A Balanced Memory-Based Collaborative Filtering Similarity Measure.

Collaborative filtering recommender systems contribute to alleviating the problem of information overload that exists on the Internet as a result of the mass use of Web 2.0 applications. The use of an adequate similarity measure becomes a determining factor in the quality of the prediction and recommendation results of the recommender system, as well as in its performance. In this paper, we present a memory-based collaborative filtering similarity measure that provides extremely high-quality and balanced results; these results are complemented with a low processing time (high performance), similar to the one required to execute traditional similarity metrics. The experiments have been carried out on the MovieLens and Netflix databases, using a representative set of information retrieval quality measures.

Arquitectura cognitiva basada en el gradiente sensorial y su aplicación a la robótica móvil

El objetivo de esta tesis es el desarrollo de un sistema completo de navegación, aprendizaje y planificación para un robot móvil. Dentro de los innumerables problemas que este gran objetivo plantea, hemos dedicado especial atención al problema del conocimiento autónomo del mundo. Nuestra mayor preocupación ha sido la de establecer mecanismos que permitan, a partir de información sensorial cruda, el desarrollo incremental de un modelo topológico del entorno en el que se mueve el robot. Estos mecanismos se apoyan invariablemente en un nuevo concepto propuesto en esta tesis: el gradiente sensorial. El gradiente sensorial es un dispositivo matemático que funciona como un detector de sucesos interesantes para el sistema. Una vez detectado uno de estos sucesos, el robot puede identificar su situación en un mapa topológico y actuar en consecuencia. Hemos denominado a estas situaciones especiales lugares sensorialmente relevantes, ya que (a) captan la atención del sistema y (b) pueden ser identificadas utilizando la información sensorial. Para explotar convenientemente los modelos construidos, hemos desarrollado un algoritmo capaz de elaborar planes internalizados, estableciendo una red de sugerencias en los lugares sensorialmente relevantes, de modo que el robot encuentra en estos puntos una dirección recomendada de navegación. Finalmente, hemos implementado un sistema de navegación robusto con habilidades para interpretar y adecuar los planes internalizados a las circunstancias concretas del momento. Nuestro sistema de navegación está basado en la teoría de campos de potencial artificial, a la que hemos incorporado la posibilidad de añadir cargas ficticias como ayuda a la evitación de mínimos locales. Como aportación adicional de esta tesis al campo genérico de la ciencia cognitiva, todos estos elementos se integran en una arquitectura centrada en la memoria, lo que pretende resaltar la importancia de ésta en los procesos cognitivos de los seres vivos y aporta un giro conceptual al punto de vista tradicional, centrado en los procesos. The general objective of this thesis is the development of a global navigation system endowed with planning and learning features for a mobile robot. Within this general objective we have devoted a special effort to the autonomous learning problem. Our main concern has been to establish the necessary mechanisms for the incremental development of a topological model of the robot’s environment using the sensory information. These mechanisms are based on a new concept proposed in the thesis: the sensory gradient. The sensory gradient is a mathematical device which works like a detector of “interesting” environment’s events. Once a particular event has been detected the robot can identify its situation in the topological map and to react accordingly. We have called these special situations relevant sensory places because (a) they capture the system’s attention and (b) they can be identified using the sensory information. To conveniently exploit the built-in models we have developed an algorithm able to make internalized plans, establishing a suggestion network in the sensory relevant places in such way that the robot can find at those places a recommended navigation direction. It has been also developed a robust navigation system able to navigate by means of interpreting and adapting the internalized plans to the concrete circumstances at each instant, i.e. a reactive navigation system. This reactive system is based on the artificial potential field approach with the additional feature introduced in the thesis of what we call fictitious charges as an aid to avoid local minima. As a general contribution of the thesis to the cognitive science field all the above described elements are integrated in a memory-based architecture, emphasizing the important role played by the memory in the cognitive processes of living beings and giving a conceptual turn in the usual process-based approach.

