenta una serie de retos en relación al aprendizaje a partir de datos, la inferencia, etc. En esta tesis se propone un método para modelar y simular árboles dendríticos basales de neuronas piramidales usando redes bayesianas para capturar las interacciones entre las variables del problema. Para ello, se mide un amplio conjunto de variables de las dendritas y se aplica un algoritmo de aprendizaje con el que se aprende la estructura y se estiman los parámetros de las distribuciones de probabilidad que constituyen las redes bayesianas. Después, se usa un algoritmo de simulación para construir dendritas virtuales mediante el muestreo de valores de las redes bayesianas. Finalmente, se lleva a cabo una profunda evaluaci ón para verificar la capacidad del modelo a la hora de generar dendritas realistas. En esta primera aproximación, las variables fueron discretizadas para poder aprender y muestrear las redes bayesianas. A continuación, se aborda el problema del aprendizaje de redes bayesianas con diferentes tipos de variables. Las mixturas de polinomios constituyen un método para representar densidades de probabilidad en redes bayesianas híbridas. Presentamos un método para aprender aproximaciones de densidades unidimensionales, multidimensionales y condicionales a partir de datos utilizando mixturas de polinomios. El método se basa en interpolación con splines, que aproxima una densidad como una combinación lineal de splines. Los algoritmos propuestos se evalúan utilizando bases de datos artificiales. Además, las mixturas de polinomios son utilizadas como un método no paramétrico de estimación de densidades para clasificadores basados en redes bayesianas. Después, se estudia el problema de incluir información direccional en redes bayesianas. Este tipo de datos presenta una serie de características especiales que impiden el uso de las técnicas estadísticas clásicas. Por ello, para manejar este tipo de información se deben usar estadísticos y distribuciones de probabilidad específicos, como la distribución univariante von Mises y la distribución multivariante von Mises–Fisher. En concreto, en esta tesis extendemos el clasificador naive Bayes al caso en el que las distribuciones de probabilidad condicionada de las variables predictoras dada la clase siguen alguna de estas distribuciones. Se estudia el caso base, en el que sólo se utilizan variables direccionales, y el caso híbrido, en el que variables discretas, lineales y direccionales aparecen mezcladas. También se estudian los clasificadores desde un punto de vista teórico, derivando sus funciones de decisión y las superficies de decisión asociadas. El comportamiento de los clasificadores se ilustra utilizando bases de datos artificiales. Además, los clasificadores son evaluados empíricamente utilizando bases de datos reales. También se estudia el problema de la clasificación de interneuronas. Desarrollamos una aplicación web que permite a un grupo de expertos clasificar un conjunto de neuronas de acuerdo a sus características morfológicas más destacadas. Se utilizan medidas de concordancia para analizar el consenso entre los expertos a la hora de clasificar las neuronas. Se investiga la idoneidad de los términos anatómicos y de los tipos neuronales utilizados frecuentemente en la literatura a través del análisis de redes bayesianas y la aplicación de algoritmos de clustering. Además, se aplican técnicas de aprendizaje supervisado con el objetivo de clasificar de forma automática las interneuronas a partir de sus valores morfológicos. A continuación, se presenta una metodología para construir un modelo que captura las opiniones de todos los expertos. Primero, se genera una red bayesiana para cada experto y se propone un algoritmo para agrupar las redes bayesianas que se corresponden con expertos con comportamientos similares. Después, se induce una red bayesiana que modela la opinión de cada grupo de expertos. Por último, se construye una multired bayesiana que modela las opiniones del conjunto completo de expertos. El análisis del modelo consensuado permite identificar diferentes comportamientos entre los expertos a la hora de clasificar las neuronas. Además, permite extraer un conjunto de características morfológicas relevantes para cada uno de los tipos neuronales mediante inferencia con la multired bayesiana. Estos descubrimientos se utilizan para validar el modelo y constituyen información relevante acerca de la morfología neuronal. Por último, se estudia un problema de clasificación en el que la etiqueta de clase de los datos de entrenamiento es incierta. En cambio, disponemos de un conjunto de etiquetas para cada instancia. Este problema está inspirado en el problema de la clasificación de neuronas, en el que un grupo de expertos proporciona una etiqueta de clase para cada instancia de manera individual. Se propone un método para aprender redes bayesianas utilizando vectores de cuentas, que representan el número de expertos que seleccionan cada etiqueta de clase para cada instancia. Estas redes bayesianas se evalúan utilizando bases de datos artificiales de problemas de aprendizaje supervisado.

Quantifying the relationship between drainage networks at hillslope scale and particle size distribution at pedon scale

Nowadays, translating information about hydrologic and soil properties and processes across scales has emerged as a major theme in soil science and hydrology, and suitable theories for upscaling or downscaling hydrologic and soil information are being looked forward. The recognition of low-order catchments as self-organized systems suggests the existence of a great amount of links at different scales between their elements. The objective of this work was to research in areas of homogeneous bedrock material, the relationship between the hierarchical structure of the drainage networks at hillslope scale and the heterogeneity of the particle-size distribution at pedon scale. One of the most innovative elements in this work is the choice of the parameters to quantify the organization level of the studied features. The fractal dimension has been selected to measure the hierarchical structure of the drainage networks, while the Balanced Entropy Index (BEI) has been the chosen parameter to quantify the heterogeneity of the particle-size distribution from textural data. These parameters have made it possible to establish quantifiable relationships between two features attached to different steps in the scale range. Results suggest that the bedrock lithology of the landscape constrains the architecture of the drainage networks developed on it and the particle soil distribution resulting in the fragmentation processes.

Quantifying the relationship between drainage networks at hillslope scale and particle size distribution at pedon scale

Nowadays, translating information about hydrologic and soil properties and processes across scales has emerged as a major theme in soil science and hydrology, and suitable theories for upscaling or downscaling hydrologic and soil information are being looked forward. The recognition of low-order catchments as self-organized systems suggests the existence of a great amount of links at different scales between their elements. The objective of this work was to research in areas of homogeneous bedrock material, the relationship between the hierarchical structure of the drainage networks at hillslope scale and the heterogeneity of the particle-size distribution at pedon scale. One of the most innovative elements in this work is the choice of the parameters to quantify the organization level of the studied features. The fractal dimension has been selected to measure the hierarchical structure of the drainage networks, while the Balanced Entropy Index (BEI) has been the chosen parameter to quantify the heterogeneity of the particle-size distribution from textural data. These parameters have made it possible to establish quantifiable relationships between two features attached to different steps in the scale range. Results suggest that the bedrock lithology of the landscape constrains the architecture of the drainage networks developed on it and the particle soil distribution resulting in the fragmentation processes.

Design and control of multi-finger haptic devices for dexterous manipulation

En la interacción con el entorno que nos rodea durante nuestra vida diaria (utilizar un cepillo de dientes, abrir puertas, utilizar el teléfono móvil, etc.) y en situaciones profesionales (intervenciones médicas, procesos de producción, etc.), típicamente realizamos manipulaciones avanzadas que incluyen la utilización de los dedos de ambas manos. De esta forma el desarrollo de métodos de interacción háptica multi-dedo dan lugar a interfaces hombre-máquina más naturales y realistas. No obstante, la mayoría de interfaces hápticas disponibles en el mercado están basadas en interacciones con un solo punto de contacto; esto puede ser suficiente para la exploración o palpación del entorno pero no permite la realización de tareas más avanzadas como agarres. En esta tesis, se investiga el diseño mecánico, control y aplicaciones de dispositivos hápticos modulares con capacidad de reflexión de fuerzas en los dedos índice, corazón y pulgar del usuario. El diseño mecánico de la interfaz diseñada, ha sido optimizado con funciones multi-objetivo para conseguir una baja inercia, un amplio espacio de trabajo, alta manipulabilidad y reflexión de fuerzas superiores a 3 N en el espacio de trabajo. El ancho de banda y la rigidez del dispositivo se han evaluado mediante simulación y experimentación real. Una de las áreas más importantes en el diseño de estos dispositivos es el efector final, ya que es la parte que está en contacto con el usuario. Durante este trabajo se ha diseñado un dedal de bajo peso, adaptable a diferentes usuarios que, mediante la incorporación de sensores de contacto, permite estimar fuerzas normales y tangenciales durante la interacción con entornos reales y virtuales. Para el diseño de la arquitectura de control, se estudiaron los principales requisitos para estos dispositivos. Entre estos, cabe destacar la adquisición, procesado e intercambio a través de internet de numerosas señales de control e instrumentación; la computación de equaciones matemáticas incluyendo la cinemática directa e inversa, jacobiana, algoritmos de detección de agarres, etc. Todos estos componentes deben calcularse en tiempo real garantizando una frecuencia mínima de 1 KHz. Además, se describen sistemas para manipulación de precisión virtual y remota; así como el diseño de un método denominado "desacoplo cinemático iterativo" para computar la cinemática inversa de robots y la comparación con otros métodos actuales. Para entender la importancia de la interacción multimodal, se ha llevado a cabo un estudio para comprobar qué estímulos sensoriales se correlacionan con tiempos de respuesta más rápidos y de mayor precisión. Estos experimentos se desarrollaron en colaboración con neurocientíficos del instituto Technion Israel Institute of Technology. Comparando los tiempos de respuesta en la interacción unimodal (auditiva, visual y háptica) con combinaciones bimodales y trimodales de los mismos, se demuestra que el movimiento sincronizado de los dedos para generar respuestas de agarre se basa principalmente en la percepción háptica. La ventaja en el tiempo de procesamiento de los estímulos hápticos, sugiere que los entornos virtuales que incluyen esta componente sensorial generan mejores contingencias motoras y mejoran la credibilidad de los eventos. Se concluye que, los sistemas que incluyen percepción háptica dotan a los usuarios de más tiempo en las etapas cognitivas para rellenar información de forma creativa y formar una experiencia más rica. Una aplicación interesante de los dispositivos hápticos es el diseño de nuevos simuladores que permitan entrenar habilidades manuales en el sector médico. En colaboración con fisioterapeutas de Griffith University en Australia, se desarrolló un simulador que permite realizar ejercicios de rehabilitación de la mano. Las propiedades de rigidez no lineales de la articulación metacarpofalange del dedo índice se estimaron mediante la utilización del efector final diseñado. Estos parámetros, se han implementado en un escenario que simula el comportamiento de la mano humana y que permite la interacción háptica a través de esta interfaz. Las aplicaciones potenciales de este simulador están relacionadas con entrenamiento y educación de estudiantes de fisioterapia. En esta tesis, se han desarrollado nuevos métodos que permiten el control simultáneo de robots y manos robóticas en la interacción con entornos reales. El espacio de trabajo alcanzable por el dispositivo háptico, se extiende mediante el cambio de modo de control automático entre posición y velocidad. Además, estos métodos permiten reconocer el gesto del usuario durante las primeras etapas de aproximación al objeto para su agarre. Mediante experimentos de manipulación avanzada de objetos con un manipulador y diferentes manos robóticas, se muestra que el tiempo en realizar una tarea se reduce y que el sistema permite la realización de la tarea con precisión. Este trabajo, es el resultado de una colaboración con investigadores de Harvard BioRobotics Laboratory. ABSTRACT When we interact with the environment in our daily life (using a toothbrush, opening doors, using cell-phones, etc.), or in professional situations (medical interventions, manufacturing processes, etc.) we typically perform dexterous manipulations that involve multiple fingers and palm for both hands. Therefore, multi-Finger haptic methods can provide a realistic and natural human-machine interface to enhance immersion when interacting with simulated or remote environments. Most commercial devices allow haptic interaction with only one contact point, which may be sufficient for some exploration or palpation tasks but are not enough to perform advanced object manipulations such as grasping. In this thesis, I investigate the mechanical design, control and applications of a modular haptic device that can provide force feedback to the index, thumb and middle fingers of the user. The designed mechanical device is optimized with a multi-objective design function to achieve a low inertia, a large workspace, manipulability, and force-feedback of up to 3 N within the workspace; the bandwidth and rigidity for the device is assessed through simulation and real experimentation. One of the most important areas when designing haptic devices is the end-effector, since it is in contact with the user. In this thesis the design and evaluation of a thimble-like, lightweight, user-adaptable, and cost-effective device that incorporates four contact force sensors is described. This design allows estimation of the forces applied by a user during manipulation of virtual and real objects. The design of a real-time, modular control architecture for multi-finger haptic interaction is described. Requirements for control of multi-finger haptic devices are explored. Moreover, a large number of signals have to be acquired, processed, sent over the network and mathematical computations such as device direct and inverse kinematics, jacobian, grasp detection algorithms, etc. have to be calculated in Real Time to assure the required high fidelity for the haptic interaction. The Hardware control architecture has different modules and consists of an FPGA for the low-level controller and a RT controller for managing all the complex calculations (jacobian, kinematics, etc.); this provides a compact and scalable solution for the required high computation capabilities assuring a correct frequency rate for the control loop of 1 kHz. A set-up for dexterous virtual and real manipulation is described. Moreover, a new algorithm named the iterative kinematic decoupling method was implemented to solve the inverse kinematics of a robotic manipulator. In order to understand the importance of multi-modal interaction including haptics, a subject study was carried out to look for sensory stimuli that correlate with fast response time and enhanced accuracy. This experiment was carried out in collaboration with neuro-scientists from Technion Israel Institute of Technology. By comparing the grasping response times in unimodal (auditory, visual, and haptic) events with the response times in events with bimodal and trimodal combinations. It is concluded that in grasping tasks the synchronized motion of the fingers to generate the grasping response relies on haptic cues. This processing-speed advantage of haptic cues suggests that multimodalhaptic virtual environments are superior in generating motor contingencies, enhancing the plausibility of events. Applications that include haptics provide users with more time at the cognitive stages to fill in missing information creatively and form a richer experience. A major application of haptic devices is the design of new simulators to train manual skills for the medical sector. In collaboration with physical therapists from Griffith University in Australia, we developed a simulator to allow hand rehabilitation manipulations. First, the non-linear stiffness properties of the metacarpophalangeal joint of the index finger were estimated by using the designed end-effector; these parameters are implemented in a scenario that simulates the behavior of the human hand and that allows haptic interaction through the designed haptic device. The potential application of this work is related to educational and medical training purposes. In this thesis, new methods to simultaneously control the position and orientation of a robotic manipulator and the grasp of a robotic hand when interacting with large real environments are studied. The reachable workspace is extended by automatically switching between rate and position control modes. Moreover, the human hand gesture is recognized by reading the relative movements of the index, thumb and middle fingers of the user during the early stages of the approximation-to-the-object phase and then mapped to the robotic hand actuators. These methods are validated to perform dexterous manipulation of objects with a robotic manipulator, and different robotic hands. This work is the result of a research collaboration with researchers from the Harvard BioRobotics Laboratory. The developed experiments show that the overall task time is reduced and that the developed methods allow for full dexterity and correct completion of dexterous manipulations.

