Arquitectura de Control para la Conducción Autónoma de Vehículos en Entornos Urbanos y Autovías

Hoy en día, el desarrollo tecnológico en el campo de los sistemas inteligentes de transporte (ITS por sus siglas en inglés) ha permitido dotar a los vehículos con diversos sistemas de ayuda a la conducción (ADAS, del inglés advanced driver assistance system), mejorando la experiencia y seguridad de los pasajeros, en especial del conductor. La mayor parte de estos sistemas están pensados para advertir al conductor sobre ciertas situaciones de riesgo, como la salida involuntaria del carril o la proximidad de obstáculos en el camino. No obstante, también podemos encontrar sistemas que van un paso más allá y son capaces de cooperar con el conductor en el control del vehículo o incluso relegarlos de algunas tareas tediosas. Es en este último grupo donde se encuentran los sistemas de control electrónico de estabilidad (ESP - Electronic Stability Program), el antibloqueo de frenos (ABS - Anti-lock Braking System), el control de crucero (CC - Cruise Control) y los más recientes sistemas de aparcamiento asistido. Continuando con esta línea de desarrollo, el paso siguiente consiste en la supresión del conductor humano, desarrollando sistemas que sean capaces de conducir un vehículo de forma autónoma y con un rendimiento superior al del conductor. En este trabajo se presenta, en primer lugar, una arquitectura de control para la automatización de vehículos. Esta se compone de distintos componentes de hardware y software, agrupados de acuerdo a su función principal. El diseño de la arquitectura parte del trabajo previo desarrollado por el Programa AUTOPIA, aunque introduce notables aportaciones en cuanto a la eficiencia, robustez y escalabilidad del sistema. Ahondando un poco más en detalle, debemos resaltar el desarrollo de un algoritmo de localización basado en enjambres de partículas. Este está planteado como un método de filtrado y fusión de la información obtenida a partir de los distintos sensores embarcados en el vehículo, entre los que encontramos un receptor GPS (Global Positioning System), unidades de medición inercial (IMU – Inertial Measurement Unit) e información tomada directamente de los sensores embarcados por el fabricante, como la velocidad de las ruedas y posición del volante. Gracias a este método se ha conseguido resolver el problema de la localización, indispensable para el desarrollo de sistemas de conducción autónoma. Continuando con el trabajo de investigación, se ha estudiado la viabilidad de la aplicación de técnicas de aprendizaje y adaptación al diseño de controladores para el vehículo. Como punto de partida se emplea el método de Q-learning para la generación de un controlador borroso lateral sin ningún tipo de conocimiento previo. Posteriormente se presenta un método de ajuste on-line para la adaptación del control longitudinal ante perturbaciones impredecibles del entorno, como lo son los cambios en la inclinación del camino, fricción de las ruedas o peso de los ocupantes. Para finalizar, se presentan los resultados obtenidos durante un experimento de conducción autónoma en carreteras reales, el cual se llevó a cabo en el mes de Junio de 2012 desde la población de San Lorenzo de El Escorial hasta las instalaciones del Centro de Automática y Robótica (CAR) en Arganda del Rey. El principal objetivo tras esta demostración fue validar el funcionamiento, robustez y capacidad de la arquitectura propuesta para afrontar el problema de la conducción autónoma, bajo condiciones mucho más reales a las que se pueden alcanzar en las instalaciones de prueba. ABSTRACT Nowadays, the technological advances in the Intelligent Transportation Systems (ITS) field have led the development of several driving assistance systems (ADAS). These solutions are designed to improve the experience and security of all the passengers, especially the driver. For most of these systems, the main goal is to warn drivers about unexpected circumstances leading to risk situations such as involuntary lane departure or proximity to other vehicles. However, other ADAS go a step further, being able to cooperate with the driver in the control of the vehicle, or even overriding it on some tasks. Examples of this kind of systems are the anti-lock braking system (ABS), cruise control (CC) and the recently commercialised assisted parking systems. Within this research line, the next step is the development of systems able to replace the human drivers, improving the control and therefore, the safety and reliability of the vehicles. First of all, this dissertation presents a control architecture design for autonomous driving. It is made up of several hardware and software components, grouped according to their main function. The design of this architecture is based on the previous works carried out by the AUTOPIA Program, although notable improvements have been made regarding the efficiency, robustness and scalability of the system. It is also remarkable the work made on the development of a location algorithm for vehicles. The proposal is based on the emulation of the behaviour of biological swarms and its performance is similar to the well-known particle filters. The developed method combines information obtained from different sensors, including GPS, inertial measurement unit (IMU), and data from the original vehicle’s sensors on-board. Through this filtering algorithm the localization problem is properly managed, which is critical for the development of autonomous driving systems. The work deals also with the fuzzy control tuning system, a very time consuming task when done manually. An analysis of learning and adaptation techniques for the development of different controllers has been made. First, the Q-learning –a reinforcement learning method– has been applied to the generation of a lateral fuzzy controller from scratch. Subsequently, the development of an adaptation method for longitudinal control is presented. With this proposal, a final cruise control controller is able to deal with unpredictable environment disturbances, such as road slope, wheel’s friction or even occupants’ weight. As a testbed for the system, an autonomous driving experiment on real roads is presented. This experiment was carried out on June 2012, driving from San Lorenzo de El Escorial up to the Center for Automation and Robotics (CAR) facilities in Arganda del Rey. The main goal of the demonstration was validating the performance, robustness and viability of the proposed architecture to deal with the problem of autonomous driving under more demanding conditions than those achieved on closed test tracks.