Movimiento de paredes de dominio magnético en nanohilos con defectos controlados

La investigación realizada en este trabajo de tesis se ha centrado en el estudio de la generación, anclaje y desenganche de paredes de dominio magnético en nanohilos de permalloy con defectos controlados. Las últimas tecnologías de nanofabricación han abierto importantes líneas de investigación centradas en el estudio del movimiento de paredes de dominio magnético, gracias a su potencial aplicación en memorias magnéticas del futuro. En el 2004, Stuart Parkin de IBM introdujo un concepto innovador, el dispositivo “Racetrack”, basado en un nanohilo ferromagnético donde los dominios de imanación representan los "bits" de información. La frontera entre dominios, ie pared magnética, se moverían en una situación ideal por medio de transferencia de espín de una corriente polarizada. Se anclan en determinadas posiciones gracias a pequeños defectos o constricciones de tamaño nanométrico fabricados por litografía electrónica. El éxito de esta idea se basa en la generación, anclaje y desenganche de las paredes de dominio de forma controlada y repetitiva, tanto para la lectura como para la escritura de los bits de información. Slonczewski en 1994 muestra que la corriente polarizada de espín puede transferir momento magnético a la imanación local y así mover paredes por transferencia de espín y no por el campo creado por la corriente. Desde entonces muchos grupos de investigación de todo el mundo trabajan en optimizar las condiciones de transferencia de espín para mover paredes de dominio. La fracción de electrones polarizados que viaja en un hilo ferromagnético es considerablemente pequeña, así hoy por hoy la corriente necesaria para mover una pared magnética por transferencia de espín es superior a 1 107 A/cm2. Una densidad de corriente tan elevada no sólo tiene como consecuencia una importante degradación del dispositivo sino también se observan importantes efectos relacionados con el calentamiento por efecto Joule inducido por la corriente. Otro de los problemas científico - tecnológicos a resolver es la diversidad de paredes de dominio magnético ancladas en el defecto. Los diferentes tipos de pared anclados en el defecto, su quiralidad o el campo o corriente necesarios para desenganchar la pared pueden variar dependiendo si el defecto posee dimensiones ligeramente diferentes o si la pared se ancla con un método distinto. Además, existe una componente estocástica presente tanto en la nucleación como en el proceso de anclaje y desenganche que por un lado puede ser debido a la naturaleza de la pared que viaja por el hilo a una determinada temperatura distinta de cero, así como a defectos inevitables en el proceso de fabricación. Esto constituye un gran inconveniente dado que según el tipo de pared es necesario aplicar distintos valores de corriente y/o campo para desenganchar la pared del defecto. Como se menciona anteriormente, para realizar de forma eficaz la lectura y escritura de los bits de información, es necesaria la inyección, anclaje y desenganche forma controlada y repetitiva. Esto implica generar, anclar y desenganchar las paredes de dominio siempre en las mismas condiciones, ie siempre a la misma corriente o campo aplicado. Por ello, en el primer capítulo de resultados de esta tesis estudiamos el anclaje y desenganche de paredes de dominio en defectos de seis formas distintas, cada uno, de dos profundidades diferentes. Hemos realizado un análisis estadístico en diferentes hilos, donde hemos estudiado la probabilidad de anclaje cada tipo de defecto y la dispersión en el valor de campo magnético aplicado necesario para desenganchar la pared. Luego, continuamos con el estudio de la nucleación de las paredes de dominio magnético con pulsos de corriente a través una linea adyacente al nanohilo. Estudiamos defectos de tres formas distintas e identificamos, en función del valor de campo magnético aplicado, los distintos tipos de paredes de dominio anclados en cada uno de ellos. Además, con la ayuda de este método de inyección que es rápido y eficaz, hemos sido capaces de generar y anclar un único tipo de pared minimizando el comportamiento estocástico de la pared mencionado anteriormente. En estas condiciones óptimas, hemos estudiado el desenganche de las paredes de dominio por medio de corriente polarizada