Meter data management for smart monitoring power networks

The electrical power distribution and commercialization scenario is evolving worldwide, and electricity companies, faced with the challenge of new information requirements, are demanding IT solutions to deal with the smart monitoring of power networks. Two main challenges arise from data management and smart monitoring of power networks: real-time data acquisition and big data processing over short time periods. We present a solution in the form of a system architecture that conveys real time issues and has the capacity for big data management.

3D Frangi-based lung vessel enhancement filter penalizing airways

This paper describes a fully automatic simultaneous lung vessel and airway enhancement filter. The approach consists of a Frangi-based multiscale vessel enhancement filtering specifically designed for lung vessel and airway detection, where arteries and veins have high contrast with respect to the lung parenchyma, and airway walls are hollow tubular structures with a non negative response using the classical Frangi's filter. The features extracted from the Hessian matrix are used to detect centerlines and approximate walls of airways, decreasing the filter response in those areas by applying a penalty function to the vesselness measure. We validate the segmentation method in 20 CT scans with different pathological states within the VESSEL12 challenge framework. Results indicate that our approach obtains good results, decreasing the number of false positives in airway walls.

Univariate and bivariate truncated von Mises distributions

In this article we study the univariate and bivariate truncated von Mises distribution, as a generalization of the von Mises distribution (\cite{jupp1989}), (\cite{mardia2000directional}). This implies the addition of two or four new truncation parameters in the univariate and, bivariate cases, respectively. The results include the definition, properties of the distribution and maximum likelihood estimators for the univariate and bivariate cases. Additionally, the analysis of the bivariate case shows how the conditional distribution is a truncated von Mises distribution, whereas the marginal distribution that generalizes the distribution introduced in \cite{repe}. From the viewpoint of applications, we test the distribution with simulated data, as well as with data regarding leaf inclination angles (\cite{safari}) and dihedral angles in protein chains (\cite{prote}). This research aims to assert this probability distribution as a potential option for modelling or simulating any kind of phenomena where circular distributions are applicable.\par

Energy Management and Optimization for Video Decoders based on Functional-oriented Reconfiguration

In recent years, the increasing sophistication of embedded multimedia systems and wireless communication technologies has promoted a widespread utilization of video streaming applications. It has been reported in 2013 that youngsters, aged between 13 and 24, spend around 16.7 hours a week watching online video through social media, business websites, and video streaming sites. Video applications have already been blended into people daily life. Traditionally, video streaming research has focused on performance improvement, namely throughput increase and response time reduction. However, most mobile devices are battery-powered, a technology that grows at a much slower pace than either multimedia or hardware developments. Since battery developments cannot satisfy expanding power demand of mobile devices, research interests on video applications technology has attracted more attention to achieve energy-efficient designs. How to efficiently use the limited battery energy budget becomes a major research challenge. In addition, next generation video standards impel to diversification and personalization. Therefore, it is desirable to have mechanisms to implement energy optimizations with greater flexibility and scalability. In this context, the main goal of this dissertation is to find an energy management and optimization mechanism to reduce the energy consumption of video decoders based on the idea of functional-oriented reconfiguration. System battery life is prolonged as the result of a trade-off between energy consumption and video quality. Functional-oriented reconfiguration takes advantage of the similarities among standards to build video decoders reconnecting existing functional units. If a feedback channel from the decoder to the encoder is available, the former can signal the latter changes in either the encoding parameters or the encoding algorithms for energy-saving adaption. The proposed energy optimization and management mechanism is carried out at the decoder end. This mechanism consists of an energy-aware manager, implemented as an additional block of the reconfiguration engine, an energy estimator, integrated into the decoder, and, if available, a feedback channel connected to the encoder end. The energy-aware manager checks the battery level, selects the new decoder description and signals to build a new decoder to the reconfiguration engine. It is worth noting that the analysis of the energy consumption is fundamental for the success of the energy management and optimization mechanism. In this thesis, an energy estimation method driven by platform event monitoring is proposed. In addition, an event filter is suggested to automate the selection of the most appropriate events that affect the energy consumption. At last, a detailed study on the influence of the training data on the model accuracy is presented. The modeling methodology of the energy estimator has been evaluated on different underlying platforms, single-core and multi-core, with different characteristics of workload. All the results show a good accuracy and low on-line computation overhead. The required modifications on the reconfiguration engine to implement the energy-aware manager have been assessed under different scenarios. The results indicate a possibility to lengthen the battery lifetime of the system in two different use-cases.

Regulación del movimiento y anticipación en el resto del primer servicio en tenis

