Algoritmo Genético aplicado al problema de programación en procesos tecnológicos de maquinado con ambiente Flow Shop

Debido a las limitaciones de las técnicas de optimización convencionales, en el siguiente trabajo se presenta una metaheurística basada en un algoritmo genético (AG), para resolver problemas de programación de tipo flow shop, con el objetivo de minimizar el tiempo de finalización de todos los trabajos, más conocido como makespan. Este problema, considerado de difícil solución, es típico de la optimización combinatoria y se presenta en talleres con tecnología de maquinado, donde existen máquinas-herramientas convencionales y se fabrican diferentes tipos de piezas que tienen en común una misma ruta tecnológica (orden del proceso). La solución propuesta se probó con problemas clásicos publicados por otros autores, obteniéndose resultados satisfactorios en cuanto a la calidad de las soluciones encontradas y el tiempo de cómputo empleado.

Simulación de sistemas de vigilancia para la evaluación de herramientas de control de tráfico aéreo

El objetivo de este documento es la descripción de una simulación de sistemas de vigilancia para la evaluación de herramientas de control de tráfico aéreo. Se pretende mostrar el desarrollo de un sistema radar en Modo S mediante una simulación por eventos discretos. Para ello, se ha desarrollado un software en lenguaje Java que incluye la simulación de trayectorias de aeronaves, métodos de obtención de posiciones, cambios entre los distintos sistemas de coordenadas, la simulación del barrido mecánico de un radar Modo S, así como modelos de cobertura y detección de aeronaves, creación de mensajes proporcionados mediante el enlace de datos Modo S (Downliked Airborne Parameters, DAP) que contienen información relevante para el control de tráfico aéreo, como pueden ser datos de velocidad o altura. Dentro del simulador del radar también se incluyen rutinas para la visualización en Matlab de los resultados obtenidos, lo que permite verificar las detecciones y ubicaciones de las aeronaves.

Diseño de un modelo de generación de trayectorias de aeronaves para evaluación de herramientas de control de tráfico aéreo

Este trabajo constituye la simulación de un entorno para un sistema de separación de aeronaves basada en tiempos (TBS). El trabajo se divide en dos secciones: la generación de modelos atmosféricos, y la generación y simulación de trayectoria. Se pretende así recrear la ejecución de una maniobra de aproximación final en diferentes escenarios. La sección de generación de modelos atmosféricos es responsable de construir diferentes modelos de atmósfera, en los que poder obtener valores de presión, temperatura, viento y otras variables atmosféricas, para cualquier posición y tiempo deseados. La sección de generación y simulación de trayectoria se centra en la maniobra de aproximación final a pista, construyendo una trayectoria típica de aproximación final. Después, utilizando los datos atmosféricos de la primera sección, se realiza una simulación de una aeronave realizando dicha aproximación final, obteniéndose todos los datos relativos a velocidades respecto al aire y respecto a tierra, posiciones, tiempo transcurrido, etc. Como resultado, se obtiene información sobre la ejecución de la maniobra de aproximación final. Esta información es sensible a las variaciones de las condiciones atmosféricas de la simulación.