en espín, donde hemos conseguido desenganchar la pared de forma controlada y repetitiva siempre para los mismos valores de corriente y campo magnético aplicados. Además, aplicando pulsos de corriente en distintas direcciones, estudiamos en base a su diferencia, la contribución térmica debido al efecto Joule. Los resultados obtenidos representan un importante avance hacia la explotación práctica de este tipo de dispositivos. ABSTRACT The research activity of this thesis was focused on the nucleation, pinning and depinning of magnetic domain walls (DWs) in notched permalloy nanowires. The access to nanofabrication techniques has boosted the number of applications based on magnetic domain walls (DWs) like memory devices. In 2004, Stuart Parkin at IBM, conceived an innovative concept, the “racetrack memory” based on a ferromagnetic nanowire were the magnetic domains constitute the “bits” of information. The frontier between those magnetic domains, ie magnetic domain wall, will move ideally assisted by a spin polarized current. DWs will pin at certain positions due to artificially created pinning sites or “notches” fabricated with ebeam lithography. The success of this idea relies on the careful and predictable control on DW nucleation and a defined pinning-depinning process in order to read and write the bits of information. Sloncsewski in 1994 shows that a spin polarized current can transfer magnetic moment to the local magnetization to move the DWs instead of the magnetic field created by the current. Since then many research groups worldwide have been working on optimizing the conditions for the current induced DW motion due to the spin transfer effect. The fraction of spin polarized electrons traveling through a ferromagnetic nanowire is considerably small, so nowadays the current density required to move a DW by STT exceeds 1 107 A/cm2. A high current density not only can produce a significant degradation of the device but also important effects related to Joule heating were also observed . There are other scientific and technological issues to solve regarding the diversity of DWs states pinned at the notch. The types of DWs pinned, their chirality or their characteristic depinning current or field, may change if the notch has slightly different dimensions, the stripe has different thickness or even if the DW is pinned by a different procedure. Additionally, there is a stochastic component in both the injection of the DW and in its pinning-depinning process, which may be partly intrinsic to the nature of the travelling DW at a non-zero temperature and partly due to the unavoidable defects introduced during the nano-fabrication process. This constitutes an important inconvenient because depending on the DW type different values of current of magnetic field need to be applied in order to depin a DW from the notch. As mentioned earlier, in order to write and read the bits of information accurately, a controlled reproducible and predictable pinning- depinning process is required. This implies to nucleate, pin and depin always at the same applied magnetic field or current. Therefore, in the first chapter of this thesis we studied the pinning and depinning of DW in six different notch shapes and two depths. An statistical analysis was conducted in order to determine which notch type performed best in terms of pinning probability and the dispersion measured in the magnetic field necessary to depin the magnetic DWs. Then, we continued studying the nucleation of DWs with nanosecond current pulses by an adjacent conductive stripe. We studied the conditions for DW injection that allow a selective pinning of the different types of DWs in Permalloy nanostripes with 3 different notch shapes. Furthermore, with this injection method, which has proven to be fast and reliable, we manage to nucleate only one type of DW avoiding its stochastic behavior mentioned earlier. Having achieved this optimized conditions we studied current induced depinning where we also achieved a controlled and reproducible depinning process at always the same applied current and magnetic field. Additionally, changing the pulse polarity we studied the joule heating contribution in a current induced depinning process. The results obtained represent an important step towards the practical exploitation of these devices.