VladBot. Robot para posicionamiento de medida

VladBot es un robot autónomo diseñado para posicionar en interiores un micrófono de medida. Este prototipo puede valorar la idea de automatizar medidas acústicas en interiores mediante un robot autónomo. Posee dos ruedas motrices y una rueda loca. Ésta rueda loca aporta maniobrabilidad al robot. Un soporte extensible hecho de aluminio sostiene el micrófono de medida. VladBot ha sido diseñado con tecnologías de bajo coste y bajo una plataforma abierta, Arduino. Arduino es una plataforma electrónica libre. Esto quiere decir que los usuarios tienen libre acceso a toda la información referente a los micro-controladores (hardware) y referente al software. Ofrece un IDE (Integrated Development Environment, en español, Entorno de Desarrollo Integrado) de forma gratuita y con un sencillo lenguaje de programación, con el que se pueden realizar proyectos de cualquier tipo. Además, los usuarios disponen de un foro donde encontrar ayuda, “Arduino Forum”. VladBot se comunica con el usuario a través de Bluetooth, creando un enlace fiable y con un alcance suficiente (aproximadamente 100 metros) para que controlar a VladBot desde una sala contigua. Hoy en día, Bluetooth es una tecnología implantada en casi todos los ordenadores, por lo que no necesario ningún sistema adicional para crear dicho enlace. Esta comunicación utiliza un protocolo de comunicaciones, JSON (JavaScript Object Notation). JSON hace que la comunicación sea más fiable, ya que sólo un tipo de mensajes preestablecidos son reconocidos. Gracias a este protocolo es posible la comunicación con otro software, permitiendo crear itinerarios en otro programa externo. El diseño de VladBot favorece su evolución hasta un sistema más preciso ya que el usuario puede realizar modificaciones en el robot. El código que se proporciona puede ser modificado, aumentando las funcionalidades de VladBot o mejorándolas. Sus componentes pueden ser cambiados también (incluso añadir nuevos dispositivos) para aumentar sus capacidades. Vladbot es por tanto, un sistema de transporte (de bajo coste) para un micrófono de medida que se puede comunicar inalámbricamente con el usuario de manera fiable. ABSTRACT. VladBot is an autonomous robot designed to indoor positioning of a measurement microphone. This prototype can value the idea of making automatic acoustic measurements indoor with an autonomous robot. It has two drive wheels and a caster ball. This caster ball provides manoeuvrability to the robot. An extendible stand made in aluminium holds the measurement microphone. VladBot has been designed with low cost technologies and under an open-source platform, Arduino. Arduino is a freeFsource electronics platform. This means that users have free access to all the information about micro-controllers (hardware) and about the software. Arduino offers a free IDE (Integrated Development Environment) with an easy programming language, which any kind of project can be made with. Besides, users have a forum where find help, “Arduino Forum”. VladBot communicates with the user by Bluetooth, creating a reliable link with enough range (100 meters approximately) for controlling VladBot in the next room. Nowadays, Bluetooth is a technology embedded in almost laptops, so it is not necessary any additional system for create this link. This communication uses a communication protocol, JSON (JavaScript Object Notation). JSON makes the communication more reliable, since only a preFestablished kind of messages are recognised. Thanks to this protocol is possible the communication with another software, allowing to create routes in an external program. VladBot´s design favours its evolution to an accurate system since the user can make modifications in the robot. The code given can be changed, increasing VladBot´s uses or improving these uses. Their components can be changed too (even new devices can be added) for increasing its abilities. So, VladBot is a (low cost) transport system for a measurement microphone, which can communicate with the user in a reliable way.

Interacción dinámica vehículo-vía-estructura-cimiento en puentes de ferrocarril

Se presenta en este trabajo un programa de ordenador para la resolución del problema de interacción dinámica terreno-estructura-vehículo-cimiento en el caso particular de puentes de ferrocarril al paso de éste por aquel. El programa, escrito en FORTRAN V, se ha implementado en un ordenador UNIVAC 1108. El objetivo último del proyecto corresponde al establecimiento de una normativa adecuada referente a la rigidez de puentes de ferrocarril, en orden a limitar las vibraciones producidas en los elementos del vehículo (incluido el pasajero) y con ello incrementar la confortabilidad. Para ello, se prevé, en una segunda fase, un detallado estudio paramétrico de la influencia que sobre los aspectos anteriores tienen cada una de las variables que intervienen en el proceso. En el método de análisis, es de destacar el estudio del comportamiento del conjunto vía-balastro, en el que se incluyen, por ejemplo, sobre la propia deformación global inducida por los movimientos de las vigas del puente, el efecto de deformación local producido por el paso de las ruedas del vehículo. Asimismo lo es la completa modelización de los vehículos, vigas, soportes y terreno con una gran variedad de elementos particulares de comportamiento para la resolución de la mayoría de los problemas presentados.

Enfoque al ahorro de energía en la conducción de ferrocarriles utilizando el método múltiple de restricción de la optimización

El ahorro de la energía consumida no es un tema menor en el sector ferroviario. Las infraestructuras ferroviarias y los planes operativos implicados en distintos sistemas como el metropolitano, trenes locales, larga distancia y alta velocidad, deben ser realizados teniendo en cuenta las múltiples alternativas para alcanzar un sistema de optimización en el ahorro de energía. Para conseguir alcanzar la mejor solución final, las alternativas deben recoger y trabajar con el máximo de variables asociadas al movimiento del tren y a los planes de operación. El método presentado aquí usa una solución semianalítica que conlleva una discretización del problema, para posteriormente aplicar el método de los Multiplicadores de Lagrange para resolver la optimización de las n-tuplas de velocidad. Con esta alternativa propuesta, es posible incluir todos los detalles sobre las operaciones del tren, como restricciones en el horario o tipos de frenado.

Modelo gráfico para la datación de vías romanas empedradas a partir del estudio de sus estados de frecuentación y del análisis superficial de roderas