Herramientas para la Docencia en Automática Orientadas hacia la Metodología ECTS

En los últimos años se han desarrollado una amplia variedad de herramientas educativas para la docencia. En especial, los laboratorios virtuales y remotos, como medios de educación, se van imponiendo en varios campos de la docencia. La teoría de control no está ajena a este desarrollo y son cada día más las universidades que implementan estas herramientas con el objetivo de optimizar sus recursos. Por ello, en esta tesis, se realiza un análisis de varias de las plataformas de laboratorios virtuales y remotos actuales. Este estudio sirvió de base para la implementación del Sistema de Laboratorios a Distancia (SLD). El Sistema de Laboratorios a Distancia tiene como ventajas fundamentales la independencia entre las estaciones de trabajo y el servidor, lo que permite que se puedan compartir recursos entre lugares distantes, a través de Internet. Además, la posibilidad de tener más de una estación de trabajo, con la misma práctica, controladas por el mismo servidor, lo que le brinda un mayor paralelismo. Por último, mencionar el hecho de permitir la realización de prácticas en tiempo real. En esta tesis se detalla la implementación de las prácticas remotas para el Sistema de Laboratorios a Distancia usadas en la asignatura de Regulación Automática durante los cursos 2008-2009 al 2010-2011. Estas prácticas fueron utilizadas, además de para las actividades prácticas de laboratorio, en el desarrollo de un proyecto de control, actividad ejecutada por los alumnos con un alto valor formativo. También se describen los trabajos prácticos desarrollados en el curso mediante el uso de AulaWeb. Se propone una metodología que se nutre de los resultados de cada curso con vistas a su mejoramiento. La realización de prácticas de forma presencial y remota permite combinar las ventajas de ambos métodos. La realización presencial de prácticas en el laboratorio tiene un gran valor formativo para los alumnos, permitiéndole conocer y manipular los equipos físicos con los que trabaja. Una vez que el alumno está familiarizado con los sistemas que utiliza puede trabajar con ellos a distancia, con las ventajas que ello conlleva de puesta a punto de los equipos y optimización de los recursos. El tiempo efectivo de uso de los sistemas físicos suele ser reducido, ya que la programación y captura de datos suele requerir entre 10 y 20 minutos. La realización de trabajos a distancia ahorra tiempo para el alumno a la vez que favorece el uso compartido de recursos. Otro aspecto de interés que surge al realizar actividades remotas es que no se limita el tiempo de utilización de los equipos, los alumnos pueden manipularlos sin restricciones de tiempo hasta que consideren que han alcanzado los objetivos deseados. La metodología aplicada permite la adquisición de competencias en los alumnos, específicamente las competencias para diseñar y ejecutar experimentos de control; así como analizar críticamente sus resultados. Todo desde un punto de vista de trabajo en equipo, y de forma colaborativa haciendo uso de las herramientas educativas AulaWeb y el Sistema de Laboratorios a Distancia (SLD) para la implementación de los experimentos remotos sobre equipos reales. Esta tesis se ajusta y da respuesta a los objetivos definidos como prioritarios por la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid en sus líneas de prioritarias para la Innovación Educativa. De igual forma cumple con el modelo educativo de la Universidad Politécnica de Madrid (Plan de eficiencia educativa), así como con las recomendaciones sobre competencias del Consejo de Acreditación de Ingeniería y Tecnología (Accreditation Board for Engineering and Technology, ABET). Se analizan los datos recogidos mediante la observación participante, las encuestas y las entrevistas grupales por cada curso académico en los que se realizó la investigación, y se proponen los cambios y mejoras para el próximo período académico. De igual forma se exponen los resultados de los alumnos en los tres cursos que duró la investigación. Esta investigación se ha desarrollado en el marco de dos proyectos de Innovación Educativa financiados por la Universidad Politécnica de Madrid. Además, ha formado parte del Programa de Cooperación Universitaria Institucional (IUC) de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) con el Consejo de Universidades Flamencas (VLIR).

Uso de Herramientas de Simulación Electrónica como Apoyo Docente en Electrónica de Potencia

El objetivo de este trabajo es el mostrar cómo las herramientas de simulación electrónica pueden apoyar didácticamente al profesor en la enseñanza de asignaturas relacionadas con la electrónica de potencia. Se va a presentar un ejemplo guiado de uso de este tipo de herramientas en para el diseño del circuito de control de un convertidor CC/CC para una aplicación de alimentación dual en el entorno del automóvil. Para diseñar el circuito de control es necesario determinar en primer lugar la respuesta en frecuencia del convertidor. Se va a hacer uso del programa Simplorer con la biblioteca SMPS Library como herramienta de simulación para este ejemplo. Existen modelos en dicha biblioteca que permiten obtener la respuesta en frecuencia del circuito de forma directa. Este artículo explica los pasos que deben seguirse para diseñar el circuito de control de un convertidor Buck multi-fase usando tanto modelos promediados como modelos conmutados.

Estudio y análisis de la adaptación del mobiliario universitario a los parámetros de accesibilidad universal y diseño para todos del edificio multidepartamental de la Universidad de Alcalá de Henares situado en Guadalajara. Aproximación a un modelo de fichas técnicas de diagóstico y control.

La sociedad y el mundo en general, en cuanto a la integración social de todos, han ido evolucionando favorablemente. La accesibilidad hoy en día ya no es un hecho que preocupe a una minoría, sino cada vez son más las personas que se dedican a que este desarrollo vaya por el buen camino. En este trabajo lo que se pretende es recoger las condiciones que deben tenerse en cuenta al proyectar, y sobre todo, las características que debe cumplir el mobiliario que vamos a escoger para nuestro edificio, de forma que facilitemos el uso del mismo a todas las personas, sea cual sea su condición, de una forma lo más autónoma, segura y confortable posible. Se presenta como ejemplo el Edificio Multidepartamental de la Universidad de Alcalá de Henares, situado en Guadalajara, sobre el que estudiaremos, mediante un modelo de fichas técnicas de diagnóstico y control, el mobiliario de las aulas, de la cafetería, los puntos de información, los espacios higiénico-sanitarios, el mobiliario urbano exterior y la señalización y paneles informativos. El mobiliario debe estar situado de forma que no entorpezca la circulación de los usuarios del centro y éste, debe poder ser utilizado por todos ellos, estudiantes con y sin discapacidad, profesores, etc.… Debe existir suficiente espacio alrededor de mesas y sillas para maniobrar y permitir la aproximación frontal de las personas en sillas de ruedas, también se debe evaluar la accesibilidad en aseos y baños, máquinas expendedoras….