Diseño, desarrollo y evaluación de sistemas de traducción automática para reducir las barreras de comunicación de las personas sordas

La principal aportación de esta tesis doctoral ha sido la propuesta y evaluación de un sistema de traducción automática que permite la comunicación entre personas oyentes y sordas. Este sistema está formado a su vez por dos sistemas: un traductor de habla en español a Lengua de Signos Española (LSE) escrita y que posteriormente se representa mediante un agente animado; y un generador de habla en español a partir de una secuencia de signos escritos mediante glosas. El primero de ellos consta de un reconocedor de habla, un módulo de traducción entre lenguas y un agente animado que representa los signos en LSE. El segundo sistema está formado por una interfaz gráfica donde se puede especificar una secuencia de signos mediante glosas (palabras en mayúscula que representan los signos), un módulo de traducción entre lenguas y un conversor texto-habla. Para el desarrollo del sistema de traducción, en primer lugar se ha generado un corpus paralelo de 7696 frases en español con sus correspondientes traducciones a LSE. Estas frases pertenecen a cuatro dominios de aplicación distintos: la renovación del Documento Nacional de Identidad, la renovación del permiso de conducir, un servicio de información de autobuses urbanos y la recepción de un hotel. Además, se ha generado una base de datos con más de 1000 signos almacenados en cuatro sistemas distintos de signo-escritura. En segundo lugar, se ha desarrollado un módulo de traducción automática que integra dos técnicas de traducción con una estructura jerárquica: la primera basada en memoria y la segunda estadística. Además, se ha implementado un módulo de pre-procesamiento de las frases en español que, mediante su incorporación al módulo de traducción estadística, permite mejorar significativamente la tasa de traducción. En esta tesis también se ha mejorado la versión de la interfaz de traducción de LSE a habla. Por un lado, se han incorporado nuevas características que mejoran su usabilidad y, por otro, se ha integrado un traductor de lenguaje SMS (Short Message Service – Servicio de Mensajes Cortos) a español, que permite especificar la secuencia a traducir en lenguaje SMS, además de mediante una secuencia de glosas. El sistema de traducción propuesto se ha evaluado con usuarios reales en dos dominios de aplicación: un servicio de información de autobuses de la Empresa Municipal de Transportes de Madrid y la recepción del Hotel Intur Palacio San Martín de Madrid. En la evaluación estuvieron implicadas personas sordas y empleados de los dos servicios. Se extrajeron medidas objetivas (obtenidas por el sistema automáticamente) y subjetivas (mediante cuestionarios a los usuarios). Los resultados fueron muy positivos gracias a la opinión de los usuarios de la evaluación, que validaron el funcionamiento del sistema de traducción y dieron información valiosa para futuras líneas de trabajo. Por otro lado, tras la integración de cada uno de los módulos de los dos sistemas de traducción (habla-LSE y LSE-habla), los resultados de la evaluación y la experiencia adquirida en todo el proceso, una aportación importante de esta tesis doctoral es la propuesta de metodología de desarrollo de sistemas de traducción de habla a lengua de signos en los dos sentidos de la comunicación. En esta metodología se detallan los pasos a seguir para desarrollar el sistema de traducción para un nuevo dominio de aplicación. Además, la metodología describe cómo diseñar cada uno de los módulos del sistema para mejorar su flexibilidad, de manera que resulte más sencillo adaptar el sistema desarrollado a un nuevo dominio de aplicación. Finalmente, en esta tesis se analizan algunas técnicas para seleccionar las frases de un corpus paralelo fuera de dominio para entrenar el modelo de traducción cuando se quieren traducir frases de un nuevo dominio de aplicación; así como técnicas para seleccionar qué frases del nuevo dominio resultan más interesantes que traduzcan los expertos en LSE para entrenar el modelo de traducción. El objetivo es conseguir una buena tasa de traducción con la menor cantidad posible de frases. ABSTRACT The main contribution of this thesis has been the proposal and evaluation of an automatic translation system for improving the communication between hearing and deaf people. This system is made up of two systems: a Spanish into Spanish Sign Language (LSE – Lengua de Signos Española) translator and a Spanish generator from LSE sign sequences. The first one consists of a speech recognizer, a language translation module and an avatar that represents the sign sequence. The second one is made up an interface for specifying the sign sequence, a language translation module and a text-to-speech conversor. For the translation system development, firstly, a parallel corpus has been generated with 7,696 Spanish sentences and their LSE translations. These sentences are related to four different application domains: the renewal of the Identity Document, the renewal of the driver license, a bus information service and a hotel reception. Moreover, a sign database has been generated with more than 1,000 signs described in four different signwriting systems. Secondly, it has been developed an automatic translation module that integrates two translation techniques in a hierarchical structure: the first one is a memory-based technique and the second one is statistical. Furthermore, a pre processing module for the Spanish sentences has been implemented. By incorporating this pre processing module into the statistical translation module, the accuracy of the translation module improves significantly. In this thesis, the LSE into speech translation interface has been improved. On the one hand, new characteristics that improve its usability have been incorporated and, on the other hand, a SMS language into Spanish translator has been integrated, that lets specifying in SMS language the sequence to translate, besides by specifying a sign sequence. The proposed translation system has been evaluated in two application domains: a bus information service of the Empresa Municipal de Transportes of Madrid and the Hotel Intur Palacio San Martín reception. This evaluation has involved both deaf people and services employees. Objective measurements (given automatically by the system) and subjective measurements (given by user questionnaires) were extracted during the evaluation. Results have been very positive, thanks to the user opinions during the evaluation that validated the system performance and gave important information for future work. Finally, after the integration of each module of the two translation systems (speech- LSE and LSE-speech), obtaining the evaluation results and considering the experience throughout the process, a methodology for developing speech into sign language (and vice versa) into a new domain has been proposed in this thesis. This methodology includes the steps to follow for developing the translation system in a new application domain. Moreover, this methodology proposes the way to improve the flexibility of each system module, so that the adaptation of the system to a new application domain can be easier. On the other hand, some techniques are analyzed for selecting the out-of-domain parallel corpus sentences in order to train the translation module in a new domain; as well as techniques for selecting which in-domain sentences are more interesting for translating them (by LSE experts) in order to train the translation model.