Aunque se han logrado importantes avances en estudios de laboratorio con diseños experimentales poco representativos (e.g., Farrow y Reid, 2012; Nieminen, Piirainen, Salmi, y Linnamo, 2013), a día de hoy, todavía se desconoce a cabalidad cómo los jugadores de tenis de diferente nivel de pericia calibran o ajustan sus movimientos a las demandas espacio-temporales presentes en la tarea de resto de un primer servicio. ! Escasos trabajos se han llevado a cabo in situ y a la mayoría se les puede cuestionar algún aspecto de la metodología empleada. Así pues, en varios estudios la frecuencia de grabación ha sido limitada (e.g., a 50 Hz en Jackson y Gudgeon, 2004; Triolet, Benguigui, Le Runigo y Williams, 2013), o la velocidad del saque ha sido visiblemente inferior a la habitual (cf. Carboch, Süss y Kocib, 2014; Williams, Singer y Weigelt, 1998). También, en algunos estudios los participantes experimentados no han sido jugadores de nivel internacional (e.g., Avilés, Ruiz, Sanz y Navia, 2014), y el tamaño muestral ha sido muy pequeño (e.g., Gillet, Leroy, Thouvarecq, Mégrot y Stein, 2010). ! Además, en los diferentes trabajos se han utilizado una diversidad de métodos e instrumentos de medida y los criterios de codificación del inicio de los movimientos y de las respuestas han diferido; como consecuencia el lapso visomotor de respuesta (LVMr) ha sido muy dispar variando considerablemente de 198 a 410 ms. Considerando los inconvenientes señalados anteriormente, el presente estudio tuvo como objetivo determinar un modelo técnico de regulación temporal de los movimientos y de la respuesta del restador, tomando en cuenta el flujo continuo de información proporcionado por el sacador. Para ello, se realizó un análisis cronométrico de los restos de doce jugadores de diferente nivel deportivo (seis internacionales y seis nacionales) que respondieron de forma natural enviando sus devoluciones hacia las dianas. Se grabaron las acciones de los restadores y sacadores con una cámara Casio Exilim Pro Ex-F1 de alta velocidad (300 Hz) y luego se realizó un análisis imagen por imagen cada 3.33 ms. Una vez obtenidos los datos de los vídeos se realizaron análisis con las pruebas de ANOVA de un factor, ANCOVA con la velocidad del saque como covariable, U de Mann-Whitney y Chi-cuadrado de Pearson. En cuanto a la regulación del movimiento hasta el momento del despegue, los jugadores internacionales iniciaron sus acciones antes que los jugadores nacionales lo que podría indicar una mejor preparación al ejecutar los movimientos como reflejo del nivel de pericia. Los jugadores internacionales iniciaron la elevación del pie posterior a -293 ms y los jugadores nacionales a -202 ms. Todas estas acciones se fueron enlazando unas con otras y fue en el momento del impacto del sacador donde los restadores demostraron una remarcable coordinación perceptivo-motriz. Por consiguiente, los jugadores internacionales despegaron e iniciaron el vuelo a tan solo -6.5 ms del impacto y los jugadores nacionales lo hicieron más tarde a +19.5 ms. A lo largo de la secuencia temporal, todo parece indicar que las informaciones que utilizan los restadores interactúan entre sí; información más temprana y menos fiable para anticipar o moverse antes e información más tardía y más fiable para regular la temporalización de las acciones. Los restadores de nivel internacional y nacional anticiparon a nivel espacial en un bajo porcentaje (7.7% vs. 13.6%) y en tiempos similares (-127 vs. -118 ms) sugiriendo que la utilización de variables ópticas tempranas y menos fiables solo se produce en contadas ocasiones. Por otra parte, estos datos se relacionan con una gran precisión en la respuesta ya que tanto los jugadores internacionales como los nacionales demostraron un alto porcentaje de acierto al responder (95.4% vs. 96.7%). Se había señalado que los jugadores internacionales y nacionales se diferenciarían en el tiempo de caída (i.e., aterrizaje) del primer pie del salto preparatorio, sin embargo ese efecto no fue encontrado (128 vs. 135 ms). Tampoco se hallaron diferencias en el porcentaje de caída con el pie contrario a la dirección de la pelota (58% vs. 62%). Donde sí ambos grupos se diferenciaron fue en el tiempo de caída del segundo pie (147 vs. 168 ms). Esta diferencia de 21 ms fue crucial y fue una prueba de la mayor rapidez de los jugadores internacionales; sugiriendo que ésta acción se podría relacionar con el momento del inicio de la respuesta. Aunque los jugadores internacionales hayan demostrado ser más rápidos en relación con sus capacidades funcionales, ambos grupos no se diferenciaron en todas las variables relacionadas con el LVMr. Ellos no utilizaron esos valiosos milisegundos ganados en el instante de la caída del segundo pie para responder más pronto, ya que el LVMr del miembro superior fue el mismo para ambos grupos (179 vs. 174 ms). Es como si hubiesen tenido todo el tiempo del mundo para seguir ajustando sus acciones hasta el propio golpeo. Además, estos tiempos largos sugieren que en la gran mayoría de los restos la información clave que determinó la respuesta fue detectada (extraída) en momentos cercanos al golpeo del sacador y en la primera parte del vuelo de la pelota. Asimismo, se constató que en general el LVMr se ve influenciado por el tipo de información utilizada. De esta manera, cuando se tomaron en cuenta los ensayos en los que hubo anticipación espacial reflejados en el LVMr del cuerpo entero los tiempos disminuyeron (152 vs. 136 ms). Por otra parte, existieron ocasiones (13%) en los que tanto los jugadores internacionales como los nacionales respondieron tarde recibiendo saques directos (208 vs. 195 ms). Es muy posible que en estos casos los jugadores hayan tenido problemas para detectar la información respondiendo fuera de los márgenes temporales de acción lo que mermó su rendimiento. Lo mismo pudo haber ocurrido cuando ambos grupos de jugadores corrigieron el movimiento del miembro superior tras el impacto (17% vs. 10%) lo que aumentó el tiempo en responder al redirigir la respuesta hacia el lado correcto (208 vs. 205 ms). Además, los jugadores internacionales obtuvieron tiempos de movimiento menores que el de los jugadores nacionales (509 vs. 531 ms) lo que se reflejó en un tiempo total de actuación menor (683 vs. 703 ms). Por último, en cuanto al rendimiento del resto, los jugadores internacionales obtuvieron valores superiores a los jugadores nacionales (1.3 vs. 0.9). ABSTRACT Although there have been significant advances in laboratory studies with unrepresentative experimental designs (e.g., Farrow y Reid, 2012; Nieminen, Piirainen, Salmi, y Linnamo, 2013), today it is still unknown to full extent how tennis players of different levels of expertise calibrate or adjust their movements to the spatial-temporal demands present in the return of a first serve. Few studies have been carried out in situ and some aspects of the methodology most of them used can be questioned. Thus, in several studies the recording frequency has been limited (e.g., a 50 Hz en Jackson y Gudgeon, 2004; Triolet, Benguigui, Le Runigo y Williams, 2013), or serve speed was visibly lower than the usual one (cf. Carboch, Süss y Kocib, 2014; Williams, Singer y Weigelt, 1998). Also, in some studies, experienced participants have not played at international level (e.g., Avilés, Ruiz, Sanz y Navia, 2014), and the sample size has been very small (e.g., Gillet, Leroy, Thouvarecq, Mégrot y Stein, 2010). Furthermore, different works have used a variety of methods and measurement instruments and coding criteria of the onset of movements and responses have differed; due to this, visuomotor response delay (LVMr) has been very uneven, varying considerably from 198-410 ms. Considering the drawbacks mentioned above, this study aimed to determine a technical model of temporal regulation of movements and returner’s response, taking into account the continuous flow of information provided by the server. For this, a chronometric analysis of the returns of twelve players (six international and six national) of different sports level, that naturally responded by hitting their returns towards the targets, was performed. Actions of servers and returners were recorded with a Casio Exilim Pro Ex-F1 high speed camera (300 Hz) and then every 3.33 ms analysis was made frame by frame. Once the data of the videos were obtained, analyses were performed using one factor ANOVA test, ANCOVA with the speed of the serve as a covariate, U of Mann- Whitney and Pearson’s Chi-square test. As for the regulation of movement until the moment of serve, international players began their actions before national players, which could indicate that they were better prepared to execute movements reflecting the level of their expertise. International players began raising the rear foot at -293 ms and national players at -202 ms. All these actions were being linked to each other and it was at the moment of impact of the server when the receivers demonstrated a remarkable perceptual-motor coordination. Therefore, international players took off and started their flight just -6.5 ms before the serve and national players did the same somewhat later: +19.5 ms after the serve. Along the timeline, everything seems to indicate that the information used by returners interact with each other; early information which is less reliable to anticipate or move before, and later information more reliable appears to regulate the timing of actions. Returners of international and national levels anticipated at spatial level in a low percentage (7.7% vs. 13.6%) and in similar times (-127 vs. -118 ms) suggesting that the use of early and less reliable optical variables is only produced on rare occasions. Moreover, these data relate to a precise response as both international and national players showed a high percentage of success in responding (95.4% vs. 96.7%). It had been noted that international and national players would differ in the time the fall (i.e., landing) of the first foot of the split-step, however, this effect was not found (128 vs. 135 ms). No differences in the percentage of fall with the opposite foot to the direction of the ball (58% vs. 62%) were found. Where the two groups differed was in the time of the fall of the second foot (147 vs. 168 ms). This difference of 21 ms was crucial and it was a proof of mayor speed of international players; suggesting that this action could be related to the onset time of response. Although international players have proven to be faster in relation to their functional capabilities, both groups did not differ in all variables related to LVMr. They did not use those precious milliseconds earned at the time of the fall of the second foot to respond as soon, since the LVMr of the upper limb was the same for both groups (179 vs. 174 ms). It is as if they had all the time in the world to continue to adjust their actions until the return itself. Furthermore, these long times suggest that in the vast majority of the returns, key information that determined the response was detected (pick-up) in moments close to the hit of the server and in the first part of the ball flight. It was also found that in general the LVMr is influenced by the type of information used. Thus, when taking into account the trials during which there was spatial anticipation, reflected in LVMr of the whole body, the times decreased (152 vs. 136 ms). On the other hand, there were occasions (13%) where both international and national players responded late, thus receiving aces (208 vs. 195 ms). It is quite possible that in these cases the players have had trouble to pick-up information, responding out of temporary margins of action, which affected their performance. The same could have occurred when both groups of players corrected upper limb movement after impact (17% vs. 10%), which increased the time to respond and to redirect the return towards the right side (208 vs. 205 ms). Moreover, international players scored lower movement times than the national players (509 vs. 531 ms), which was reflected in a shorter total response time (683 vs. 703 ms). Finally, as far as the performance of return is concerned, international players scored above the national players values (1.3 vs. 0.9).

Optimization of the Integrated Guidance and Control for a Dual Aerodynamic Control Missile