La presente tesis doctoral se orienta al estudio y análisis de los caminos empedrados antiguos, desde la época prerromana, tanto desde el punto de vista histórico como desde el técnico. La cuantificación de la romanidad de un camino representa un objetivo importante para la mayoría de los estudiosos de la caminería antigua, así como para los arqueólogos, por los datos que ofrece acerca del uso del territorio, los trazados de caminos en la antigüedad y los tráficos asociados. Cuantificar la romanidad de un camino no es tarea sencilla debido a que intervienen multitud de condicionantes que están vivos y son cambiantes como consecuencia del dinamismo inherente al propio camino. En cuanto al aspecto histórico, se realiza una descripción y análisis de la evolución del camino en la Península Ibérica desde sus orígenes hasta mediados del siglo XX, que permite diferenciar la red itineraria según su momento histórico. Así mismo, se describen y analizan: las ruedas y los carros desde sus orígenes, especialmente en la época romana -incluyendo una toma de medidas de distintos tipos de carro, existentes en instituciones y colecciones particulares-; las técnicas de transporte en la antigüedad y las características de la infraestructura viaria de época romana, detallando aspectos generales de sus técnicas de ingeniería y construcción. Desde el punto de vista técnico, el enfoque metodológico ha sido definir un Índice de Romanidad del Camino (IRC) para la datación de vías romanas empedradas, basado en un análisis multicriterio, a partir de los distintos factores que caracterizan su romanidad. Se ha realizado un exhaustivo estudio de campo, con la correspondiente toma de datos en las vías. Se han realizado una serie de ensayos de laboratorio con un prototipo creado exprofeso para simular el desgaste de la piedra producido por el traqueteo del carro al circular por el camino empedrado y dar una hipótesis de datación del camino. Se ha realizado un tratamiento estadístico con la muestra de datos medidos en campo. Se ha definido además el concepto de elasticidad de rodera usando la noción de derivada elástica. En cuanto a los resultados obtenidos: se ha calculado el Índice de Romanidad del Camino (IRC) en una serie de vías empedradas, para cuantificar su romanidad, obteniéndose un resultado coherente con la hipótesis previa sobre la datación de dichas vías; y se ha formulado un modelo exponencial para el número de frecuentaciones de carga que lo relaciona con la elasticidad de rodera y con su esbeltez y que se ha utilizado para relacionar la elasticidad de la rodera con la geología de la roca. Se ha iniciado una línea de investigación sobre la estimación de tráficos históricos en la caminería antigua, considerando que el volumen de tráfico a lo largo del tiempo en un tramo de vía está relacionado con los valores de elasticidad de rodera de dicho tramo a través de la tipología de la roca. En resumen, la presente tesis doctoral proporciona un método para sistematizar el estudio de los caminos antiguos, así como para datarlos y estimar la evolución de sus tráficos. The present Ph. D. Thesis aims to study and to analyze ancient cobbled ways, since pre-roman times, both from the historical and technical points of view. The quantification of the Roman character of a way represents an important target for most of the researchers of ancient ways, as well as for the archaeologists, due to information that it offers about the use of the territory, the tracings of ways in the antiquity and the associate flows. To quantify the Roman character of a way is not a simple task because it involves multitude of influent factors that are alive and variable as a result of the dynamism inherent to the way. As for the historical aspect, a description and analysis of the evolution of the way in the Iberian Peninsula from its origins until the middle of the twentieth century has been done. This allows us to distinguish between elements of the network according to its historical moment. Likewise, a description and analysis is given about: the wheels and the cars since their origins, especially in the Roman time - including a capture of measurements of different types of car, belonging to institutions and to particular collections-; the transport techniques on the antiquity and the characteristics of the road infrastructure of Roman epoch, detailing general technical engineering and constructive aspects. From the technical point of view, the methodological approach has been to define an Index of the Roman Character of the Way (IRC) for the dating of cobbled Roman routes, based on a multi-criterion analysis, involving different factors typical of Roman ways. An exhaustive field study has been realized, with the corresponding capture of information in the routes. A series of laboratory essays has been realized with an ad hoc prototype created to simulate the wear of the stone produced by cars circulating along the cobbled way, and to give a dating hypothesis of the way. A statistical treatment has been realized with the sample of information measured in field. There has been defined also the concept of elasticity of rolling trace using the notion of elastic derivative. As for the obtained results: there has been calculated the Index of Roman Character of the Way (IRC) in a series of cobbled routes, to quantify its Roman character, obtaining a coherent result with the previous dating hypothesis of the above mentioned routes; and an exponential model has been formulated for the number of frequent attendances of load that relates this number to the elasticity of rolling trace and to its slenderness and that has been used to relate the elasticity of the rolling trace to the geology of the rock. An investigation line has been opened about the estimation of historical flows in ancient ways, considering that the traffic volume over the course of time in a route stretch is related to the values of elasticity of rolling trace of the above mentioned stretch by means of the typology of the rock. In short, the present Ph. D. Thesis provides a method to systematize the study of ancient ways, as well as to date them and to estimate the evolution of their flows.

Modelo térmico de una máquina FZG de pruebas de engranajes

Un modelo térmico de una caja de engranajes brinda la oportunidad de realizar un estudio más profundo sobre el calor disipado, relacionado con la pérdida de rendimiento en la transmisión por engranajes, hasta ahora sólo conocido indirectamente a través de ciertos ensayos. Un programa basado en un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias fue desarrollado en MATLAB para hacer el modelado térmico de una caja de ensayos de engranajes FZG. Dependiendo de las condiciones de funcionamiento del equipo, como son el nivel de precarga aplicada a los engranajes, el nivel de aceite usado en lubricación por barbotaje, la velocidad de la rueda y el tipo de acabado de los engranajes, se obtendrá distintos resultados. El modelo está basado en una red térmica en la cual cada nodo representa un elemento del equipo. Con las resistencias térmicas, los valores de las pérdidas de potencia (generadores de calor) y la inercia térmica de cada elemento, la evolución de la temperatura en el tiempo fue obtenida aplicando el primer principio de la termodinámica a cada nodo en cada instante de tiempo. Gracias a esto, la transferencia de calor entre los distintos elementos, las pérdidas de potencia, las resistencias térmicas y otros posibles parámetros (ratio del calor transmitido de las ruedas al aceite sobre las pérdidas por fricción) fueron también estimados en cada instante de tiempo en forma de matrices o vectores. Los resultados muestran una amplia capacidad y versatilidad del programa en términos de análisis térmico: el sentido y magnitud del flujo calorífico, herramientas visuales como la animación de la red térmica y de los elementos de la caja conforme se va calentando y la posibilidad de análisis térmico para diferentes condiciones de funcionamiento con sólo cambiar ciertas variables en el programa. Con estas funciones es posible dar un enfoque y abordar el estudio de la mínima cantidad de lubricante necesaria y otras maneras de amortiguar el sobrecalentamiento, además de conocer la temperatura de contacto entre engranajes. Esta temperatura, que es imposible de determinar experimentalmente, supondría un gran avance para tratar el desgaste superficial de engranajes.

Tecnología avanzada de señalización y conducción automática en ferrocarriles metropolitanos : rentabilidad de su inversión