Aplicación de los procesos del Project Management para el diseño, ejecución y control de revestimientos cerámicos (solados y alicatados)

La actual competitividad empresarial hace necesaria la persecución de la mejora de la eficiencia en todos los procesos productivos. Esta mejora se consigue mediante la implementación de una gestión enfocada en los procesos. Este hecho ha derivado en la necesidad cada vez más acuciante de adoptar metodologías y herramientas que permitan a las organizaciones configurar sus sistemas de gestión. Los proyectos de edificación no escapan a esta metodología, es más, pueden ser unos de los más beneficiados en la implementación de la gestión por procesos. Por ello han surgido multitud de instituciones y asociaciones que la promueven en el ámbito de los proyectos de edificación. Gracias a la gestión por procesos se consigue acercar los objetivos del proyecto a las necesidades y requisitos de sus interesados, consiguiendo de este modo una mejora de la eficiencia. Estos requisitos y necesidades también afectan a las unidades de alicatados y solados, por lo que acercar los principios de la gestión por procesos a estas unidades nos puede ayudar a mejorar los resultados obtenidos en la obra. En cuanto a la gestión de proyectos es numerosa la bibliografía existente en el mundo anglosajón, donde las entidades encargadas de realizar publicaciones las revisan y adaptan continuamente a las necesidades y avances del mercado. Aunque en el ámbito internacional son numerosas las publicaciones que marcan los criterios necesarios para la gestión de proyectos por procesos, la bibliografía específica para la gestión de proyectos de edificación no es tan amplia, y en España es muy reducida y no posee el dinamismo que este tipo de publicaciones tiene en el ámbito internacional. En este trabajo se analizan las principales publicaciones internacionales en materia de gestión de proyectos y se comparan con las existentes en nuestro mercado, con la intención de analizar su situación y proponer los pasos a llevar a cabo para conseguir avanzar en el camino de la aplicación de los principios de la gestión de proyectos en el sector de la edificación. Como referencia, y para acotar el alcance del trabajo, se ha tomado como caso práctico la gestión de los revestimientos cerámicos (solados y alicatados), dentro del ámbito general de la gestión del proceso edificatorio.

Control de calidad en la comercialización de frutas. Proyecto para grandes superficies y centros de distribución

La calidad global de los alimentos, tal y como la va a apreciar el consumidor final, debe lograrse por la interacción de todos los participantes en el sector (productores, transporte, almacenamiento, distribución, industria, etc.) para lo cual es imprescindible implantar sistemas de aseguramiento de la calidad y herramientas de control (Calvo Rebollar, 1998).

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

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

Estrategias de incertidumbre : sistemas, máquinas interactivas y autoorganización