Parallelizing irregular and pointer-based computations automatically: perspectives from logic and constraint programming

Irregular computations pose sorne of the most interesting and challenging problems in automatic parallelization. Irregularity appears in certain kinds of numerical problems and is pervasive in symbolic applications. Such computations often use dynamic data structures, which make heavy use of pointers. This complicates all the steps of a parallelizing compiler, from independence detection to task partitioning and placement. Starting in the mid 80s there has been significant progress in the development of parallelizing compilers for logic pro­gramming (and more recently, constraint programming) resulting in quite capable paralle­lizers. The typical applications of these paradigms frequently involve irregular computations, and make heavy use of dynamic data structures with pointers, since logical variables represent in practice a well-behaved form of pointers. This arguably makes the techniques used in these compilers potentially interesting. In this paper, we introduce in a tutoríal way, sorne of the problems faced by parallelizing compilers for logic and constraint programs and provide pointers to sorne of the significant progress made in the area. In particular, this work has resulted in a series of achievements in the areas of inter-procedural pointer aliasing analysis for independence detection, cost models and cost analysis, cactus-stack memory management, techniques for managing speculative and irregular computations through task granularity control and dynamic task allocation such as work-stealing schedulers), etc.

Self-reference Scrubber for TMR Systems Based on Xilinx Virtex FPGAs

SRAM-based FPGAs are sensitive to radiation effects. Soft errors can appear and accumulate, potentially defeating mitigation strategies deployed at the Application Layer. Therefore, Configuration Memory scrubbing is required to improve radiation tolerance of such FPGAs in space applications. Virtex FPGAs allow runtime scrubbing by means of dynamic partial reconfiguration. Even with scrubbing, intra-FPGA TMR systems are subjected to common-mode errors affecting more than one design domain. This is solved in inter-FPGA TMR systems at the expense of a higher cost, power and mass. In this context, a self-reference scrubber for device-level TMR system based on Xilinx Virtex FPGAs is presented. This scrubber allows for a fast SEU/MBU detection and correction by peer frame comparison without needing to access a golden configuration memory

Automatic Bandwidth Estimation Strategy for High-Quality Non-Parametric Modeling based Moving Object Detection

Here, a novel and efficient moving object detection strategy by non-parametric modeling is presented. Whereas the foreground is modeled by combining color and spatial information, the background model is constructed exclusively with color information, thus resulting in a great reduction of the computational and memory requirements. The estimation of the background and foreground covariance matrices, allows us to obtain compact moving regions while the number of false detections is reduced. Additionally, the application of a tracking strategy provides a priori knowledge about the spatial position of the moving objects, which improves the performance of the Bayesian classifier

SMA-Based Muscle-Like Actuation in Biologically Inspired Robots: A State of the Art Review

New actuation technology in functional or "smart" materials has opened new horizons in robotics actuation systems. Materials such as piezo-electric fiber composites, electro-active polymers and shape memory alloys (SMA) are being investigated as promising alternatives to standard servomotor technology [52]. This paper focuses on the use of SMAs for building muscle-like actuators. SMAs are extremely cheap, easily available commercially and have the advantage of working at low voltages. The use of SMA provides a very interesting alternative to the mechanisms used by conventional actuators. SMAs allow to drastically reduce the size, weight and complexity of robotic systems. In fact, their large force-weight ratio, large life cycles, negligible volume, sensing capability and noise-free operation make possible the use of this technology for building a new class of actuation devices. Nonetheless, high power consumption and low bandwidth limit this technology for certain kind of applications. This presents a challenge that must be addressed from both materials and control perspectives in order to overcome these drawbacks. Here, the latter is tackled. It has been demonstrated that suitable control strategies and proper mechanical arrangements can dramatically improve on SMA performance, mostly in terms of actuation speed and limit cycles.