Las futuras misiones para misiles aire-aire operando dentro de la atmósfera requieren la interceptación de blancos a mayores velocidades y más maniobrables, incluyendo los esperados vehículos aéreos de combate no tripulados. La intercepción tiene que lograrse desde cualquier ángulo de lanzamiento. Una de las principales discusiones en la tecnología de misiles en la actualidad es cómo satisfacer estos nuevos requisitos incrementando la capacidad de maniobra del misil y en paralelo, a través de mejoras en los métodos de guiado y control modernos. Esta Tesis aborda estos dos objetivos simultáneamente, al proponer un diseño integrando el guiado y el control de vuelo (autopiloto) y aplicarlo a misiles con control aerodinámico simultáneo en canard y cola. Un primer avance de los resultados obtenidos ha sido publicado recientemente en el Journal of Aerospace Engineering, en Abril de 2015, [Ibarrondo y Sanz-Aranguez, 2015]. El valor del diseño integrado obtenido es que permite al misil cumplir con los requisitos operacionales mencionados empleando únicamente control aerodinámico. El diseño propuesto se compara favorablemente con esquemas más tradicionales, consiguiendo menores distancias de paso al blanco y necesitando de menores esfuerzos de control incluso en presencia de ruidos. En esta Tesis se demostrará cómo la introducción del doble mando, donde tanto el canard como las aletas de cola son móviles, puede mejorar las actuaciones de un misil existente. Comparado con un misil con control en cola, el doble control requiere sólo introducir dos servos adicionales para accionar los canards también en guiñada y cabeceo. La sección de cola será responsable de controlar el misil en balanceo mediante deflexiones diferenciales de los controles. En el caso del doble mando, la complicación añadida es que los vórtices desprendidos de los canards se propagan corriente abajo y pueden incidir sobre las superficies de cola, alterando sus características de control. Como un primer aporte, se ha desarrollado un modelo analítico completo para la aerodinámica no lineal de un misil con doble control, incluyendo la caracterización de este efecto de acoplamiento aerodinámico. Hay dos modos de funcionamiento en picado y guiñada para un misil de doble mando: ”desviación” y ”opuesto”. En modo ”desviación”, los controles actúan en la misma dirección, generando un cambio inmediato en la sustentación y produciendo un movimiento de translación en el misil. La respuesta es rápida, pero en el modo ”desviación” los misiles con doble control pueden tener dificultades para alcanzar grandes ángulos de ataque y altas aceleraciones laterales. Cuando los controles actúan en direcciones opuestas, el misil rota y el ángulo de ataque del fuselaje se incrementa para generar mayores aceleraciones en estado estacionario, aunque el tiempo de respuesta es mayor. Con el modelo aerodinámico completo, es posible obtener una parametrización dependiente de los estados de la dinámica de corto periodo del misil. Debido al efecto de acoplamiento entre los controles, la respuesta en bucle abierto no depende linealmente de los controles. El autopiloto se optimiza para obtener la maniobra requerida por la ley de guiado sin exceder ninguno de los límites aerodinámicos o mecánicos del misil. Una segunda contribución de la tesis es el desarrollo de un autopiloto con múltiples entradas de control y que integra la aerodinámica no lineal, controlando los tres canales de picado, guiñada y cabeceo de forma simultánea. Las ganancias del autopiloto dependen de los estados del misil y se calculan a cada paso de integración mediante la resolución de una ecuación de Riccati de orden 21x21. Las ganancias obtenidas son sub-óptimas, debido a que una solución completa de la ecuación de Hamilton-Jacobi-Bellman no puede obtenerse de manera práctica, y se asumen ciertas simplificaciones. Se incorpora asimismo un mecanismo que permite acelerar la respuesta en caso necesario. Como parte del autopiloto, se define una estrategia para repartir el esfuerzo de control entre el canard y la cola. Esto se consigue mediante un controlador aumentado situado antes del bucle de optimización, que minimiza el esfuerzo total de control para maniobrar. Esta ley de alimentación directa mantiene al misil cerca de sus condiciones de equilibrio, garantizando una respuesta transitoria adecuada. El controlador no lineal elimina la respuesta de fase no-mínima característica de la cola. En esta Tesis se consideran dos diseños para el guiado y control, el control en Doble-Lazo y el control Integrado. En la aproximación de Doble-Lazo, el autopiloto se sitúa dentro de un bucle interior y se diseña independientemente del guiado, que conforma el bucle más exterior del control. Esta estructura asume que existe separación espectral entre los dos, esto es, que los tiempos de respuesta del autopiloto son mucho mayores que los tiempos característicos del guiado. En el estudio se combina el autopiloto desarrollado con una ley de guiado óptimo. Los resultados obtenidos demuestran que se consiguen aumentos muy importantes en las actuaciones frente a misiles con control canard o control en cola, y que la interceptación, cuando se lanza cerca del curso de colisión, se consigue desde cualquier ángulo alrededor del blanco. Para el misil de doble mando, la estrategia óptima resulta en utilizar el modo de control opuesto en la aproximación al blanco y utilizar el modo de desviación justo antes del impacto. Sin embargo la lógica de doble bucle no consigue el impacto cuando hay desviaciones importantes con respecto al curso de colisión. Una de las razones es que parte de la demanda de guiado se pierde, ya que el misil solo es capaz de modificar su aceleración lateral, y no tiene control sobre su aceleración axial, a no ser que incorpore un motor de empuje regulable. La hipótesis de separación mencionada, y que constituye la base del Doble-Bucle, puede no ser aplicable cuando la dinámica del misil es muy alta en las proximidades del blanco. Si se combinan el guiado y el autopiloto en un único bucle, la información de los estados del misil está disponible para el cálculo de la ley de guiado, y puede calcularse la estrategia optima de guiado considerando las capacidades y la actitud del misil. Una tercera contribución de la Tesis es la resolución de este segundo diseño, la integración no lineal del guiado y del autopiloto (IGA) para el misil de doble control. Aproximaciones anteriores en la literatura han planteado este sistema en ejes cuerpo, resultando en un sistema muy inestable debido al bajo amortiguamiento del misil en cabeceo y guiñada. Las simplificaciones que se tomaron también causan que el misil se deslice alrededor del blanco y no consiga la intercepción. En nuestra aproximación el problema se plantea en ejes inerciales y se recurre a la dinámica de los cuaterniones, eliminado estos inconvenientes. No se limita a la dinámica de corto periodo del misil, porque se construye incluyendo de modo explícito la velocidad dentro del bucle de optimización. La formulación resultante en el IGA es independiente de la maniobra del blanco, que sin embargo se ha de incluir en el cálculo del modelo en Doble-bucle. Un típico inconveniente de los sistemas integrados con controlador proporcional, es el problema de las escalas. Los errores de guiado dominan sobre los errores de posición del misil y saturan el controlador, provocando la pérdida del misil. Este problema se ha tratado aquí con un controlador aumentado previo al bucle de optimización, que define un estado de equilibrio local para el sistema integrado, que pasa a actuar como un regulador. Los criterios de actuaciones para el IGA son los mismos que para el sistema de Doble-Bucle. Sin embargo el problema matemático resultante es muy complejo. El problema óptimo para tiempo finito resulta en una ecuación diferencial de Riccati con condiciones terminales, que no puede resolverse. Mediante un cambio de variable y la introducción de una matriz de transición, este problema se transforma en una ecuación diferencial de Lyapunov que puede resolverse mediante métodos numéricos. La solución resultante solo es aplicable en un entorno cercano del blanco. Cuando la distancia entre misil y blanco es mayor, se desarrolla una solución aproximada basada en la solución de una ecuación algebraica de Riccati para cada paso de integración. Los resultados que se han obtenido demuestran, a través de análisis numéricos en distintos escenarios, que la solución integrada es mejor que el sistema de Doble-Bucle. Las trayectorias resultantes son muy distintas. El IGA preserva el guiado del misil y consigue maximizar el uso de la propulsión, consiguiendo la interceptación del blanco en menores tiempos de vuelo. El sistema es capaz de lograr el impacto donde el Doble-Bucle falla, y además requiere un orden menos de magnitud en la cantidad de cálculos necesarios. El efecto de los ruidos radar, datos discretos y errores del radomo se investigan. El IGA es más robusto, resultando menos afectado por perturbaciones que el Doble- Bucle, especialmente porque el núcleo de optimización en el IGA es independiente de la maniobra del blanco. La estimación de la maniobra del blanco es siempre imprecisa y contaminada por ruido, y degrada la precisión de la solución de Doble-Bucle. Finalmente, como una cuarta contribución, se demuestra que el misil con guiado IGA es capaz de realizar una maniobra de defensa contra un blanco que ataque por su cola, sólo con control aerodinámico. Las trayectorias estudiadas consideran una fase pre-programada de alta velocidad de giro, manteniendo siempre el misil dentro de su envuelta de vuelo. Este procedimiento no necesita recurrir a soluciones técnicamente más complejas como el control vectorial del empuje o control por chorro para ejecutar esta maniobra. En todas las demostraciones matemáticas se utiliza el producto de Kronecker como una herramienta practica para manejar las parametrizaciones dependientes de variables, que resultan en matrices de grandes dimensiones. ABSTRACT Future missions for air to air endo-atmospheric missiles require the interception of targets with higher speeds and more maneuverable, including forthcoming unmanned supersonic combat vehicles. The interception will need to be achieved from any angle and off-boresight launch conditions. One of the most significant discussions in missile technology today is how to satisfy these new operational requirements by increasing missile maneuvering capabilities and in parallel, through the development of more advanced guidance and control methods. This Thesis addresses these two objectives by proposing a novel optimal integrated guidance and autopilot design scheme, applicable to more maneuverable missiles with forward and rearward aerodynamic controls. A first insight of these results have been recently published in the Journal of Aerospace Engineering in April 2015, [Ibarrondo and Sanz-Aránguez, 2015]. The value of this integrated solution is that it allows the missile to comply with the aforementioned requirements only by applying aerodynamic control. The proposed design is compared against more traditional guidance and control approaches with positive results, achieving reduced control efforts and lower miss distances with the integrated logic even in the presence of noises. In this Thesis it will be demonstrated how the dual control missile, where canard and tail fins are both movable, can enhance the capabilities of an existing missile airframe. Compared to a tail missile, dual control only requires two additional servos to actuate the canards in pitch and yaw. The tail section will be responsible to maintain the missile stabilized in roll, like in a classic tail missile. The additional complexity is that the vortices shed from the canard propagate downstream where they interact with the tail surfaces, altering the tail expected control characteristics. These aerodynamic phenomena must be properly described, as a preliminary step, with high enough precision for advanced guidance and control studies. As a first contribution we have developed a full analytical model of the nonlinear aerodynamics of a missile with dual control, including the characterization of this cross-control coupling effect. This development has been produced from a theoretical model validated with reliable practical data obtained from wind tunnel experiments available in the scientific literature, complement with computer fluid dynamics and semi-experimental methods. There are two modes of operating a missile with forward and rear controls, ”divert” and ”opposite” modes. In divert mode, controls are deflected in the same direction, generating an increment in direct lift and missile translation. Response is fast, but in this mode, dual control missiles may have difficulties in achieving large angles of attack and high level of lateral accelerations. When controls are deflected in opposite directions (opposite mode) the missile airframe rotates and the body angle of attack is increased to generate greater accelerations in steady-state, although the response time is larger. With the aero-model, a state dependent parametrization of the dual control missile short term dynamics can be obtained. Due to the cross-coupling effect, the open loop dynamics for the dual control missile is not linearly dependent of the fin positions. The short term missile dynamics are blended with the servo system to obtain an extended autopilot model, where the response is linear with the control fins turning rates, that will be the control variables. The flight control loop is optimized to achieve the maneuver required by the guidance law without exceeding any of the missile aerodynamic or mechanical limitations. The specific aero-limitations and relevant performance indicators for the dual control are set as part of the analysis. A second contribution of this Thesis is the development of a step-tracking multi-input autopilot that integrates non-linear aerodynamics. The designed dual control missile autopilot is a full three dimensional autopilot, where roll, pitch and yaw are integrated, calculating command inputs simultaneously. The autopilot control gains are state dependent, and calculated at each integration step solving a matrix Riccati equation of order 21x21. The resulting gains are sub-optimal as a full solution for the Hamilton-Jacobi-Bellman equation cannot be resolved in practical terms and some simplifications are taken. Acceleration mechanisms with an λ-shift is incorporated in the design. As part of the autopilot, a strategy is defined for proper allocation of control effort between canard and tail channels. This is achieved with an augmented feed forward controller that minimizes the total control effort of the missile to maneuver. The feedforward law also maintains the missile near trim conditions, obtaining a well manner response of the missile. The nonlinear controller proves to eliminate the non-minimum phase effect of the tail. Two guidance and control designs have been considered in this Thesis: the Two- Loop and the Integrated approaches. In the Two-Loop approach, the autopilot is placed in an inner loop and designed separately from an outer guidance loop. This structure assumes that spectral separation holds, meaning that the autopilot response times are much higher than the guidance command updates. The developed nonlinear autopilot is linked in the study to an optimal guidance law. Simulations are carried on launching close to collision course against supersonic and highly maneuver targets. Results demonstrate a large boost in performance provided by the dual control versus more traditional canard and tail missiles, where interception with the dual control close to collision course is achieved form 365deg all around the target. It is shown that for the dual control missile the optimal flight strategy results in using opposite control in its approach to target and quick corrections with divert just before impact. However the Two-Loop logic fails to achieve target interception when there are large deviations initially from collision course. One of the reasons is that part of the guidance command is not followed, because the missile is not able to control its axial acceleration without a throttleable engine. Also the separation hypothesis may not be applicable for a high dynamic vehicle like a dual control missile approaching a maneuvering target. If the guidance and autopilot are combined into a single loop, the guidance law will have information of the missile states and could calculate the most optimal approach to the target considering the actual capabilities and attitude of the missile. A third contribution of this Thesis is the resolution of the mentioned second design, the non-linear integrated guidance and autopilot (IGA) problem for the dual control missile. Previous approaches in the literature have posed the problem in body axes, resulting in high unstable behavior due to the low damping of the missile, and have also caused the missile to slide around the target and not actually hitting it. The IGA system is posed here in inertial axes and quaternion dynamics, eliminating these inconveniences. It is not restricted to the missile short term dynamic, and we have explicitly included the missile speed as a state variable. The IGA formulation is also independent of the target maneuver model that is explicitly included in the Two-loop optimal guidance law model. A typical problem of the integrated systems with a proportional control law is the problem of scales. The guidance errors are larger than missile state errors during most of the flight and result in high gains, control saturation and loss of control. It has been addressed here with an integrated feedforward controller that defines a local equilibrium state at each flight point and the controller acts as a regulator to minimize the IGA states excursions versus the defined feedforward state. The performance criteria for the IGA are the same as in the Two-Loop case. However the resulting optimization problem is mathematically very complex. The optimal problem in a finite-time horizon results in an irresoluble state dependent differential Riccati equation with terminal conditions. With a change of variable and the introduction of a transition matrix, the equation is transformed into a time differential Lyapunov equation that can be solved with known numerical methods in real time. This solution results range limited, and applicable when the missile is in a close neighborhood of the target. For larger ranges, an approximate solution is used, obtained from solution of an algebraic matrix Riccati equation at each integration step. The results obtained show, by mean of several comparative numerical tests in diverse homing scenarios, than the integrated approach is a better solution that the Two- Loop scheme. Trajectories obtained are very different in the two cases. The IGA fully preserves the guidance command and it is able to maximize the utilization of the missile propulsion system, achieving interception with lower miss distances and in lower flight times. The IGA can achieve interception against off-boresight targets where the Two- Loop was not able to success. As an additional advantage, the IGA also requires one order of magnitude less calculations than the Two-Loop solution. The effects of radar noises, discrete radar data and radome errors are investigated. IGA solution is robust, and less affected by radar than the Two-Loop, especially because the target maneuvers are not part of the IGA core optimization loop. Estimation of target acceleration is always imprecise and noisy and degrade the performance of the two-Loop solution. The IGA trajectories are such that minimize the impact of radome errors in the guidance loop. Finally, as a fourth contribution, it is demonstrated that the missile with IGA guidance is capable of performing a defense against attacks from its rear hemisphere, as a tail attack, only with aerodynamic control. The studied trajectories have a preprogrammed high rate turn maneuver, maintaining the missile within its controllable envelope. This solution does not recur to more complex features in service today, like vector control of the missile thrust or side thrusters. In all the mathematical treatments and demonstrations, the Kronecker product has been introduced as a practical tool to handle the state dependent parametrizations that have resulted in very high order matrix equations.