Si existe un denominador común en la contemporaneidad este tiene que ver con el cambio y la transitoriedad. Surfeamos en las olas de una sociedad siempre cambiante incierta y cada vez más imprevisible. La postmodernidad ha devenido en un tiempo sin certezas, el habitante de la sociedad de la transitoriedad desconoce la previsión de futuro. Ante la ausencia de certidumbres, los individuos están obligados a concatenar proyectos episódicos a corto plazo. Este modo de vida fragmentada requiere una gran capacidad de adaptación y flexibilidad para poder sobrevivir en condiciones de incertidumbre endémicas. Por esa razón, la construcción de cualquier situación en términos intelectuales y metodológicos a cualquier escala, requiere una nueva visión, no sólo en términos de espacio, sino fundamentalmente, de tiempo. La presente tesis no pretende plantear el problema desde el punto de vista filosófico, aunque inevitablemente tendrá que referirse a pensadores y científicos utilizados desde la arquitectura. En esta línea, se hace necesario preguntarse como el arquitecto puede operar con esta incertidumbre, en otras palabras: ¿Existe un potencial para el arquitecto en la inestabilidad y el cambio constante del contexto urbano, social y económico? ¿Y si es así, cómo se opera con esta incertidumbre? La inestabilidad de todo el contexto social, político, cultural y económico en el que la arquitectura tiene lugar hoy, hace imprescindible analizar las herramientas y protocolos de proyecto. La tesis tratará, como su título indica, sobre algunas de las estrategias que frente a los postulados del Movimiento Moderno, aparecen entre 1961 y 1978, y reformuladas bajo el prisma de la contemporaneidad, pueden constituir herramientas que hoy resulta pertinente analizar, desde un punto de vista crítico pero también pragmático, en el marco de inestabilidad en el que se desarrolla la disciplina arquitectónica, a estas metodologías las denominaremos Estrategias de Incertidumbre. Por definición, la arquitectura ha operado históricamente, entre el presente conocido y el futuro incierto. Y aunque en la segunda mitad del siglo XX, se produce un cambio significativo en la manera de aproximarse a los cambios futuros de programa o de uso, en la vida útil de los edificios, operando con el cambio y la indeterminación como herramientas de proyecto, lo que es probablemente nuevo hoy, es la inestabilidad de todo el contexto social, político, cultural y económico en el que se genera la arquitectura. La presente tesis analiza una serie de estrategias que han incorporado la incertidumbre como ingrediente activo en la elaboración del proyecto arquitectónico, hasta el punto de redefinir completamente la disciplina. La primera hipótesis plantea el diseño de la anticipación como respuesta a la incertidumbre, a través de la introducción de la flexibilidad programática en el proyecto, para generar estructuras capaces de asimilar los futuros cambios. En ese sentido se buscará la indeterminación del proyecto para dejar abierto su uso. A la vez, la introducción activa del factor tiempo transforma el rol del arquitecto, que pasa a ser un gestor interdisciplinar en la generación del proyecto abierto. La segunda hipótesis plantea el papel productivo de la incertidumbre dentro del proceso creativo, buscando deliberadamente la generación de oportunidades dentro del proceso de proyecto, fomentando la observación y descubrimiento frente al diseño y la definición, manejando tiempo, crecimiento y azar como variables proyectuales, entendiendo la obra como proceso de tal manera que lo inesperado pueda aparecer. Para acometer la investigación, en relación al modelo canónico del Movimiento Moderno, se analizan nuevos modelos surgidos en los 60 en distintos contextos, alineados entre otros, con los protocolos de John Cage y sus secuencias randomizadas o la cibernética, fundamentalmente a partir de 1961, año en el que se publican dos textos, Theory and Design in the First Machine Age de Reyner Banham y An approach to Cybernetics de Gordon Pask. El pensamiento sistémico de Gordon Pask – colaborador de Price en el Fun Palace - tendrá gran influencia en la formulación del concepto de Incertidumbre Calculada, enunciado y planteado como estrategia por Cedric Price, que incorpora, a partir de ese momento, protocolos de diseño propios de la cibernética, en proyectos como el Fun Palace y Potteries Thinkbelt a principios de los años 60. En ellos, el arquitecto, desde la toma de conciencia de la caducidad de los paradigmas clásicos heredados de los principales teóricos de la modernidad, entiende que el proyecto de arquitectura debe incorporar cierto grado de indeterminación para dar cabida a las incertidumbres del programa, introducir la obsolescencia programada o verificar el potencial de la incertidumbre en la sociedad postindustrial. Estos planteamientos tienen continuidad en la figura de un joven profesor llegado en 1970 a la Architectural Association de Londres, el arquitecto suizo Bernard Tschumi. Los programas académicos desarrollados por Tschumi en Londres de 1970 a 1975 - en los que combina el activismo político, las acciones urbanas inspiradas en Lefebvre y Debord y las técnicas del performance juegan un rol crucial en la formalización del discurso y la práctica arquitectónica a partir de los años 70 y suponen el paso de un modelo directo, transitivo, a un modelo operativo, donde la conducta y los objetivos no se establecen a priori, sino que se instalan en el interior de los procesos, ampliando un campo disciplinar, que a partir de ese momento se centrará en lo performativo. Tras estos proyectos, analizaremos su llegada a Nueva York en 1978, año en que presenta los Manhattan Transcripts y se publica Delirious New York, obras que sustituirán la cultura del espacio y la forma, por la capacidad de acción del programa a partir de su modificación dimensional y relacional. Este capítulo tendrá su epílogo en el Concurso Internacional de La Villette en 1982, en las propuetas de Tschumi, Koolhaas y Price, donde la indeterminación estará presente mediante la generación de paisajes perceptivos y programáticos cambiantes. Tras los dos capítulos centrales, el capítulo final Estrategias de Incertidumbre, que da título a la Tesis, recapitulará las estrategias analizadas a través de tres proyectos contemporáneos, proyectando otras tantas ventanas para futuras investigaciones.

Aplicación de la especificación Data Distribution Service (DDS) al control de glucosa en pacientes diabéticos

En este trabajo se ha investigado la posibilidad de utilizar el estándar DDS (Data Distribution Service) desarrollado por el OMG (Object Management Group) para la monitorización en tiempo real del nivel de glucosa en pacientes diabéticos. Dicho estándar sigue el patrón publicador/suscriptor de modo que, en la prueba de concepto desarrollada, los sensores del punto de cuidado son publicadores de los valores de glucosa de los pacientes y diferentes supervisores se suscriben a esa información. Estos supervisores reaccionan de la forma más adecuada a los valores y la evolución del nivel de glucosa en el paciente, por ejemplo, registrando el valor de la muestra o generando una alarma. El software de intermediación que soporta la comunicación de datos sigue el estándar DDS. Esto facilita por un lado la escalabilidad e interoperatividad de la solución desarrollada y por otro la monitorización de niveles de glucosa y la activación de protocolos predefinidos en tiempo real. La investigación se enmarca dentro del proyecto intramural PERSONA del CIBER-BBN, cuyo objetivo es el diseño de herramientas de soporte a la decisión para la monitorización continua de pacientes personalizadas e integradas en una plataforma tecnológica para diabetes.

Elaboración de un procedimiento de control métrico mediante procedimientos de fotogrametría digital y su aplicación como método para la homologación de trofeos cinegéticos.

En los últimos años se observa una creciente demanda de modelos 3D, especialmente orientados al control dimensional dentro de los diferentes campos de la arquitectura o ingeniería, en los que tanto la instrumentación, los métodos de captura (fotogrametría digital y láser escáner), como el tratamiento posterior de la información, requieren de procedimientos y modernas herramientas informáticas acordes con los fines específicos. Los ensayos realizados se encuadran dentro de los métodos de homologación cinegética, que son en definitiva los distintos sistemas de medición y puntuación de las diferentes especies de caza mayor. En este estudio se ha seleccionado un trofeo de gamo para la realización de los diferentes tratamientos, análisis y modelización. En la actualidad los organismos competentes en esta materia emplean, para realizar estos trabajos, mediciones directas y baremos específicos, principalmente con instrumentación analógica.