A static heap analysis for shape and connectivity: Unified memory analysis: The base framework

Modeling the evolution of the state of program memory during program execution is critical to many parallehzation techniques. Current memory analysis techniques either provide very accurate information but run prohibitively slowly or produce very conservative results. An approach based on abstract interpretation is presented for analyzing programs at compile time, which can accurately determine many important program properties such as aliasing, logical data structures and shape. These properties are known to be critical for transforming a single threaded program into a versión that can be run on múltiple execution units in parallel. The analysis is shown to be of polynomial complexity in the size of the memory heap. Experimental results for benchmarks in the Jolden suite are given. These results show that in practice the analysis method is efflcient and is capable of accurately determining shape information in programs that créate and manipúlate complex data structures.

ACE: And/or-parallel copying-based execution of logic programs

In this paper we present a novel execution model for parallel implementation of logic programs which is capable of exploiting both independent and-parallelism and or-parallelism in an efficient way. This model extends the stack copying approach, which has been successfully applied in the Muse system to implement or-parallelism, by integrating it with proven techniques used to support independent and-parallelism. We show how all solutions to non-deterministic andparallel goals are found without repetitions. This is done through recomputation as in Prolog (and in various and-parallel systems, like &-Prolog and DDAS), i.e., solutions of and-parallel goals are not shared. We propose a scheme for the efficient management of the address space in a way that is compatible with the apparently incompatible requirements of both and- and or-parallelism. We also show how the full Prolog language, with all its extra-logical features, can be supported in our and-or parallel system so that its sequential semantics is preserved. The resulting system retains the advantages of both purely or-parallel systems as well as purely and-parallel systems. The stack copying scheme together with our proposed memory management scheme can also be used to implement models that combine dependent and-parallelism and or-parallelism, such as Andorra and Prometheus.

Relating goal scheduling, precedence, and memory management in and-parallel execution of logic programs

The interactions among three important issues involved in the implementation of logic programs in parallel (goal scheduling, precedence, and memory management) are discussed. A simplified, parallel memory management model and an efficient, load-balancing goal scheduling strategy are presented. It is shown how, for systems which support "don't know" non-determinism, special care has to be taken during goal scheduling if the space recovery characteristics of sequential systems are to be preserved. A solution based on selecting only "newer" goals for execution is described, and an algorithm is proposed for efficiently maintaining and determining precedence relationships and variable ages across parallel goals. It is argued that the proposed schemes and algorithms make it possible to extend the storage performance of sequential systems to parallel execution without the considerable overhead previously associated with it. The results are applicable to a wide class of parallel and coroutining systems, and they represent an efficient alternative to "all heap" or "spaghetti stack" allocation models.

Divided we stand: Parallel distributed stack memory management

We present an overview of the stack-based memory management techniques that we used in our non-deterministic and-parallel Prolog systems: &-Prolog and DASWAM. We believe that the problems associated with non-deterministic and-parallel systems are more general than those encountered in or-parallel and deterministic and-parallel systems, which can be seen as subsets of this more general case. We develop on the previously proposed "marker scheme", lifting some of the restrictions associated with the selection of goals while keeping (virtual) memory consumption down. We also review some of the other problems associated with the stack-based management scheme, such as handling of forward and backward execution, cut, and roll-backs.