Caracterización y optimización de estructuras biofotónicas y técnicas avanzadas de interrogación para desarrollo de biosensores ópticos

El núcleo fundamental de esta tesis doctoral es un modelo teórico de la interacción de la luz con un tipo particular de biosensor óptico. Este biosensor se compone de dos regiones: en la región inferior puede haber capas de materiales con diferentes espesores y propiedades ópticas, apiladas horizontalmente; en la zona superior, sobre la que incide directamente el haz de luz, puede haber estructuras que hacen que las propiedades ópticas cambien tanto en el plano horizontal como en la dirección vertical. Estos biosensores responden ópticamente de forma diferente al ser iluminados dependiendo de que su superficie externa esté, en mayor o menor medida, recubierta con diferentes tipos de material biológico. En esta tesis se define un modelo analítico aproximado que permite simular la respuesta óptica de biosensores con estructuras en su región más externa. Una vez comprobada la validez práctica del modelo mediante comparación con medidas experimentales, éste se utiliza en el diseño de biosensores de rendimiento óptimo y en la definición de nuevas técnicas de interrogación óptica. En particular, el sistema de transducción IROP (Increased Relative Optical Power), basado en el efecto que produce la presencia de material biológico, en la potencia total reflejada por la celda biosensora en determinados intervalos espectrales, es uno de los sistemas que ha sido patentado y es objeto de desarrollo por la empresa de base tecnológica BIOD [www.biod.es/], estando ya disponibles en este momento varios dispositivos de diagnóstico basados en esta idea. Los dispositivos basados en este sistema de transducción han demostrado su eficiencia en la detección de proteínas y agentes infecciosos como los rotavirus y el virus del dengue. Finalmente, el modelo teórico desarrollado se utiliza para caracterizar las propiedades ópticas de algunos de los materiales de los que se fabrican los biosensores, así como las de las capas de material biológico formadas en las diferentes fases de un inmunoensayo. Los parámetros ópticos de las capas mencionadas se obtienen mediante el método general de ajuste por mínimos cuadrados a las curvas experimentales obtenidas en los inmunoensayos. ABSTRACT The core of this thesis is the theoretical modeling of the interaction of light with a particular type of optical biosensor. This biosensor consists of two parts: in the lower region may have layers of materials with different thicknesses and optical properties, stacked horizontally; at the top, on which directly affects the light beam, there may be structures that make optical properties change in both, the horizontal and in the vertical direction. These biosensors optically respond differently when illuminated depending on its external surface is greater or lesser extent, coated with different types of biological material. In this thesis an approximate analytical model to simulate the optical response of biosensors with structures in its outer region is defined. After verifying the practical validity of the model by comparison with experimental measurements, it is used in the design of biosensors with optimal performance and the definition of new optical interrogation techniques. In particular, the transduction system IROP (Increased Relative Optical Power) based on the effect of the presence of biological material in the total power reflected from the biosensor cell in certain spectral ranges, has been patented and is under development by the startup company BIOD [www.biod.es/], being already available at this time, several diagnostic devices based on this idea. Devices based on this transduction system have proven their efficiency in detecting proteins and infectious agents such as rotavirus and virus of dengue. Finally, the developed theoretical model is used to characterize the optical properties of some of the materials from which biosensors are fabricated, as well as the optical properties of the biological material layers formed at different stages of an immunoassay. The optical parameters of the layers above are obtained by the general method of least squares fit to the experimental curves obtained in immunoassays.

Desarrollo de tecnologías de telemanipulación con alto grado de escalado orientadas a la interacción hombre-robot en entornos nucleares

Esta tesis se centra en desarrollo de tecnologías para la interacción hombre-robot en entornos nucleares de fusión. La problemática principal del sector de fusión nuclear radica en las condiciones ambientales tan extremas que hay en el interior del reactor, y la necesidad de que los equipos cumplan requisitos muy restrictivos para poder aguantar esos niveles de radiación, magnetismo, ultravacío, temperatura... Como no es viable la ejecución de tareas directamente por parte de humanos, habrá que utilizar dispositivos de manipulación remota para llevar a cabo los procesos de operación y mantenimiento. En las instalaciones de ITER es obligatorio tener un entorno controlado de extrema seguridad, que necesita de estándares validados. La definición y uso de protocolos es indispensable para regir su buen funcionamiento. Si nos centramos en la telemanipulación con algo grado de escalado, surge la necesidad de definir protocolos para sistemas abiertos que permitan la interacción entre equipos y dispositivos de diversa índole. En este contexto se plantea la definición del Protocolo de Teleoperación que permita la interconexión entre dispositivos maestros y esclavos de distinta tipología, pudiéndose comunicar bilateralmente entre sí y utilizar distintos algoritmos de control según la tarea a desempeñar. Este protocolo y su interconectividad se han puesto a prueba en la Plataforma Abierta de Teleoperación (P.A.T.) que se ha desarrollado e integrado en la ETSII UPM como una herramienta que permita probar, validar y realizar experimentos de telerrobótica. Actualmente, este Protocolo de Teleoperación se ha propuesto a través de AENOR al grupo ISO de Telerobotics como una solución válida al problema existente y se encuentra bajo revisión. Con el diseño de dicho protocolo se ha conseguido enlazar maestro y esclavo, sin embargo con los niveles de radiación tan altos que hay en ITER la electrónica del controlador no puede entrar dentro del tokamak. Por ello se propone que a través de una mínima electrónica convenientemente protegida se puedan multiplexar las señales de control que van a través del cableado umbilical desde el controlador hasta la base del robot. En este ejercicio teórico se demuestra la utilidad y viabilidad de utilizar este tipo de solución para reducir el volumen y peso del cableado umbilical en cifras aproximadas de un 90%, para ello hay que desarrollar una electrónica específica y con certificación RadHard para soportar los enormes niveles de radiación de ITER. Para este manipulador de tipo genérico y con ayuda de la Plataforma Abierta de Teleoperación, se ha desarrollado un algoritmo que mediante un sensor de fuerza/par y una IMU colocados en la muñeca del robot, y convenientemente protegidos ante la radiación, permiten calcular las fuerzas e inercias que produce la carga, esto es necesario para poder transmitirle al operador unas fuerzas escaladas, y que pueda sentir la carga que manipula, y no otras fuerzas que puedan influir en el esclavo remoto, como ocurre con otras técnicas de estimación de fuerzas. Como el blindaje de los sensores no debe ser grande ni pesado, habrá que destinar este tipo de tecnología a las tareas de mantenimiento de las paradas programadas de ITER, que es cuando los niveles de radiación están en sus valores mínimos. Por otro lado para que el operador sienta lo más fielmente posible la fuerza de carga se ha desarrollado una electrónica que mediante el control en corriente de los motores permita realizar un control en fuerza a partir de la caracterización de los motores del maestro. Además para aumentar la percepción del operador se han realizado unos experimentos que demuestran que al aplicar estímulos multimodales (visuales, auditivos y hápticos) aumenta su inmersión y el rendimiento en la consecución de la tarea puesto que influyen directamente en su capacidad de respuesta. Finalmente, y en referencia a la realimentación visual del operador, en ITER se trabaja con cámaras situadas en localizaciones estratégicas, si bien el humano cuando manipula objetos hace uso de su visión binocular cambiando constantemente el punto de vista adecuándose a las necesidades visuales de cada momento durante el desarrollo de la tarea. Por ello, se ha realizado una reconstrucción tridimensional del espacio de la tarea a partir de una cámara-sensor RGB-D, lo cual nos permite obtener un punto de vista binocular virtual móvil a partir de una cámara situada en un punto fijo que se puede proyectar en un dispositivo de visualización 3D para que el operador pueda variar el punto de vista estereoscópico según sus preferencias. La correcta integración de estas tecnologías para la interacción hombre-robot en la P.A.T. ha permitido validar mediante pruebas y experimentos para verificar su utilidad en la aplicación práctica de la telemanipulación con alto grado de escalado en entornos nucleares de fusión. Abstract This thesis focuses on developing technologies for human-robot interaction in nuclear fusion environments. The main problem of nuclear fusion sector resides in such extreme environmental conditions existing in the hot-cell, leading to very restrictive requirements for equipment in order to deal with these high levels of radiation, magnetism, ultravacuum, temperature... Since it is not feasible to carry out tasks directly by humans, we must use remote handling devices for accomplishing operation and maintenance processes. In ITER facilities it is mandatory to have a controlled environment of extreme safety and security with validated standards. The definition and use of protocols is essential to govern its operation. Focusing on Remote Handling with some degree of escalation, protocols must be defined for open systems to allow interaction among different kind of equipment and several multifunctional devices. In this context, a Teleoperation Protocol definition enables interconnection between master and slave devices from different typologies, being able to communicate bilaterally one each other and using different control algorithms depending on the task to perform. This protocol and its interconnectivity have been tested in the Teleoperation Open Platform (T.O.P.) that has been developed and integrated in the ETSII UPM as a tool to test, validate and conduct experiments in Telerobotics. Currently, this protocol has been proposed for Teleoperation through AENOR to the ISO Telerobotics group as a valid solution to the existing problem, and it is under review. Master and slave connection has been achieved with this protocol design, however with such high radiation levels in ITER, the controller electronics cannot enter inside the tokamak. Therefore it is proposed a multiplexed electronic board, that through suitable and RadHard protection processes, to transmit control signals through an umbilical cable from the controller to the robot base. In this theoretical exercise the utility and feasibility of using this type of solution reduce the volume and weight of the umbilical wiring approximate 90% less, although it is necessary to develop specific electronic hardware and validate in RadHard qualifications in order to handle huge levels of ITER radiation. Using generic manipulators does not allow to implement regular sensors for force feedback in ITER conditions. In this line of research, an algorithm to calculate the forces and inertia produced by the load has been developed using a force/torque sensor and IMU, both conveniently protected against radiation and placed on the robot wrist. Scaled forces should be transmitted to the operator, feeling load forces but not other undesirable forces in slave system as those resulting from other force estimation techniques. Since shielding of the sensors should not be large and heavy, it will be necessary to allocate this type of technology for programmed maintenance periods of ITER, when radiation levels are at their lowest levels. Moreover, the operator perception needs to feel load forces as accurate as possible, so some current control electronics were developed to perform a force control of master joint motors going through a correct motor characterization. In addition to increase the perception of the operator, some experiments were conducted to demonstrate applying multimodal stimuli (visual, auditory and haptic) increases immersion and performance in achieving the task since it is directly correlated with response time. Finally, referring to the visual feedback to the operator in ITER, it is usual to work with 2D cameras in strategic locations, while humans use binocular vision in direct object manipulation, constantly changing the point of view adapting it to the visual needs for performing manipulation during task procedures. In this line a three-dimensional reconstruction of non-structured scenarios has been developed using RGB-D sensor instead of cameras in the remote environment. Thus a mobile virtual binocular point of view could be generated from a camera at a fixed point, projecting stereoscopic images in 3D display device according to operator preferences. The successful integration of these technologies for human-robot interaction in the T.O.P., and validating them through tests and experiments, verify its usefulness in practical application of high scaling remote handling at nuclear fusion environments.