Free-form optical systems for nonimaging applications : Sistemas ópticos anamórficos para aplicaciones anidólicas

La óptica anidólica es una rama de la óptica cuyo desarrollo comenzó a mediados de la década de 1960. Este relativamente nuevo campo de la óptica se centra en la transferencia eficiente de la luz, algo necesario en muchas aplicaciones, entre las que destacamos los concentradores solares y los sistemas de iluminación. Las soluciones de la óptica clásica a los problemas de la transferencia de energía de la luz sólo son adecuadas cuando los rayos de luz son paraxiales. La condición paraxial no se cumple en la mayoría de las aplicaciones para concentración e iluminación. Esta tesis contiene varios diseños free-form (aquellos que no presentan ninguna simetría, ni de rotación ni lineal) cuyas aplicaciones van destinadas a estos dos campos. El término nonimaging viene del hecho de que estos sistemas ópticos no necesitan formar una imagen del objeto, aunque no formar la imagen no es una condición necesaria. Otra palabra que se utiliza a veces en lugar de nonimaging es la palabra anidólico, viene del griego "an+eidolon" y tiene el mismo significado. La mayoría de los sistemas ópticos diseñados para aplicaciones anidólicas no presentan ninguna simetría, es decir, son free-form (anamórficos). Los sistemas ópticos free-form están siendo especialmente relevantes durante los últimos años gracias al desarrollo de las herramientas para su fabricación como máquinas de moldeo por inyección y el mecanizado multieje. Sin embargo, solo recientemente se han desarrollado técnicas de diseño anidólicas capaces de cumplir con estos grados de libertad. En aplicaciones de iluminación el método SMS3D permite diseñar dos superficies free-form para controlar las fuentes de luz extensas. En los casos en que se requiere una elevada asimetría de la fuente, el objeto o las restricciones volumétricos, las superficies free-form permiten obtener soluciones de mayor eficiencia, o disponer de menos elementos en comparación con las soluciones de simetría de rotación, dado que las superficies free-form tienen más grados de libertad y pueden realizar múltiples funciones debido a su naturaleza anamórfica. Los concentradores anidólicos son muy adecuados para la captación de energía solar, ya que el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol, sino sencillamente la captura de su energía. En este momento, el campo de la concentración fotovoltaica (CPV) tiende hacia sistemas de alta concentración con el fin de compensar el gasto de las células solares multi-unión (MJ) utilizadas como receptores, reduciendo su área. El interés en el uso de células MJ radica en su alta eficiencia de conversión. Para obtener sistemas competitivos en aplicaciones terrestres se recurre a sistemas fotovoltaicos de alta concentración (HCPV), con factores de concentración geométrica por encima de 500x. Estos sistemas se componen de dos (o más) elementos ópticos (espejos y/o lentes). En los sistemas presentados a lo largo de este trabajo se presentan ejemplos de concentradores HCPV con elementos reflexivos como etapa primaria, así como concentradores con elementos refractivos (lente de Fresnel). Con la necesidad de aumentar la eficiencia de los sistemas HCPV reales y con el fin de proporcionar la división más eficiente del espectro solar, células conteniendo cuatro o más uniones (con un potencial de alcanzar eficiencias de más del 45% a una concentración de cientos de soles) se exploran hoy en día. En esta tesis se presenta una de las posibles arquitecturas de división del espectro (spectrum-splitting en la literatura anglosajona) que utilizan células de concentración comercial. Otro campo de aplicación de la óptica nonimaging es la iluminación, donde es necesario proporcionar un patrón de distribución de la iluminación específico. La iluminación de estado sólido (SSL), basada en la electroluminiscencia de materiales semiconductores, está proporcionando fuentes de luz para aplicaciones de iluminación general. En la última década, los diodos emisores de luz (LED) de alto brillo han comenzado a reemplazar a las fuentes de luz convencionales debido a la superioridad en la calidad de la luz emitida, elevado tiempo de vida, compacidad y ahorro de energía. Los colimadores utilizados con LEDs deben cumplir con requisitos tales como tener una alta eficiencia, un alto control del haz de luz, una mezcla de color espacial y una gran compacidad. Presentamos un colimador de luz free-form con microestructuras capaz de conseguir buena colimación y buena mezcla de colores con una fuente de LED RGGB. Una buena mezcla de luz es importante no sólo para simplificar el diseño óptico de la luminaria sino también para evitar hacer binning de los chips. La mezcla de luz óptica puede reducir los costes al evitar la modulación por ancho de pulso y otras soluciones electrónicas patentadas para regulación y ajuste de color. Esta tesis consta de cuatro capítulos. Los capítulos que contienen la obra original de esta tesis son precedidos por un capítulo introductorio donde se presentan los conceptos y definiciones básicas de la óptica geométrica y en el cual se engloba la óptica nonimaging. Contiene principios de la óptica no formadora de imagen junto con la descripción de sus problemas y métodos de diseño. Asimismo se describe el método de Superficies Múltiples Simultáneas (SMS), que destaca por su versatilidad y capacidad de controlar varios haces de rayos. Adicionalmente también se describe la integración Köhler y sus aplicaciones en el campo de la energía fotovoltaica. La concentración fotovoltaica y la iluminación de estado sólido son introducidas junto con la revisión de su estado actual. El Segundo y Tercer Capítulo contienen diseños ópticos avanzados con aplicación en la concentración solar principalmente, mientras que el Cuarto Capítulo describe el colimador free-form con surcos que presenta buena mezcla de colores para aplicaciones de iluminación. El Segundo Capítulo describe dos concentradores ópticos HCPV diseñados con el método SMS en tres dimensiones (SMS3D) que llevan a cabo integración Köhler en dos direcciones con el fin de proporcionar una distribución de irradiancia uniforme libre de aberraciones cromáticas sobre la célula solar. Uno de los diseños es el concentrador XXR free-form diseñado con el método SMS3D, donde el espejo primario (X) y la lente secundaria (R) se dividen en cuatro sectores simétricos y llevan a cabo la integración Köhler (proporcionando cuatro unidades del array Köhler), mientras que el espejo intermedio (X) presenta simetría rotacional. Otro concentrador HCPV presentado es el Fresnel-RXI (FRXI) con una lente de Fresnel funcionando como elemento primario (POE) y una lente RXI como elemento óptico secundario (SOE), que presenta configuración 4-fold con el fin de realizar la integración Köhler. Las lentes RXI son dispositivos nonimaging conocidos, pero su aplicación como elemento secundario es novedosa. Los concentradores XXR y FRXI Köhler son ejemplos