Siguiendo la orientación seguida por la industria aeronáutica de los Estados Unidos en las últimas décadas muchas industrias paralelas han venido a considerar la Operación y Mantenimiento (O&M) como uno de los aspectos más relevantes a la hora de conseguir alcanzar sus objetivos organizativos. La política a seguir en la fase mantenimiento se reconoce como algo fundamental para conseguir los niveles de eficacia operativa precisos, en particular la disponibilidad. La importancia que toman los costes acumulativos incurridos en el periodo de O&M en el total de los acumulados en el ciclo de vida es un hecho cada vez más reconocido. Este concepto ha sido muy analizado y comentado, y comienzan a surgir y a estar en vigor numerosas regulaciones sobre el tema. El coste del ciclo de vida (LCC) se usa cada vez más como uno de los criterios principales a la hora de diseñar o comprar, y así se requiere a los suministradores que aporten soluciones garantizando un bajo coste a lo largo del ciclo vital y que, a la par, mantengan los niveles de servicio requeridos, por unos atributos medibles como son la disponibilidad o la puntualidad. Esta dualidad supone un verdadero reto para los diseñadores cuando afrontan nuevos desarrollos: diseñar para lograr un elevado nivel de servicio a la par que manteniendo un coste bajo en la totalidad del ciclo de vida del nuevo diseño. Hoy en día es indispensable proceder al diseño de los productos y soluciones de forma que sean confiables, fáciles de parametrizar, de configurar y operar, y que además posean las mejores prestaciones para minimizar los esfuerzos para su mantenimiento, renovaciones y eliminación al fin de su vida útil. La política de mantenimiento, tal como se indica anteriormente, ya no es por tanto la preocupación del último momento, sino algo que se debe definir conjuntamente con el diseño, con la perspectiva integrada del soporte logístico preciso. En numerosas industrias las decisiones que se toman sobre el diseño influencian sobremanera los costes futuros del mantenimiento y, particularmente en estos casos, el análisis integral del coste del ciclo de vida se revela como una poderosa herramienta que habilita la toma de las decisiones críticas. Por desgracia el estado del arte de los análisis LCC en el campo ferroviario es casi nulo en comparación con la industria aeronáutica de defensa, o incluso con la tecnología aplicada a la construcción de carreteras. Un enfoque profesional sobre la optimización de los costes y la disponibilidad del sistema ferroviario global es algo inexistente hoy día. Un análisis sistemático de los costes e impactos sobre la disponibilidad a largo plazo es excepcional en las fases de diseño, incluso para los más sencillos componentes de señalización. Más aún, en el mercado de señalización ferroviaria el mantenimiento es el gran paradigma. Las líneas deben mantenerse en servicio comercial bajo cualquier circunstancia, llevando al mínimo cualquier perturbación y por supuesto preservando la seguridad que la sociedad demanda a los sistemas de transporte públicos de masas. Es por ello que la tendencia cada vez mayor es la de comparar, en el momento de la toma de decisión sobre la inversión, las distintas alternativas posibles para elegir la que garantice el menor coste esperable a lo largo del ciclo de vida exigible. El sector ferroviario, como industria que requiere elevadas inversiones de capital en soluciones de larga permanencia, requiere un enfoque que considere el coste del ciclo de vida. Para la infraestructura ferroviaria y la propia vía el ciclo de vida considerado tradicionalmente para la inversión inicial incluyendo el mantenimiento y algunas renovaciones parciales es de 75 a 100 años, para el material rodante son 30 a 35 años con una renovación significativa hacia la mitad del periodo y para los sistemas de señalización se suelen adoptar entre 25 y 30 años. Dados estos elevados plazos el coste debe ser evaluado para cada uno de los elementos constitutivos, considerando no solo los costes de adquisición, sino también a los que conducen las distintas alternativas de diseño y estrategias de mantenimiento, de forma que se minimicen los costes totales acumulados a lo largo del plazo vital sin perder de vista preservar la función deseada, la explotación comercial segura. Concebir las líneas y su mantenimiento bajo el prisma del concepto del coste del ciclo de vida LCC está revelándose como algo imperativo ya que garantiza que las decisiones sobre inversiones/explotación/mantenimiento sean las más efectivas en términos de coste para la sociedad. Pero por desgracia es muy raro encontrar en el sector ferroviario análisis LCC debidamente documentados. Todos los tecnólogos prefieren aportar argumentos de ventas, bonitas transparencias y folletos, entre ellos algunos detalles de LCC o reflexiones dialécticas al respecto, más que permitir obtener clara y francamente sus costes de adquisición de productos incluyendo los de ingeniería e instalación. Igual o similar opacidad hay al respecto de los costes de su mantenimiento (considerando los repuestos y las expectativas de evolución o roadmap del producto). A pesar de reconocerse el hecho de que las decisiones relativas al diseño y a las estrategias de mantenimiento deben apoyarse en análisis sobre los costes y la efectividad asociada debidamente evaluada, en la mayor parte de las veces la carencia de datos imposibilita la realización de estos estudios y se toman las decisiones por proximidad a otros casos similares o guiados por el consejo de una parte sesgada del mercado. Esta tesis demuestra, partiendo de la aplicación de la parte 3.3 de la norma internacional UNE-EN 60300:2004 “Cálculo del Coste del Ciclo de Vida”, que el sistema de señalización que se debe considerar a la hora de definir una nueva línea de Metro típica ha de ser la tecnología de control de tren basada en las telecomunicaciones (CBTC) aplicada en su modo de operación sin conductor (UTO), puesto que su coste de ciclo de vida (LCC) resulta ser sensiblemente inferior al del sistema tradicional de protección y operación automática de tren (ATP/ATO) más avanzado que puede ser usado como alternativa tecnológica, el distancia objetivo. El trabajo es netamente innovador, pues en el estado del arte documental sobre la materia, que se ha analizado en gran profundidad, tal y como demuestra la bibliografía reseñada, no consta ningún análisis de selección de alternativas de características similares hasta la fecha. Aunque se habla de manera extensiva en los foros y revistas ferroviarias sobre el tema de la rentabilidad que se obtiene por la selección del sistema CBTC como sistema de protección de tren sin embargo éste es un aspecto que nadie ha demostrado de manera analítica hasta el trabajo presente. La Tesis en sí misma es un trabajo original, pues contiene a lo largo de toda ella y en sus anejos, una descripción completa, y adecuadamente comprensible por todo tipo de lector, sobre el estado del arte de los sistemas de automatización ferroviaria. No existe actualmente en lengua castellana, inglesa, francesa o alemana un trabajo de alcance similar. La Tesis se estructura debidamente, proporcionando un hilo documental que permite incluso a los lectores profanos adquirir los conocimientos precisos para poder valorar de manera adecuada el análisis de alternativas que se plantea y su resultado, que resulta coincidente con la hipótesis formulada al inicio de la redacción de la Tesis. Se indican como colofón otras posibles futuras líneas de investigación que se han identificado. Los anejos a la Tesis la complementan con información adicional procesada durante su redacción: • Las tablas de los cálculos del modelo de costes de cada alternativa tecnológica analizada • La visión general del universo de los sistemas de conducción automática de metros globalmente conocidos bajo el acrónimo de CBTC (Communications-Based Train Control), con el detalle actual del mercado de este tipo de soluciones: qué Compañías fabrican, en base a qué solución tecnológica de transmisión, dónde los comercializan y qué entes ferroviarios los utilizan. • Las condiciones a tener en cuenta de cara a decidir la implantación de un sistema CBTC UTO. • El estudio en detalle del caso de reseñalización del Metro de Nueva York describiendo los métodos que se siguieron para elegir las compañías que intervinieron en su realización y lograr la interoperabilidad entre las mismas. • El estado del arte de la definición de estándares y actividades para la interoperabilidad en Europa y Estados Unidos (Proyecto Modurban y Normas del IEEC).