Evaluación del tiempo de reacción en velocistas con y sin discapacidad auditiva: aplicaciones para la inclusión

Este trabajo de investigación trata de aportar luz al estudio del tiempo de reacción (TR) en velocistas con y sin discapacidad auditiva desde las Ciencias del Deporte. El planteamiento del presente estudio surgió al cuestionarnos la existencia de las diferencias en cuanto al TR visual y auditivo aplicado a velocistas con y sin discapacidad auditiva, pensando en el desarrollo futuro de competiciones inclusivas entre ambos colectivos. Por ello, este estudio trata de resolver las dificultades que los velocistas con discapacidad se encuentran habitualmente en las competiciones. A priori, los atletas con discapacidad auditiva compiten en inferioridad de condiciones como consecuencia de una salida que no parece la más adecuada para ellos (desde los tacos, han de mirar hacia la pistola del juez o el movimiento de un rival). El documento se divide en tres partes. En la primera parte se realiza la pertinente revisión del marco teórico y justificación del estudio. La segunda parte se centra en los objetivos de la investigación, el material y el método, donde se muestran los resultados, discusión y conclusiones del estudio realizado, así como las limitaciones del presente trabajo y sus futuras líneas de investigación. La tercera parte corresponde a la bibliografía y la cuarta parte a los anexos. En la primera parte, presentamos el marco teórico compuesto por cinco capítulos organizan la fundamentación que hemos realizado como revisión sobre los aspectos más destacados del TR, determinado por las características de la tarea y otros factores que influyen en el TR como objeto de nuestro estudio. Después exponemos los principales aspectos estructurales y funcionales del sistema nervioso (SN) relacionados con el TR visual y auditivo. Tras ello se expone la realidad del deporte para personas con discapacidad auditiva, indagando en sus peculiaridades y criterios de elegibilidad que tiene ese colectivo dentro del ámbito deportivo. A continuación abordamos el estudio de la salida de velocidad en el atletismo, como aspecto clave que va a guiar nuestra investigación, especialmente los parámetros determinantes en la colocación de los tacos de salida para atletas con y sin discapacidad auditiva, la posición de salida y la propia colocación de los estímulos en dicha situación. Es la segunda parte se desarrolla el trabajo de investigación que tiene como objetivos estudiar los valores de TR visual simple manual, TR en salida de tacos y los tiempos de desplazamiento a los 10m y 20m de velocistas con y sin discapacidad auditiva, así como analizar las posibles diferencias en TR según posición y tipo de estímulo luminoso, respecto a ambos grupos de atletas. Como tercer objetivo de estudio se evalúa cualitativamente, por parte de los propios atletas, el dispositivo luminoso utilizado. La toma de datos de este estudio se llevó a cabo entre los meses de febrero y mayo del 2014, en el módulo de atletismo del Centro de Alto Rendimiento Joaquín Blume (Madrid), con dos grupos de estudio, uno de 9 velocistas con discapacidad auditiva (VDA), conformando éstos el 60% de toda la población en España, según el número de las licencias de la FEDS en la modalidad de atletismo (velocistas, pruebas de 100 y 200 m.l.), en el momento del estudio, y otro de 13 velocistas sin discapacidad (VsDA) que se presentaron de manera voluntaria con unos mismos criterios de inclusión para ambos grupos. Para la medición y el registro de los datos se utilizaron materiales como hoja de registro, Medidor de Tiempo de Reacción (MTR), tacos de salida, ReacTime®, dispositivo luminoso conectado a los tacos de salida, células fotoeléctricas, ordenador y software del ReacTime, y cámara de video. La metodología utilizada en este estudio fue de tipo correlacional, analizando los resultados del TR simple manual según vía sensitiva (visual y auditiva) entre los dos grupos de VDA y VsDA. También se estudiaron los TR desde la salida de tacos en función de la colocación del dispositivo luminoso (en el suelo y a 5 metros, vía visual) y pistola de salida atlética (vía auditiva) así como el tiempo de desplazamiento a los 10m (t10m) y 20m (t20m) de ambos grupos de velocistas. Finalmente, se desarrolló y llevó a cabo un cuestionario de evaluación por parte de los atletas VDA con el objetivo de conocer el grado de satisfacción después de haber realizado la serie de experimentos con el dispositivo luminoso y adaptado para sistemas de salida en la velocidad atlética. Con el objetivo de comprobar la viabilidad de la metodología descrita y probar en el contexto de análisis real el protocolo experimental, se realizó un estudio piloto con el fin de conocer las posibles diferencias del TR visual desde los tacos de salida en velocistas con discapacidad auditiva, usando para dicha salida un estímulo visual mediante un dispositivo luminoso coordinado con la señal sonora de salida (Soto-Rey, Pérez-Tejero, Rojo-González y Álvarez-Ortiz, 2015). En cuanto a los procedimientos estadísticos utilizados, con el fin de analizar la distribución de los datos y su normalidad, se aplicó la prueba de Kolmogorov-Smirnof, dicha prueba arrojó resultados de normalidad para todas las variables analizadas de las situaciones experimentales EA, EVsuelo y EV5m. Es por ello que en el presente trabajo de investigación se utilizó estadística paramétrica. Como medidas descriptivas, se calcularon el máximo, mínimo, media y la desviación estándar. En relación a las situaciones experimentales, para estudiar las posibles diferencias en las variables estudiadas dentro de cada grupo de velocistas (intragrupo) en la situación experimental 1 (MTR), se empleó una prueba T de Student para muestras independientes. En las situaciones experimentales 2, 3 y 4, para conocer las diferencias entre ambos grupos de velocistas en cada situación, se utilizó igualmente la prueba T para muestras independientes, mientras que un ANOVA simple (con post hoc Bonferroni) se utilizó para analizar las diferencias para cada grupo (VDA y VsDA) por situación experimental. Así mismo, se utilizó un ANOVA de medidas repetidas, donde el tipo de estímulo (situación experimental) fue la variable intra-grupo y el grupo de velocistas participantes (VDA y VsDA) la entre-grupo, realizándose esta prueba para evaluar en cada situación el TR, t1m0 y t20m y las interacciones entre las variables. Para el tratamiento estadístico fue utilizado el paquete estadístico SPSS 18.0 (Chicago, IL, EEUU). Los niveles de significación fueron establecidos para un ≤0.05, indicando el valor de p en cada caso. Uno de los aspectos más relevantes de este trabajo es la medición en diferentes situaciones, con instrumentación distinta y con situaciones experimentales distintas, del TR en velocistas con y sin discapacidad auditiva. Ello supuso el desarrollo de un diseño de investigación que respondió a las necesidades planteadas por los objetivos del estudio, así como el desarrollo de instrumentación específica (Rojo-Lacal, Soto-Rey, Pérez-Tejero y Rojo-González, 2014; Soto-Rey et al., 2015) y distintas situaciones experimentales que reprodujeran las condiciones de práctica y competición real de VsDA y VDA en las pruebas atléticas de velocidad, y más concretamente, en las salidas. El análisis estadístico mostró diferencias significativas entre los estímulos visuales y sonoros medidos con el MTR, siendo menor el TR ante el estímulo visual que ante el sonoro, tanto para los atletas con discapacidad auditiva como para los que no la presentaron (TR visual, 0.195 s ± 0.018 vs 0.197 s ± 0.022, p≤0.05; TR sonoro 0.230 s ± 0.016 vs 0.237 s ± 0.045, p≤0.05). Teniendo en cuenta los resultados según población objeto de estudio y situación experimental, se registraron diferencias significativas entre ambas poblaciones, VDA y VsDA, siendo más rápidos los VDA que VsDA en la situación experimental con el estímulo visual en el suelo (EVsuelo, 0.191 ±0.025 vs 0.210 ±0.025, p≤0.05, respectivamente) y los VsDA en la situación experimental con el estímulo auditivo (EA, 0.396 ±0.045 vs 0.174 ±0.021, p≤0.05), aunque sin diferencias entre ambos grupos en la situación experimental con el estímulo visual a 5m de los tacos de salida. Es de destacar que en el TR no hubo diferencias significativas entre EA para VsDA y EVsuelo para VDA. El ANOVA simple registró diferencias significativas en todas las situaciones experimentales dentro de cada grupo y para todas las variables, por lo que estadísticamente, las situaciones experimentales fueron diferentes entre sí. En relación al de ANOVA medidas repetidas, la prueba de esfericidad se mostró adecuada, existiendo diferencias significativas en las varianzas de los pares de medias: el valor de F indicó que existieron diferencias entre las diferentes situaciones experimentales en cuanto a TR, incluso cuando éstas se relacionaban con el factor discapacidad (factor interacción, p≤0,05). Por ello, queda patente que las situaciones son distintas entre sí, también teniendo en cuenta la discapacidad. El η2 (eta al cuadrado, tamaño del efecto, para la interacción) indica que el 91.7% de la variación se deben a las condiciones del estudio, y no al error (indicador de la generalización de los resultados del estudio). Por otro lado, la evaluación del dispositivo luminoso fue positiva en relación a la iluminación, comodidad de uso, ubicación, color, tamaño, adecuación del dispositivo y del equipamiento necesario para adaptar al sistema de salida. La totalidad de los atletas afirman rotundamente que el dispositivo luminoso favorecería la adaptación al sistema de salida atlética para permitir una competición inclusiva. Asimismo concluyen que el dispositivo luminoso favorecería el rendimiento o mejora de marca en la competición. La discusión de este estudio presenta justificación de las diferencias demostradas que el tipo de estímulo y su colocación son clave en el TR de esta prueba, por lo que podríamos argumentar la necesidad de contar con dispositivos luminosos para VDA a la hora de competir con VsDA en una misma prueba, inclusiva. El presente trabajo de investigación ha demostrado, aplicando el método científico, que el uso de estos dispositivos, en las condiciones técnicas y experimentales indicadas, permite el uso por parte del VDA, usando su mejor TR visual posible, que se muestra similar (ns) al TR auditivo de VsDA, lo que indica que, para competiciones inclusivas, la salida usando el semáforo (para VDA) y la salida habitual (estímulo sonoro) para VsDA, puede ser una solución