académicos de muy alta concentración (más de 2,000x, mientras que los sistemas convencionales hoy en día no suelen llegar a 1,000x) preparados para las células solares N-unión (con N>3), que probablemente requerirán una mayor concentración y alta uniformidad espectral de irradiancia con el fin de obtener sistemas CPV terrestres eficientes y rentables. Ambos concentradores están diseñados maximizando funciones de mérito como la eficiencia óptica, el producto concentración-aceptancia (CAP) y la uniformidad de irradiancia sobre la célula libre de la aberración cromática (integración Köhler). El Tercer Capítulo presenta una arquitectura para la división del espectro solar basada en un módulo HCPV con alta concentración (500x) y ángulo de aceptancia alto (>1º) que tiene por objeto reducir ambas fuentes de pérdidas de las células triple unión (3J) comerciales: el uso eficiente del espectro solar y la luz reflejada de los contactos metálicos y de la superficie de semiconductor. El módulo para la división del espectro utiliza el espectro solar más eficiente debido a la combinación de una alta eficiencia de una célula de concentración 3J (GaInP/GaInAs/Ge) y una de contacto posterior (BPC) de concentración de silicio (Si), así como la técnica de confinamiento externo para la recuperación de la luz reflejada por la célula 3J con el fin de ser reabsorbida por la célula. En la arquitectura propuesta, la célula 3J opera con su ganancia de corriente optimizada (concentración geométrica de 500x), mientras que la célula de silicio trabaja cerca de su óptimo también (135x). El módulo de spectrum-splitting consta de una lente de Fresnel plana como POE y un concentrador RXI free-form como SOE con un filtro paso-banda integrado en él. Tanto POE como SOE realizan la integración Köhler para producir homogeneización de luz sobre la célula. El filtro paso banda envía los fotones IR en la banda 900-1,150nm a la célula de silicio. Hay varios aspectos prácticos de la arquitectura del módulo presentado que ayudan a reducir la complejidad de los sistemas spectrum-splitting (el filtro y el secundario forman una sola pieza sólida, ambas células son coplanarias simplificándose el cableado y la disipación de calor, etc.). Prototipos prueba-de-concepto han sido ensamblados y probados a fin de demostrar la fabricabilidad del filtro y su rendimiento cuando se combina con la técnica de reciclaje de luz externa. Los resultados obtenidos se ajustan bastante bien a los modelos y a las simulaciones e invitan al desarrollo de una versión más compleja de este prototipo en el futuro. Dos colimadores sólidos con surcos free-form se presentan en el Cuarto Capítulo. Ambos diseños ópticos están diseñados originalmente usando el método SMS3D. La segunda superficie ópticamente activa está diseñada a posteriori como una superficie con surcos. El diseño inicial de dos espejos (XX) está diseñado como prueba de concepto. En segundo lugar, el diseño RXI free-form es comparable con los colimadores RXI existentes. Se trata de un diseño muy compacto y eficiente que proporciona una muy buena mezcla de colores cuando funciona con LEDs RGB fuera del eje óptico como en los RGB LEDs convencionales. Estos dos diseños son dispositivos free-form diseñados con la intención de mejorar las propiedades de mezcla de colores de los dispositivos no aplanáticos RXI con simetría de revolución y la eficiencia de los aplanáticos, logrando una buena colimación y una buena mezcla de colores. La capacidad de mezcla de colores del dispositivo no-aplanático mejora añadiendo características de un aplanático a su homólogo simétrico sin pérdida de eficiencia. En el caso del diseño basado en RXI, su gran ventaja consiste en su menor coste de fabricación ya que el proceso de metalización puede evitarse. Aunque algunos de los componentes presentan formas muy complejas, los costes de fabricación son relativamente insensibles a la complejidad del molde, especialmente en el caso de la producción en masa (tales como inyección de plástico), ya que el coste del molde se reparte entre todas las piezas fabricadas. Por último, las últimas dos secciones son las conclusiones y futuras líneas de investigación. ABSTRACT Nonimaging optics is a branch of optics whose development began in the mid-1960s. This rather new field of optics focuses on the efficient light transfer necessary in many applications, among which we highlight solar concentrators and illumination systems. The classical optics solutions to the problems of light energy transfer are only appropriate when the light rays are paraxial. The paraxial condition is not met in most applications for the concentration and illumination. This thesis explores several free-form designs (with neither rotational nor linear symmetry) whose applications are intended to cover the above mentioned areas and more. The term nonimaging comes from the fact that these optical systems do not need to form an image of the object, although it is not a necessary condition not to form an image. Another word sometimes used instead of nonimaging is anidolic, and it comes from the Greek “an+eidolon” and has the same meaning. Most of the optical systems designed for nonimaging applications are without any symmetry, i.e. free-form. Free-form optical systems become especially relevant lately with the evolution of free-form tooling (injection molding machines, multi-axis machining techniques, etc.). Nevertheless, only recently there are nonimaging design techniques that are able to meet these degrees of freedom. In illumination applications, the SMS3D method allows designing two free-form surfaces to control very well extended sources. In cases when source, target or volumetric constrains have very asymmetric requirements free-form surfaces are offering solutions with higher efficiency or with fewer elements in comparison with rotationally symmetric solutions, as free-forms have more degrees of freedom and they can perform multiple functions due to their free-form nature. Anidolic concentrators are well suited for the collection of solar energy, because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun, but instead the collection of its energy. At this time, Concentration Photovoltaics (CPV) field is turning to high concentration systems in order to compensate the expense of multi-junction (MJ) solar cells used as receivers by reducing its area. Interest in the use of MJ cells lies in their very high conversion efficiency. High Concentration Photovoltaic systems (HCPV) with geometric concentration of more than 500x are required in order to have competitive systems in terrestrial applications. These systems comprise two (or more) optical elements, mirrors and/or lenses. Systems presented in this thesis encompass both main types of HCPV architectures: concentrators with primary reflective element and concentrators with primary refractive element (Fresnel lens). Demand for the efficiency increase of the actual HCPV systems as well as feasible more efficient partitioning of