La Península Ibérica en el transporte masivo de mercancías entre Europa y África : futuras autopistas del mar

La competitividad del transporte de mercancías depende del estado y funcionamiento de las redes existentes y de sus infraestructuras, no del modo de transporte. En concreto, la rentabilidad o la reducción de los costes de producción del transporte marítimo se vería incrementado con el uso de buques de mayor capacidad y con el desarrollo de plataformas portuarias de distribución o puertos secos, ya que el 90% del comercio entre la Unión Europea y terceros países se realiza a través de sus puertos a un promedio de 3,2 billones de toneladas de mercancías manipuladas cada año y el 40% del tráfico intraeuropeo utiliza el transporte marítimo de corta distancia. A pesar de que los puertos europeos acogen anualmente a más de 400 millones de pasajeros, los grandes desarrollos se han producido en los puertos del norte de Europa (Róterdam, Amberes, Ámsterdam). Los países del Sur de Europa deben buscar nuevas fórmulas para ser más competitivos, ya sea mediante creación de nuevas infraestructuras o mediante refuerzo de las existentes, ofreciendo los costes de los puertos del Norte. El fomento del transporte marítimo y fluvial como alternativa al transporte por carretera, especialmente el transporte marítimo de corta distancia, ha sido impulsado por la Comisión Europea (CE) desde 2003 a través de programas de apoyo comunitario de aplicación directa a las Autopistas del Mar, a modo de ejemplo, cabría citar los programas Marco Polo I y II, los cuales contaron con una dotación presupuestaria total de 855 millones de euros para el período 2003 – 2013; en ese período de tiempo se establecieron objetivos de reducción de congestión vial y mejora del comportamiento medio ambiental del sistema de transporte de mercancías dentro de la comunidad y la potenciación de la intermodalidad. El concepto de Autopista del Mar surge en el Libro Blanco de Transportes de la Comisión Europea “La política europea de transportes de cara al 2010: La hora de la verdad” del 12 de diciembre de 2001, en el marco de una política europea para fomento y desarrollo de sistemas de transportes sostenibles. Las Autopistas del Mar consisten en rutas marítimas de corta distancia entre dos puntos, de menor distancia que por vía terrestre, en las que a través del transporte intermodal mejoran significativamente los tiempos y costes de la cadena logística, contribuyen a la reducción de accidentes, ruidos y emisiones de CO2 a la atmósfera, permite que los conductores pierdan horas de trabajo al volante y evita el deterioro de las infraestructuras terrestres, con el consiguiente ahorro en mantenimiento. La viabilidad de una Autopista del Mar depende tanto de factores de ubicación geográficos, como de características propias del puerto, pasando por los diferentes requerimientos del mercado en cada momento (energéticos, medio ambientales y tecnológicos). Existe un elemento nuevo creado por la Comisión Europea: la red transeuropea de transportes (RTE-T). En el caso de España, con sus dos accesos por los Pirineos (La Junquera e Irún) como únicos pasos terrestres de comunicación con el continente y con importantes limitaciones ferroviarias debido a los tres anchos de vía distintos, le resta competitividad frente al conjunto europeo; por el contrario, España es el país europeo con más kilómetros de costa (con más de 8.000 km) y con un emplazamiento geográfico estratégico, lo que le convierte en una plataforma logística para todo el sur de Europa, por lo que las Autopistas del Mar tendrán un papel importante y casi obligado para el desarrollo de los grandes corredores marítimos que promueve Europa. De hecho, Gijón y Vigo lo han hecho muy bien con sus respectivas líneas definidas como Autopistas del Mar y que conectan con el puerto francés de Nantes-Saint Nazaire, ya que desde ahí los camiones pueden coger rutas hacia el Norte. Paralelamente, la Unión Europea ha iniciado los pasos para el impulso de la primera Autopista del Mar que conectará España con el mercado de Reino Unido, concretamente los Puertos de Bilbao y Tilbury. Además, España e Italia sellaron un acuerdo internacional para desarrollar Autopistas del Mar entre ambos países, comprometiéndose a impulsar una docena de rutas entre puertos del litoral mediterráneo español y el italiano. Actualmente, están en funcionando los trayectos como Barcelona-Génova, Valencia-Civitavecchia y Alicante- Nápoles, notablemente más cortos por mar que por carretera. Bruselas identificó cuatro grandes corredores marítimos que podrían concentrar una alta densidad de tráfico de buques, y en dos de ellos España ya tenía desde un principio un papel crucial. La Comisión diseñó el 14 de abril de 2004, a través del proyecto West-Mos, una red de tráfico marítimo que tiene como vías fundamentales la denominada Autopista del Báltico (que enlaza Europa central y occidental con los países bálticos), la Autopista de Europa suroriental (que une el Adriático con el Jónico y el Mediterráneo más oriental) y también la Autopista de Europa occidental y la Autopista de Europa suroccidental (que enlazan España con Reino Unido y la Francia atlántica y con la Francia mediterránea e Italia, respectivamente). Para poder establecer Autopistas del Mar entre la Península Ibérica y el Norte de Europa primará especialmente la retirada de camiones en la frontera pirenaica, donde el tráfico pesado tiene actualmente una intensidad media diaria de 8.000 unidades, actuando sobre los puntos de mayor congestión, como por ejemplo los Alpes, los Pirineos, el Canal de la Mancha, las carreteras fronterizas de Francia y Euskadi, y proponiendo el traslado de las mercancías en barcos o en trenes. Por su parte, para contar con los subsidios y apoyos europeos las rutas seleccionadas como Autopistas del Mar deben mantener una serie de criterios de calidad relacionados con la frecuencia, coste “plataforma logística a plataforma logística”, simplicidad en procedimientos administrativos y participación de varios países, entre otros. Los estudios consideran inicialmente viables los tramos marítimos superiores a 450 millas, con un volumen de unas 15.000 plataformas al año y que dispongan de eficientes comunicaciones desde el puerto a las redes transeuropeas de autopistas y ferrocarril. Otro objetivo de las Autopistas del Mar es desarrollar las capacidades portuarias de forma que se puedan conectar mejor las regiones periféricas a escala del continente europeo. En lo que a Puertos se refiere, las terminales en los muelles deben contar con una línea de atraque de 250 m., un calado superior a 8 m., una rampa “ro-ro” de doble calzada, grúas portainer, y garantizar operatividad para un mínimo de dos frecuencias de carga semanales. El 28 de marzo de 2011 se publicó el segundo Libro Blanco sobre el futuro del transporte en Europa “Hoja de ruta hacia un espacio único europeo de transporte: por una política de transportes competitiva y sostenible”, donde se definió el marco general de las acciones a emprender en los próximos diez años en el ámbito de las infraestructuras de transporte, la legislación del mercado interior, la reducción de la dependencia del carbono, la tecnología para la gestión del tráfico y los vehículos limpios, así como la estandarización de los distintos mercados. Entre los principales desafíos se encuentran la eliminación de los cuellos de botella y obstáculos diversos de nuestra red europea de transporte, minimizar la dependencia del petróleo, reducir las emisiones de GEI en un 60% para 2050 con respecto a los niveles de 1990 y la inversión en nuevas tecnologías e infraestructuras que reduzcan estas emisiones de transporte en la UE. La conexión entre la UE y el norte de África provoca elevados niveles de congestión en los puntos más críticos del trayecto: frontera hispano-francesa, corredor del Mediterráneo y el paso del estrecho. A esto se le añade el hecho de que el sector del transporte por carretera está sujeto a una creciente competencia de mercado motivada por la eliminación de las barreras europeas, mayores exigencias de los cargadores, mayores restricciones a los conductores y aumento del precio del gasóleo. Por otro lado, el mercado potencial de pasajeros tiene una clara diferenciación en tipos de flujos: los flujos en el período extraordinario de la Operación Paso del Estrecho (OPE), enfocado principalmente a marroquíes que vuelven a su país