equitativa en base a la evidencia demostrada en este estudio. De esta manera, y como referencia, indicar que la media de los TR de los velocistas en la final de los 100 m.l. en los Juegos Olímpicos de Londres 2012 fue de 0.162 ±0.015. De esta manera, creemos que estos parámetros sirven de referencia a técnicos deportivos, atletas y futuros trabajos de investigación. Las aplicaciones de este trabajo permitirán modificaciones y reflexiones en forma de apoyo al entrenamiento y la competición para el entrenador, o juez de salida en la competición que, creemos, es necesaria para proporcionar a este colectivo una atención adecuada en las salidas, especialmente en situaciones inclusivas de práctica. ABSTRACT This research aims to study of reaction time (RT) in sprinters with and without hearing impairment from the Sports Science perspective. The approach of this study came asking whether there were differences in the visual and auditory RT applied to sprinters with and without hearing impairment, thinking about the future development of inclusive competition between the two groups. Therefore, this study attempts to resolve the difficulties commonly founded by sprinters with hearing impairments during competitions. A priori, sprinters with hearing impairment would compete in a disadvantage situation as a result of the use of a staring signal not suitable for them (from the blocks, they have to look to the judge´s pistol or the movement of an opponent). The document is divided into three parts. In the first part of the review of relevant theoretical framework and justification of the study is presented. The second part focuses on the research objectives, material and method, where results, discussion and conclusions of the study, as well as the limitations of this study and future research are presented. The third part contains references and the fourth, annexes. In the first part, we present the theoretical framework consisting of five chapters, organizing the state of the art of RT, determined by the characteristics of the task and other factors that influence the RT as object of our study. Then we present the main structural and functional aspects of the nervous system associated with visual and auditory RT. After that, sport for people with hearing disabilities is presented, investigating its peculiarities and eligibility criteria is that group within the deaf sport. Finally, we discuss the theoretical foundation of the study of start speed in athletics as a key aspect that will guide our research, especially the determining parameters in placing the starting blocks for athletes with and without hearing impairment, the starting position and the actual placement of stimuli in such a situation. The second part of the research aims to study the values of simple manual visual RT, RT start from blocks and travel times up to 10m and 20m of sprinters with and without hearing impairment, and to analyze possible differences in RT as position and type of light stimulus with respect to both groups of athletes. The third objective of the study is to assess the pertinence of the lighting device developed and used in the study, in a qualitatively way by athletes themselves. Data collection for this study was carried out between February and May 2014, in the Athletics module at the High Performance Centre Joaquin Blume (Madrid) with the two study groups: 9 sprinters with hearing impairments(VDA, reaching 60% of the population in Spain, according to the number of licenses for athletics at FEDS: sprint, 100 and 200 m.l., at the time of the study), and another 13 sprinters without disability (VsDA) who voluntarily presented themselves, with same inclusion criteria for both groups. For measuring and data collection materials such as recording sheet, gauge reaction time (MTR), starting blocks, ReacTime®, luminous device connected to the starting blocks, photocells, computer and software ReacTime, and video camera were used. The methodology used in this study was correlational, analyzing the results of simple manual RT according sensory pathway (visual and auditory) between the two groups (VsDA and VDA). Also auditory and visual RT was studied depending the placement of the start light signal (on the ground and 5 meters, visual pathway) and athletic start gun signal (auditory pathway, conventional situation) and travel time up to 10m (t10m) and 20m (t20m) for both groups of sprinters. Finally, we developed and carried out an evaluation questionnaire for VDA athletes in order to determine the degree of satisfaction after completing the series of experiments with lighting device and adapted to start systems in athletic speed. In order to test the feasibility of the methodology described and tested in the context of real analysis of the experimental protocol, a pilot study in order to know the possible differences visual RT from the starting blocks in sprinters with hearing impairments was performed, to said output using a visual stimulus coordinated by a lighting device with sound output signal (Soto-Rey Perez-Tejero, Rojo-González y Álvarez-Ortiz, 2015). For the statistical procedures, in order to analyze the distribution of the data and their normality, Kolmogorov-Smirnov test was applied, this test yielded normal results for all variables analyzed during EA, EVsuelo and EV5m experimental situations. Parametric statistics were used in this research. As descriptive measures, the maximum, minimum, mean and standard deviation were calculated. In relation to experimental situations, to study possible differences in the variables studied in each group sprinters (intragroup) in the experimental situation 1 (MTR), a Student t test was used for independent samples. Under the experimental situations 2, 3 and 4, to know the differences between the two groups of sprinters in every situation, the T test for independent samples was used, while a simple ANOVA (with post hoc Bonferroni) was used to analyze differences for each group (VDA and VsDA) by experimental situation. Likewise, a repeated measures ANOVA, where the type of stimulus (experimental situation) was variable intra-group and participants sprinters group (VDA and VsDA) the variable between-group, was performed to assess each situation for RT, t10m and t20m, and also interactions between variables. For the statistical treatment SPSS 18.0 (Chicago, IL, USA) was used. Significance levels were set for  ≤0.05, indicating the value of p in each case. One of the most important aspects of this work is the measurement of RT in sprinters with and without hearing impairment in different situations, with different instrumentation and different experimental situations. This involved the development of a research design that responded to the needs raised by the study aims and the development of specific instrumentation (Rojo-Lacal, Soto-Rey Perez-Tejero and Rojo-Gonzalez, 2014; Soto-Rey et al., 2015) and different experimental situations to reproduce the conditions of practical and real competition VsDA and VDA in athletic sprints, and more specifically, at the start. Statistical analysis showed significant differences between the visual and sound stimuli measured by the MTR, with lower RT to the visual stimulus that for sound, both for athletes with hearing disabilities and for those without (visual RT, 0.195 s ± 0.018 s vs 0.197 ± 0.022, p≤0.05; sound RT 0.230 s ± 0.016 vs 0.237 s ± 0.045, p≤0.05). Considering the results according to study population and experimental situation, significant differences between the two populations, VDA and VsDA were found, being faster the VDA than VsDA in the experimental situation with the visual stimulus on the floor (EVsuelo, recorded 0.191 s ± 0.025 vs 0.210 s ± 0.025, p≤0.05, respectively) and VsDA in the experimental situation with the auditory stimulus (EA, 0.396 s ± 0.045 vs 0.174 s ± 0.021, p≤0.05), but no difference between groups in the experimental situation with the 5m visual stimulus to the starting blocks. It is noteworthy that no significant differences in EA and EVsuelo between VsDA to VDA, respectively, for RT. Simple ANOVA showed significant differences in all experimental situations within each group and for all variables, so statistically, the experimental situations were different. Regarding the repeated measures ANOVA, the sphericity test showed adequate, and there were significant differences in the variances of the pairs of means: the value of F indicated that there were differences between the different experimental situations regarding RT, even when they were related to the disability factor (factor interaction, p≤0.05). Therefore, it is clear that the situations were different from each other, also taking into account impairment. The η2 (eta squared, effect size, for interaction) indicates that 91.7% of the variation is due to the conditions of the study, not by error (as indicator of the generalization potential of the study results). On the other hand, evaluation of the light signal was positively related to lighting, ease of use, location, color, size, alignment device and equipment necessary to adapt the start system. All the athletes claim strongly in favor of the lighting device adaptation system to enable athletic competition inclusive. Also they concluded that light device would enhance performance or would decrease their RT during the competition. The discussion of this study justify the type of stimulus and the start light positioning as key to the RT performance, so that we could argue the need for lighting devices for VDA when competing against VsDA the same competition, inclusive. This research has demonstrated, applying the scientific method, that the use of these devices, techniques and given experimental conditions, allows the use of the VDA, using his best visual RT, shown similar (ns) auditory RT of VsDA, indicating that for inclusive competitions, the start signal using the light (for VDA) and the usual start (sound stimulus) to VsDA can be an equitable solution based on the evidence shown in this study. Thus, and as a reference, indicate that the average of the RT sprinters in the 100 m. final at the 2012 Summer Olympic Games was 0.162 s ± 0.015. Thus, we believe that these parameters become a reference to sports coaches, athletes and future research. Applications of this work will allow modifications and reflections in the form of support for training and competition for the coach, or judge, as we believe is necessary to provide adequate attention to VDA in speed starts, especially in inclusive practice situations.