Interval-based resource usage verification: Formalization and prototype

In an increasing number of applications (e.g., in embedded, real-time, or mobile systems) it is important or even essential to ensure conformance with respect to a specification expressing resource usages, such as execution time, memory, energy, or user-defined resources. In previous work we have presented a novel framework for data size-aware, static resource usage verification. Specifications can include both lower and upper bound resource usage functions. In order to statically check such specifications, both upper- and lower-bound resource usage functions (on input data sizes) approximating the actual resource usage of the program which are automatically inferred and compared against the specification. The outcome of the static checking of assertions can express intervals for the input data sizes such that a given specification can be proved for some intervals but disproved for others. After an overview of the approach in this paper we provide a number of novel contributions: we present a full formalization, and we report on and provide results from an implementation within the Ciao/CiaoPP framework (which provides a general, unified platform for static and run-time verification, as well as unit testing). We also generalize the checking of assertions to allow preconditions expressing intervals within which the input data size of a program is supposed to lie (i.e., intervals for which each assertion is applicable), and we extend the class of resource usage functions that can be checked.

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

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

Localization and activity detection Based on the fusion of environment And inertial sensors = Localización y detección de actividad Basadas en integración de sensores y dispositivos inerciales

Los sensores inerciales (acelerómetros y giróscopos) se han ido introduciendo poco a poco en dispositivos que usamos en nuestra vida diaria gracias a su minituarización. Hoy en día todos los smartphones contienen como mínimo un acelerómetro y un magnetómetro, siendo complementados en losmás modernos por giróscopos y barómetros. Esto, unido a la proliferación de los smartphones ha hecho viable el diseño de sistemas basados en las medidas de sensores que el usuario lleva colocados en alguna parte del cuerpo (que en un futuro estarán contenidos en tejidos inteligentes) o los integrados en su móvil. El papel de estos sensores se ha convertido en fundamental para el desarrollo de aplicaciones contextuales y de inteligencia ambiental. Algunos ejemplos son el control de los ejercicios de rehabilitación o la oferta de información referente al sitio turístico que se está visitando. El trabajo de esta tesis contribuye a explorar las posibilidades que ofrecen los sensores inerciales para el apoyo a la detección de actividad y la mejora de la precisión de servicios de localización para peatones. En lo referente al reconocimiento de la actividad que desarrolla un usuario, se ha explorado el uso de los sensores integrados en los dispositivos móviles de última generación (luz y proximidad, acelerómetro, giróscopo y magnetómetro). Las actividades objetivo son conocidas como ‘atómicas’ (andar a distintas velocidades, estar de pie, correr, estar sentado), esto es, actividades que constituyen unidades de actividades más complejas como pueden ser lavar los platos o ir al trabajo. De este modo, se usan algoritmos de clasificación sencillos que puedan ser integrados en un móvil como el Naïve Bayes, Tablas y Árboles de Decisión. Además, se pretende igualmente detectar la posición en la que el usuario lleva el móvil, no sólo con el objetivo de utilizar esa información para elegir un clasificador entrenado sólo con datos recogidos en la posición correspondiente (estrategia que mejora los resultados de estimación de la actividad), sino también para la generación de un evento que puede producir la ejecución de una acción. Finalmente, el trabajo incluye un análisis de las prestaciones de la clasificación variando el tipo de parámetros y el número de sensores usados y teniendo en cuenta no sólo la precisión de la clasificación sino también la carga computacional. Por otra parte, se ha propuesto un algoritmo basado en la cuenta de pasos utilizando informaiii ción proveniente de un acelerómetro colocado en el pie del usuario. El objetivo final es detectar la actividad que el usuario está haciendo junto con la estimación aproximada de la distancia recorrida. El algoritmo de cuenta pasos se basa en la detección de máximos y mínimos usando ventanas temporales y umbrales sin requerir información específica del usuario. El ámbito de seguimiento de peatones en interiores es interesante por la falta de un estándar de localización en este tipo de entornos. Se ha diseñado un filtro extendido de Kalman centralizado y ligeramente acoplado para fusionar la información medida por un acelerómetro colocado en el pie del usuario con medidas de posición. Se han aplicado también diferentes técnicas de corrección de errores como las de velocidad cero que se basan en la detección de los instantes en los que el pie está apoyado en el suelo. Los resultados han sido obtenidos en entornos interiores usando las posiciones estimadas por un sistema de triangulación basado en la medida de la potencia recibida (RSS) y GPS en exteriores. Finalmente, se