de vacaciones; y los flujos en el período ordinario, enfocado a la movilidad global de la población. Por tanto, lo que se pretende conseguir con este estudio es analizar la situación actual del tráfico de mercancías y pasajeros con origen o destino la península ibérica y sus causas, así como la investigación de las ventajas de la creación de una conexión marítima (Autopista del Mar) con el Norte de África, basándose en los condicionantes técnicos, administrativos, económicos, políticos, sociales y medio ambientales. The competitiveness of freight transport depends on the condition and operation of existing networks and infrastructure, not the mode of transport. In particular, profitability could be increased or production costs of maritime transport could be reduced by using vessels with greater capacity and developing port distribution platforms or dry ports, seeing as 90% of trade between the European Union and third countries happens through its ports. On average 3,2 billion tonnes of freight are handled annualy and 40% of intra-European traffic uses Short Sea Shipping. In spite of European ports annually hosting more than 400 million passengers, there have been major developments in the northern European ports (Rotterdam, Antwerp, Amsterdam). Southern European countries need to find new ways to be more competitive, either by building new infrastructure or by strengthening existing infrastructure, offering costs northern ports. The use of maritime and river transport as an alternative to road transport, especially Short Sea Shipping, has been driven by the European Commission (EC) from 2003 through community support programs for the Motorways of the Sea. These programs include, for example, the Marco Polo I and II programs, which had a total budget of 855 million euros for the period 2003-2013. During this time objectives were set for reducing road congestion, improving the environmental performance of the freight transport system within the community and enhancing intermodal transport. The “Motorway of the Sea” concept arises in the European Commission’s Transport White Paper "European transport policy for 2010: time to decide" on 12 December 2001, as part of a European policy for the development and promotion of sustainable transport systems. A Motorway of the Sea is defined as a short sea route between two points, covering less distance than by road, which provides a significant improvement in intermodal transport times and to the cost supply chain. It contributes to reducing accidents, noise and CO2 emissions, allows drivers to shorten their driving time and prevents the deterioration of land infrastructure thereby saving on maintenance costs. The viability of a Motorway of the Sea depends as much on geographical location factors as on characteristics of the port, taking into account the different market requirements at all times (energy, environmental and technological). There is a new element created by the European Commission: the trans-European transport network (TEN-T). In the case of Spain, with its two access points in the Pyrenees (La Junquera and Irun) as the only land crossings connected to the mainland and major railway limitations due to the three different gauges, it appears less competitive compared to Europe as a whole. However, Spain is the European country with the most kilometers of coastline (over 8,000 km) and a strategic geographical location, which makes it a logistics platform for the all of Southern Europe. This is why the Motorways of the Sea will have an important role, and an almost necessary one to develop major maritime corridors that Europe supports. In fact, Gijon and Vigo have done very well with their respective sea lanes defined as Motorways of the Sea and which connect with the French port of Nantes-Saint Nazaire, as from there trucks can use nort-heading routes. In parallel, the European Union has taken the first steps to boost the first Motorway of the Sea linking Spain to the UK market, specifically the ports of Bilbao and Tilbury. Furthermore, Spain and Italy sealed an international agreement to develop Motorways of the Sea between both countries, pledging to develop a dozen routes between ports on the Spanish and Italian Mediterranean coasts. Currently, there are sea lanes already in use such as Barcelona-Genova, Valencia-Civitavecchia and Alicante-Naples, these are significantly shorter routes by sea than by road. Brussels identified four major maritime corridors that could hold heavy concentrate shipping traffic, and Spain had a crucial role in two of these from the beginning. On 14 April 2004 the Commission planned through the West-Mos project, a network of maritime traffic which includes the essential sea passages the so-called Baltic Motorway (linking Central and Western Europe with the Baltic countries), the southeast Europe Motorway (linking the Adriatic to the Ionian and eastern Mediterranean Sea), the Western Europe Motorway and southwestern Europe Motorway (that links Spain with Britain and the Atlantic coast of France and with the French Mediterranean coast and Italy, respectively). In order to establish Motorways of the Sea between the Iberian Peninsula and Northern Europe especially, it is necessary to remove trucks from the Pyrenean border, where sees heavy traffic (on average 8000 trucks per day) and addressing the points of greatest congestion, such as the Alps, the Pyrenees, the English Channel, the border roads of France and Euskadi, and proposing the transfer of freight on ships or trains. For its part, in order to receive subsidies and support from the European Commission, the routes selected as Motorways of the Sea should maintain a series of quality criteria related to frequency, costs "from logistics platform to logistics platform," simplicity in administrative procedures and participation of several countries, among others. To begin with, studies consider viable a maritime stretch of at least 450 miles with a volume of about 15,000 platforms per year and that have efficient connections from port to trans-European motorways and rail networks. Another objective of the Motorways of the Sea is to develop port capacity so that they can better connect peripheral regions across the European continent. Referring ports, the terminals at the docks must have a berthing line of 250 m., a draft greater than 8 m, a dual carriageway "ro-ro" ramp, portainer cranes, and ensure operability for a minimum of two loads per week. On 28 March 2011 the second White Paper about the future of transport in Europe "Roadmap to a Single European Transport Area – Towards a competitive and resource efficient transport system" was published. In this Paper the general framework of actions to be undertaken in the next ten years in the field of transport infrastructure was defined, including internal market legislation, reduction of carbon dependency, traffic management technology and clean vehicles, as well as the standardization of different markets. The main challenges are how to eliminate bottlenecks and various obstacles in our European transport network, minimize dependence on oil, reduce GHG emissions by 60% by 2050 compared to 1990 levels and encourage investment in new technologies and infrastructure that reduce EU transport emissions. The connection between the EU and North Africa causes high levels of congestion on the most critical points of the journey: the Spanish-French border, the Mediterranean corridor and Gibraltar Strait. In addition to this, the road transport sector is subject to increased market competition motivated by the elimination of European barriers, greater demands of shippers, greater restrictions on drivers and an increase in the price of diesel. On the other hand, the potential passenger market has a clear differentiation in type of flows: flows in the special period of the Crossing the Straits Operation (CSO), mainly focused on Moroccans who return home on vacation; and flows in the regular session, focused on the global mobile population. Therefore, what I want to achieve with this study is present an analysis of the current situation of freight and passengers to or from the Iberian Peninsula and their causes, as well as present research on the advantages of creating a maritime connection (Motorways of the Sea) with North Africa, based on the technical, administrative, economic, political, social and environmental conditions.