Desarrollo de software de control y medida para goniofotómetro de tipo B

El proyecto trata del desarrollo de un software para realizar el control de la medida de la distribución de intensidad luminosa en luminarias LED. En el trascurso del proyecto se expondrán fundamentos teóricos sobre fotometría básica, de los cuales se extraen las condiciones básicas para realizar dicha medida. Además se realiza una breve descripción del hardware utilizado en el desarrollo de la máquina, el cual se basa en una placa de desarrollo Arduino Mega 2560, que, gracias al paquete de Labview “LIFA” (Labview Interface For Arduino”), será posible utilizarla como tarjeta de adquisición de datos mediante la cual poder manejar tanto sensores como actuadores, para las tareas de control. El instrumento de medida utilizado en este proyecto es el BTS256 de la casa GigaHerzt-Optik, del cual se dispone de un kit de desarrollo tanto en lenguaje C++ como en Labview, haciendo posible programar aplicaciones basadas en este software para realizar cualquier tipo de adaptación a las necesidades del proyecto. El software está desarrollado en la plataforma Labview 2013, esto es gracias a que se dispone del kit de desarrollo del instrumento de medida, y del paquete LIFA. El objetivo global del proyecto es realizar la caracterización de luminarias LED, de forma que se obtengan medidas suficientes de la distribución de intensidad luminosa. Los datos se recogerán en un archivo fotométrico específico, siguiendo la normativa IESNA 2002 sobre formato de archivos fotométricos, que posteriormente será utilizado en la simulación y estudio de instalaciones reales de la luminaria. El sistema propuesto en este proyecto, es un sistema basado en fotometría tipo B, utilizando coordenadas VH, desarrollando un algoritmo de medida que la luminaria describa un ángulo de 180º en ambos ejes, con una resolución de 5º para el eje Vertical y 22.5º para el eje Horizontal, almacenando los datos en un array que será escrito en el formato exigido por la normativa. Una vez obtenidos los datos con el instrumento desarrollado, el fichero generado por la medida, es simulado con el software DIALux, obteniendo unas medidas de iluminación en la simulación que serán comparadas con las medidas reales, intentando reproducir en la simulación las condiciones reales de medida. ABSTRACT. The project involves the development of software for controlling the measurement of light intensity distribution in LEDs. In the course of the project theoretical foundations on basic photometry, of which the basic conditions for such action are extracted will be presented. Besides a brief description of the hardware used in the development of the machine, which is based on a Mega Arduino plate 2560 is made, that through the package Labview "LIFA" (Interface For Arduino Labview "), it is possible to use as data acquisition card by which to handle both sensors and actuators for control tasks. The instrument used in this project is the BTS256 of GigaHerzt-Optik house, which is available a development kit in both C ++ language as LabView, making it possible to program based on this software applications for any kind of adaptation to project needs. The software is developed in Labview 2013 platform, this is thanks to the availability of the SDK of the measuring instrument and the LIFA package. The overall objective of the project is the characterization of LED lights, so that sufficient measures the light intensity distribution are obtained. Data will be collected on a specific photometric file, following the rules IESNA 2002 on photometric format files, which will then be used in the simulation and study of actual installations of the luminaire. The proposed in this project is a system based on photometry type B system using VH coordinates, developing an algorithm as the fixture describe an angle of 180 ° in both axes, with a resolution of 5 ° to the vertical axis and 22.5º for the Horizontal axis, storing data in an array to be written in the format required by the regulations. After obtaining the data with the instrument developed, the file generated by the measure, is simulated with DIALux software, obtaining measures of lighting in the simulation will be compared with the actual measurements, trying to play in the simulation the actual measurement conditions .

Communication Middleware for Distributed Hard Real-Time Systems in Java

Distributed real-time embedded systems are becoming increasingly important to society. More demands will be made on them and greater reliance will be placed on the delivery of their services. A relevant subset of them is high-integrity or hard real-time systems, where failure can cause loss of life, environmental harm, or significant financial loss. Additionally, the evolution of communication networks and paradigms as well as the necessity of demanding processing power and fault tolerance, motivated the interconnection between electronic devices; many of the communications have the possibility of transferring data at a high speed. The concept of distributed systems emerged as systems where different parts are executed on several nodes that interact with each other via a communication network. Java’s popularity, facilities and platform independence have made it an interesting language for the real-time and embedded community. This was the motivation for the development of RTSJ (Real-Time Specification for Java), which is a language extension intended to allow the development of real-time systems. The use of Java in the development of high-integrity systems requires strict development and testing techniques. However, RTJS includes a number of language features that are forbidden in such systems. In the context of the HIJA project, the HRTJ (Hard Real-Time Java) profile was developed to define a robust subset of the language that is amenable to static analysis for high-integrity system certification. Currently, a specification under the Java community process (JSR- 302) is being developed. Its purpose is to define those capabilities needed to create safety critical applications with Java technology called Safety Critical Java (SCJ). However, neither RTSJ nor its profiles provide facilities to develop distributed realtime applications. This is an important issue, as most of the current and future systems will be distributed. The Distributed RTSJ (DRTSJ) Expert Group was created under the Java community process (JSR-50) in order to define appropriate abstractions to overcome this problem. Currently there is no formal specification. The aim of this thesis is to develop a communication middleware that is suitable for the development of distributed hard real-time systems in Java, based on the integration between the RMI (Remote Method Invocation) model and the HRTJ profile. It has been designed and implemented keeping in mind the main requirements such as the predictability and reliability in the timing behavior and the resource usage. iThe design starts with the definition of a computational model which identifies among other things: the communication model, most appropriate underlying network protocols, the analysis model, and a subset of Java for hard real-time systems. In the design, the remote references are the basic means for building distributed applications which are associated with all non-functional parameters and resources needed to implement synchronous or asynchronous remote invocations with real-time attributes. The proposed middleware separates the resource allocation from the execution itself by defining two phases and a specific threading mechanism that guarantees a suitable timing behavior. It also includes mechanisms to monitor the functional and the timing behavior. It provides independence from network protocol defining a network interface and modules. The JRMP protocol was modified to include two phases, non-functional parameters, and message size optimizations. Although serialization is one of the fundamental operations to ensure proper data transmission, current implementations are not suitable for hard real-time systems and there are no alternatives. This thesis proposes a predictable serialization that introduces a new compiler to generate optimized code according to the computational model. The proposed solution has the advantage of allowing us to schedule the communications and to adjust the memory usage at compilation time. In order to validate the design and the implementation a demanding validation process was carried out with emphasis in the functional behavior, the memory usage, the processor usage (the end-to-end response time and the response time in each functional block) and the network usage (real consumption according to the calculated consumption). The results obtained in an industrial application developed by Thales Avionics (a Flight Management System) and in exhaustive tests show that the design and the prototype are reliable for industrial applications with strict timing requirements. Los sistemas empotrados y distribuidos de tiempo real son cada vez más importantes para la sociedad. Su demanda aumenta y cada vez más dependemos de los servicios que proporcionan. Los sistemas de alta integridad constituyen un subconjunto de gran importancia. Se caracterizan por que un fallo en su funcionamiento puede causar pérdida de vidas humanas, daños en el medio ambiente o cuantiosas pérdidas económicas. La necesidad de satisfacer requisitos temporales estrictos, hace más complejo su desarrollo. Mientras que los sistemas empotrados se sigan expandiendo en nuestra sociedad, es necesario garantizar un coste de desarrollo ajustado mediante el uso técnicas adecuadas en su diseño, mantenimiento y certificación. En concreto, se requiere una tecnología flexible e independiente del hardware. La evolución de las redes y paradigmas de comunicación, así como la necesidad de mayor potencia de cómputo y de tolerancia a fallos, ha motivado la interconexión de dispositivos electrónicos. Los mecanismos de comunicación permiten la transferencia de datos con alta velocidad de transmisión. En este contexto, el concepto de sistema distribuido ha emergido como sistemas donde sus componentes se ejecutan en varios nodos en paralelo y que interactúan entre ellos mediante redes de comunicaciones. Un concepto interesante son los sistemas de tiempo real neutrales respecto a la plataforma de ejecución. Se caracterizan por la falta de conocimiento de esta plataforma durante su diseño. Esta propiedad es relevante, por que conviene que se ejecuten en la mayor variedad de arquitecturas, tienen una vida media mayor de diez anos y el lugar ˜ donde se ejecutan puede variar. El lenguaje de programación Java es una buena base para el desarrollo de este tipo de sistemas. Por este motivo se ha creado RTSJ (Real-Time Specification for Java), que es una extensión del lenguaje para permitir el desarrollo de sistemas de tiempo real. Sin embargo, RTSJ no proporciona facilidades para el desarrollo de aplicaciones distribuidas de tiempo real. Es una limitación importante dado que la mayoría de los actuales y futuros sistemas serán distribuidos. El grupo DRTSJ (DistributedRTSJ) fue creado bajo el proceso de la comunidad de Java (JSR-50) con el fin de definir las abstracciones que aborden dicha limitación, pero en la actualidad aun no existe una especificacion formal. El objetivo de esta tesis es desarrollar un middleware de comunicaciones para el desarrollo de sistemas distribuidos de tiempo real en Java, basado en la integración entre el modelo de RMI (Remote Method Invocation) y el perfil HRTJ. Ha sido diseñado e implementado teniendo en cuenta los requisitos principales, como la predecibilidad y la confiabilidad del comportamiento temporal y el uso de recursos. El diseño parte de la definición de un modelo computacional el cual identifica entre otras cosas: el modelo de comunicaciones, los protocolos de red subyacentes más adecuados, el modelo de análisis, y un subconjunto de Java para sistemas de tiempo real crítico. En el diseño, las referencias remotas son el medio básico para construcción de aplicaciones distribuidas las cuales son asociadas a todos los parámetros no funcionales y los recursos necesarios para la ejecución de invocaciones remotas síncronas o asíncronas con atributos de tiempo real. El middleware propuesto separa la asignación de recursos de la propia ejecución definiendo dos fases y un mecanismo de hebras especifico que garantiza un comportamiento temporal adecuado. Además se ha incluido mecanismos para supervisar el comportamiento funcional y temporal. Se ha buscado independencia del protocolo de red definiendo una interfaz de red y módulos específicos. También se ha modificado el protocolo JRMP para incluir diferentes fases, parámetros no funcionales y optimizaciones de los tamaños de los mensajes. Aunque la serialización es una de las operaciones fundamentales para asegurar la adecuada transmisión de datos, las actuales implementaciones no son adecuadas para sistemas críticos y no hay alternativas. Este trabajo propone una serialización predecible que ha implicado el desarrollo de un nuevo compilador para la generación de código optimizado acorde al modelo computacional. La solución propuesta tiene la ventaja que en tiempo de compilación nos permite planificar las comunicaciones y ajustar el uso de memoria. Con el objetivo de validar el diseño e implementación se ha llevado a cabo un exigente proceso de validación con énfasis en: el comportamiento funcional, el uso de memoria, el uso del procesador (tiempo de respuesta de extremo a extremo y en cada uno de los bloques funcionales) y el uso de la red (consumo real conforme al estimado). Los buenos resultados obtenidos en una aplicación industrial desarrollada por Thales Avionics (un sistema de gestión de vuelo) y en las pruebas exhaustivas han demostrado que el diseño y el prototipo son fiables para aplicaciones industriales con estrictos requisitos temporales.