the solar spectrum, leads to exploration of four or more junction solar cells or submodules. They have a potential of reaching over 45% efficiency at concentration of hundreds of suns. One possible architectures of spectrum splitting module using commercial concentration cells is presented in this thesis. Another field of application of nonimaging optics is illumination, where a specific illuminance distribution pattern is required. The Solid State Lighting (SSL) based on semiconductor electroluminescence provides light sources for general illumination applications. In the last decade high-brightness Light Emitting Diodes (LEDs) started replacing conventional light sources due to their superior output light quality, unsurpassed lifetime, compactness and energy savings. Collimators used with LEDs have to meet requirements like high efficiency, high beam control, color and position mixing, as well as a high compactness. We present a free-form collimator with microstructures that performs good collimation and good color mixing with RGGB LED source. Good light mixing is important not only for simplifying luminaire optical design but also for avoiding die binning. Optical light mixing may reduce costs by avoiding pulse-width modulation and other patented electronic solutions for dimming and color tuning. This thesis comprises four chapters. Chapters containing the original work of this thesis are preceded by the introductory chapter that addresses basic concepts and definitions of geometrical optics on which nonimaging is developed. It contains fundamentals of nonimaging optics together with the description of its design problems, principles and methods, and with the Simultaneous Multiple Surface (SMS) method standing out for its versatility and ability to control several bundles of rays. Köhler integration and its applications in the field of photovoltaics are described as well. CPV and SSL fields are introduced together with the review on their background and their current status. Chapter 2 and Chapter 3 contain advanced optical designs with primarily application in solar concentration; meanwhile Chapter 4 portrays the free-form V-groove collimator with good color mixing property for illumination application. Chapter 2 describes two HCPV optical concentrators designed with the SMS method in three dimensions (SMS3D). Both concentrators represent Köhler integrator arrays that provide uniform irradiance distribution free from chromatic aberrations on the solar cell. One of the systems is the XXR free-form concentrator designed with the SMS3D method. The primary mirror (X) of this concentrator and secondary lens (R) are divided in four symmetric sectors (folds) that perform Köhler integration; meanwhile the intermediate mirror (X) is rotationally symmetric. Second HCPV concentrator is the Fresnel-RXI (FRXI) with flat Fresnel lens as the Primary Optical Element (POE) and an RXI lens as the Secondary Optical Element (SOE). This architecture manifests 4-fold configuration for performing Köhler integration (4 array units), as well. The RXI lenses are well-known nonimaging devices, but their application as SOE is novel. Both XXR and FRXI Köhler HCPV concentrators are academic examples of very high concentration (more than 2,000x meanwhile conventional systems nowadays have up to 1,000x) prepared for the near future N-junction (N>3) solar cells. In order to have efficient and cost-effective terrestrial CPV systems, those cells will probably require higher concentrations and high spectral irradiance uniformity. Both concentrators are designed by maximizing merit functions: the optical efficiency, concentration-acceptance angle (CAP) and cell-irradiance uniformity free from chromatic aberrations (Köhler integration). Chapter 3 presents the spectrum splitting architecture based on a HCPV module with high concentration (500x) and high acceptance angle (>1º). This module aims to reduce both sources of losses of the actual commercial triple-junction (3J) solar cells with more efficient use of the solar spectrum and with recovering the light reflected from the 3J cells’ grid lines and semiconductor surface. The solar spectrum is used more efficiently due to the combination of a high efficiency 3J concentration cell (GaInP/GaInAs/Ge) and external Back-Point-Contact (BPC) concentration silicon (Si) cell. By employing external confinement techniques, the 3J cell’s reflections are recovered in order to be re-absorbed by the cell. In the proposed concentrator architecture, the 3J cell operates at its optimized current gain (at geometrical concentration of 500x), while the Si cell works near its optimum, as well (135x). The spectrum splitting module consists of a flat Fresnel lens (as the POE), and a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it (as the SOE), both POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization. The band-pass filter sends the IR photons in the 900-1,150nm band to the Si cell. There are several practical aspects of presented module architecture that help reducing the added complexity of the beam splitting systems: the filter and secondary are forming a single solid piece, both cells are coplanar so the heat management and wiring is simplified, etc. Two proof-of-concept prototypes are assembled and tested in order to prove filter manufacturability and performance, as well as the potential of external light recycling technique. Obtained measurement results agree quite well with models and simulations, and show an opened path to manufacturing of the Fresnel RXI-type secondary concentrator with spectrum splitting strategy. Two free-form solid V-groove collimators are presented in Chapter 4. Both free-form collimators are originally designed with the SMS3D method. The second mirrored optically active surface is converted in a grooved surface a posteriori. Initial two mirror (XX) design is presented as a proof-of-concept. Second, RXI free-form design is comparable with existing RXI collimators as it is a highly compact and a highly efficient design. It performs very good color mixing of the RGGB LED sources placed off-axis like in conventional RGB LEDs. Collimators described here improve color mixing property of the prior art rotationally symmetric no-aplanatic RXI devices, and the efficiency of the aplanatic ones, accomplishing both good collimation and good color mixing. Free-form V-groove collimators enhance the no-aplanatic device's blending capabilities by adding aplanatic features to its symmetric counterpart with no loss in efficiency. Big advantage of the RXI design is its potentially lower manufacturing cost, since the process of metallization may be avoided. Although some components are very complicated for shaping, the manufacturing costs are relatively insensitive to the complexity of the mold especially in the case of mass production (such as plastic injection), as the cost of the mold is spread in many parts. Finally, last two sections are conclusions and future lines of investigation.