Sostenibilidad en el sector de la construcción. Sostenibilidad en estructuras y puentes ferroviarios

La escasez de recursos, el cambio climático, la pobreza y el subdesarrollo, los desastres naturales, son solo algunos de los grandes retos a que se enfrenta la humanidad y a los que la economía verde y el desarrollo sostenible tienen que dar respuesta. El concepto sostenible surge a raíz de la necesidad de lograr en todas las actividades humanas un nuevo equilibrio con el medioambiente, la sociedad y la economía, es decir un desarrollo más sostenible. La construcción supone en este nuevo concepto un sector básico, con grandes impactos en los recursos, los residuos, las emisiones, la biodiversidad, el paisaje, las necesidades sociales, la integración, el desarrollo económico del entorno, etc. Es por ello, que la construcción sostenible tiene una importancia esencial como demuestra su amplia aplicación teórica y práctica ya en proyectos de planificación urbana y de edificación. En la ingeniería civil estas aproximaciones son todavía mínimas, aunque ya se están considerando ciertos criterios de sostenibilidad en proyectos de construcción. La construcción consume muchos recursos naturales, económicos y tiene gran incidencia social. En la actualidad su actividad consume un 30% de los recursos extraídos de la tierra y la energía, y en consecuencia genera el 30% de los gases de efecto invernadero y residuos sólidos del mundo (EEA, 2014). Este impacto debería suponer una gran responsabilidad para los profesionales y gobiernos que toman cada día las decisiones de diseño e inversión en la construcción, y su máxima eficiencia debería estar muy presente entre los objetivos. En esta tesis doctoral se plantea un nuevo modelo para la evaluación de la sostenibilidad en los proyectos mediante un sistema de indicadores, basados en las áreas de estudio de las certificaciones de sostenibilidad existentes y en un análisis multi-criterio de cada uno de los axiomas de la sostenibilidad. Como reto principal se marca la propuesta de una metodología que permita identificar, priorizar y seleccionar los indicadores y las variables más importantes de lo que es considerado como una construcción sostenible en el caso de infraestructuras ferroviarias, más concretamente en puentes ferroviarios, y que además sirva para priorizar nuevos proyectos que se adapten a los nuevos objetivos del desarrollo sostenible: el respeto al medioambiente, la integración social y la económica. El objetivo es la aplicación de estos indicadores desde las etapas más tempranas del proyecto: planificación, diseño de alternativas y selección de alternativas. Para ello, en primer lugar, se ha realizado un análisis en profundidad de los distintas organizaciones de certificación de la sostenibilidad mundiales y se ha desarrollado una comparativa entre ellas, detallando el funcionamiento de las más extendidas (BREEAM, LEED, VERDE, DGNB). Tras esto, se ha analizado la herramienta matemática MIVES de análisis multi-criterio para su aplicación, en la tesis, a las infraestructuras ferroviarias. En la segunda parte se desarrolla para las estructuras ferroviarias un nuevo modelo de indicadores, un sistema de ayuda a la decisión multi-criterio basado en los tres axiomas de las sostenibilidad (sociedad, medioambiente y economía), articulados en un árbol de requerimientos inspirado en el método MIVES, que propone una metodología para el caso de las infraestructuras ferroviarias. La metodología MIVES estructura el proceso de decisión en tres ramas: Requisitos, componentes y ciclo de vida. Estas ramas definen los límites de los sistemas. El eje de los requisitos del árbol de los requisitos o se estructura en tres niveles que corresponden al requisito específico: criterios e indicadores. Además, es necesario definen la función del valor para cada indicador, definen el peso de importancia de cada elemento del árbol y finalmente con el calcular el valor de cada alternativa selecciona el mejor de él. La generación de este árbol de requerimientos en estructuras ferroviarias y la medición de los parámetro es original para este tipo de estructuras. Por último, tras el desarrollo de la metodología, se ha aplicado la propuesta metodológica mediante la implementación práctica, utilizando el método propuesto con 2 puentes ferroviarios existentes. Los resultados han mostrado que la herramienta es capaz de establecer una ordenación de las actuaciones coherente y suficientemente discriminante como para que el decisor no tenga dudas cuando deba tomar la decisión. Esta fase, es una de las grandes aportaciones de la tesis, ya que permite diferenciar los pesos obtenidos en cada una de las áreas de estudio y donde la toma de decisión puede variar dependiendo de las necesidades del decisor, la ubicación del puente de estudio etc. ABSTRACT Scarce resources, climate change, poverty and underdevelopment, natural disasters are just some of the great challenges facing humanity and to which the green economy will have to respond. The sustainable concept arises from the need for all human activities in a new equilibrium with the environment, society and the economy, which is known as sustainable development. The construction industry is part of this concept, because of its major impacts on resources, waste, emissions, biodiversity, landscape, social needs, integration, economical development, environment, etc. Therefore, sustainable construction has a critical importance as already demonstrated by its wide application and theoretical practice in urban planning and building projects. In civil engineering, these approaches are still minimal, although some criteria are already taken into account for sustainability in infrastructure projects. The construction industry requires a lot of natural resources, has a real economic relevance and a huge social impact. Currently, it consumes 40% of produced power as well as natural resources extracted from the earth and thus leads to an environmental impact of 40% regarding greenhouse gas emissions and solid wastes (EEA 2014). These repercussions should highly concern our governments and professional of this industry on the decisions they take regarding investments and designs. They must be inflexible in order to ensure that the main concern has to be a maximum efficiency. Major events like the COP21 held in Paris in December 2015 are a concrete signal of the worldwide awareness of the huge impact of each industry on climate. In this doctoral thesis a new model for the evaluation of the sustainability in the projects by means of a system of indicators, based on the areas of study of the existing certifications of sustainability and on an analysis considers multi-criterion of each one of the axioms of the sustainability. The primary aim of this thesis is to study the mode of application of sustainability in projects through a system of indicators. . The main challenge consists of create a methodology suitable to identify, prioritize and select the most important indicators which define if a building is sustainable in the specific case of railway infrastructures. The methodology will help to adapt future projects to the new goals of sustainable development which are respect of nature, social integration and economic relevance. A crucial point is the consideration of these indicators from the very beginning steps of the projects: planning, design and alternatives reflections. First of all, a complete inventory of all world energy certification organizations has been made in order to compare the most representative ones regarding their way of functioning (BREEAM, LEED, VERDE, DGNB). After this, mathematical tool MIVES of analysis has been analyzed multi-criterion for its application, in the thesis, to railway infrastructures. The second part of the thesis is aimed to develop a new model of indicators, inspired by the MIVES method, consisting in a decision-making system based on the 3 foundations of sustainability: nature impact, social concerns, and economic relevance. The methodology MIVES structures the decision process in three axes: Requirements, components and life cycle. These axes define the boundaries of the systems. The axis of requirements o tree requirements is structured in three levels corresponding to specific requirement: criteria and indicators. In addition, is necessary define the value function for each indicator, define the weight of importance of each element of the tree and finally with the calculate the value of each alternative select the best of them. The generation of this tree requirements in railway structures and measuring the parameter is original for this type of structures. Finally, after the development of the methodology, it has validated the methodology through practical implementation, applying the proposed method 2 existing railway bridges. The results showed that the tool is able to establish a coherent management of performances and discriminating enough so that the decision maker should not have doubts when making the decision. This phase, is one of the great contributions of the thesis, since it allows to differentiate the weights obtained in each one from the study areas and where the decision making can vary depending on the necessities of the decisor, the location of the bridge of study etc.