han implementado algunas aplicaciones que prueban la utilidad del trabajo desarrollado. En primer lugar se ha considerado una aplicación de monitorización de actividad que proporciona al usuario información sobre el nivel de actividad que realiza durante un período de tiempo. El objetivo final es favorecer el cambio de comportamientos sedentarios, consiguiendo hábitos saludables. Se han desarrollado dos versiones de esta aplicación. En el primer caso se ha integrado el algoritmo de cuenta pasos en una plataforma OSGi móvil adquiriendo los datos de un acelerómetro Bluetooth colocado en el pie. En el segundo caso se ha creado la misma aplicación utilizando las implementaciones de los clasificadores en un dispositivo Android. Por otro lado, se ha planteado el diseño de una aplicación para la creación automática de un diario de viaje a partir de la detección de eventos importantes. Esta aplicación toma como entrada la información procedente de la estimación de actividad y de localización además de información almacenada en bases de datos abiertas (fotos, información sobre sitios) e información sobre sensores reales y virtuales (agenda, cámara, etc.) del móvil. Abstract Inertial sensors (accelerometers and gyroscopes) have been gradually embedded in the devices that people use in their daily lives thanks to their miniaturization. Nowadays all smartphones have at least one embedded magnetometer and accelerometer, containing the most upto- date ones gyroscopes and barometers. This issue, together with the fact that the penetration of smartphones is growing steadily, has made possible the design of systems that rely on the information gathered by wearable sensors (in the future contained in smart textiles) or inertial sensors embedded in a smartphone. The role of these sensors has become key to the development of context-aware and ambient intelligent applications. Some examples are the performance of rehabilitation exercises, the provision of information related to the place that the user is visiting or the interaction with objects by gesture recognition. The work of this thesis contributes to explore to which extent this kind of sensors can be useful to support activity recognition and pedestrian tracking, which have been proven to be essential for these applications. Regarding the recognition of the activity that a user performs, the use of sensors embedded in a smartphone (proximity and light sensors, gyroscopes, magnetometers and accelerometers) has been explored. The activities that are detected belong to the group of the ones known as ‘atomic’ activities (e.g. walking at different paces, running, standing), that is, activities or movements that are part of more complex activities such as doing the dishes or commuting. Simple, wellknown classifiers that can run embedded in a smartphone have been tested, such as Naïve Bayes, Decision Tables and Trees. In addition to this, another aim is to estimate the on-body position in which the user is carrying the mobile phone. The objective is not only to choose a classifier that has been trained with the corresponding data in order to enhance the classification but also to start actions. Finally, the performance of the different classifiers is analysed, taking into consideration different features and number of sensors. The computational and memory load of the classifiers is also measured. On the other hand, an algorithm based on step counting has been proposed. The acceleration information is provided by an accelerometer placed on the foot. The aim is to detect the activity that the user is performing together with the estimation of the distance covered. The step counting strategy is based on detecting minima and its corresponding maxima. Although the counting strategy is not innovative (it includes time windows and amplitude thresholds to prevent under or overestimation) no user-specific information is required. The field of pedestrian tracking is crucial due to the lack of a localization standard for this kind of environments. A loosely-coupled centralized Extended Kalman Filter has been proposed to perform the fusion of inertial and position measurements. Zero velocity updates have been applied whenever the foot is detected to be placed on the ground. The results have been obtained in indoor environments using a triangulation algorithm based on RSS measurements and GPS outdoors. Finally, some applications have been designed to test the usefulness of the work. The first one is called the ‘Activity Monitor’ whose aim is to prevent sedentary behaviours and to modify habits to achieve desired objectives of activity level. Two different versions of the application have been implemented. The first one uses the activity estimation based on the step counting algorithm, which has been integrated in an OSGi mobile framework acquiring the data from a Bluetooth accelerometer placed on the foot of the individual. The second one uses activity classifiers embedded in an Android smartphone. On the other hand, the design of a ‘Travel Logbook’ has been planned. The input of this application is the information provided by the activity and localization modules, external databases (e.g. pictures, points of interest, weather) and mobile embedded and virtual sensors (agenda, camera, etc.). The aim is to detect important events in the journey and gather the information necessary to store it as a journal page.