Arquitectura de tiempo real para el control de actitud en un satélite experimental

La misión UPMSat-2 tiene por objetivo la construcción y el lanzamiento de un microsatélite experimental que sirva como plataforma de educación e investigación en diversos aspectos de la ingeniería de sistemas espaciales. En este artículo se describe la arquitectura y el diséño del software de tiempo real que realiza el control de actitud del satélite. La arquitectura está basada en modelos, y las herramientas utilizadas permiten la validación de las propiedades de tiempo real y la generación de código de forma casi totalmente automática

Diseño de herramientas de labranza combinando criterios biomiméticos y métodos numéricos.

El laboreo de conservación requiere el diseño de herramientas de labranza que cumplan criterios de calidad de la labor, resistencia al desgaste y reducción del consumo energético (debido fundamentalmente a la adherencia suelo/herramienta). La biomimética es la ciencia que refiere al estudio de la estructura y la función de los sistemas biológicos como modelos para el diseño y fabricación de materiales y máquinas, en un proceso de ingeniería inversa en que el ser humano saca provecho de los procesos evolutivos de la naturaleza. En este trabajo de revisión, 1998-2013, se describen las respuestas adaptativas de diversos seres vivos al problema de la adherencia, y se analiza el caso concreto de optimización de una vertedera, un brazo de subsolador y un disco de corte empleando modelos numéricos y criterios biomiméticos. En todos los casos las etapas llevadas a cabo por distintos investigadores son: formulación del modelo de elementos finitos del apero, para posteriormente (en función de las condiciones de contorno) y de propiedades del suelo, obtener los resultados de la simulación. Por último se verifica experimentalmente con datos reales (sólo en dos de los tres ejemplos). Como resultado, comprobamos que en el caso del disco de corte la tensión total que soporta el material se reduce en un 34% con un diseño optimizado, mientras que en el caso del subsolador biomimético la resistencia horizontal y vertical se reducen en un 7% y 24% respectivamente.