Optimización multiobjetivo inteligente del dimensionamiento energético en sistemas ferroviarios señalizados y en plataformas software de tiempo real

La capacidad de transporte es uno de los baremos fundamentales para evaluar la progresión que puede llegar a tener un área económica y social. Es un sector de elevada importancia para la sociedad actual. Englobado en los distintos tipos de transporte, uno de los medios de transporte que se encuentra más en alza en la actualidad, es el ferroviario. Tanto para movilidad de pasajeros como para mercancías, el tren se ha convertido en un medio de transporte muy útil. Se encuentra dentro de las ciudades, entre ciudades con un radio pequeño entre ellas e incluso cada vez más, gracias a la alta velocidad, entre ciudades con gran distancia entre ellas. Esta Tesis pretende ayudar en el diseño de una de las etapas más importantes de los Proyectos de instalación de un sistema ferroviario: el sistema eléctrico de tracción. La fase de diseño de un sistema eléctrico de tracción ferroviaria se enfrenta a muchas dudas que deben ser resueltas con precisión. Del éxito de esta fase dependerá la capacidad de afrontar las demandas de energía de la explotación ferroviaria. También se debe atender a los costes de instalación y de operación, tanto costes directos como indirectos. Con la Metodología que se presenta en esta Tesis se ofrecerá al diseñador la opción de manejar un sistema experto que como soluciones le plantee un conjunto de escenarios de sistemas eléctricos correctos, comprobados por resolución de modelos de ecuaciones. Correctos desde el punto de vista de validez de distintos parámetros eléctrico, como de costes presupuestarios e impacto de costes indirectos. Por tanto, el diseñador al haber hecho uso de esta Metodología, tendría en un espacio de tiempo relativamente corto, un conjunto de soluciones factibles con las que poder elegir cuál convendría más según sus intereses finales. Esta Tesis se ha desarrollado en una vía de investigación integrada dentro del Centro de Investigaciones Ferroviarias CITEF-UPM. Entre otros proyectos y vías de investigación, en CITEF se ha venido trabajando en estudios de validación y dimensionamiento de sistemas eléctricos ferroviarios con diversos y variados clientes y sistemas ferroviarios. A lo largo de los proyectos realizados, el interés siempre ha girado mayoritariamente sobre los siguientes parámetros del sistema eléctrico: - Calcular número y posición de subestaciones de tracción. Potencia de cada subestación. - Tipo de catenaria a lo largo del recorrido. Conductores que componen la catenaria. Características. - Calcular número y posición de autotransformadores para sistemas funcionando en alterna bitensión o 2x25kV. - Posición Zonas Neutras. - Validación según normativa de: o Caídas de tensión en la línea o Tensiones máximas en el retorno de la línea o Sobrecalentamiento de conductores o Sobrecalentamiento de los transformadores de las subestaciones de tracción La idea es que las soluciones aportadas por la Metodología sugieran escenarios donde de estos parámetros estén dentro de los límites que marca la normativa. Tener la posibilidad de tener un repositorio de posibles escenarios donde los parámetros y elementos eléctricos estén calculados como correctos, aporta un avance en tiempos y en pruebas, que mejoraría ostensiblemente el proceso habitual de diseño para los sistemas eléctricos ferroviarios. Los costes directos referidos a elementos como subestaciones de tracción, autotransformadores, zonas neutras, ocupan un gran volumen dentro del presupuesto de un sistema ferroviario. En esta Tesis se ha querido profundizar también en el efecto de los costes indirectos provocados en la instalación y operación de sistemas eléctricos. Aquellos derivados del impacto medioambiental, los costes que se generan al mantener los equipos eléctricos y la instalación de la catenaria, los costes que implican la conexión entre las subestaciones de tracción con la red general o de distribución y por último, los costes de instalación propios de cada elemento compondrían los costes indirectos que, según experiencia, se han pensado relevantes para ejercer un cierto control sobre ellos. La Metodología cubrirá la posibilidad de que los diseños eléctricos propuestos tengan en cuenta variaciones de coste inasumibles o directamente, proponer en igualdad de condiciones de parámetros eléctricos, los más baratos en función de los costes comentados. Analizando los costes directos e indirectos, se ha pensado dividir su impacto entre los que se computan en la instalación y los que suceden posteriormente, durante la operación de la línea ferroviaria. Estos costes normalmente suelen ser contrapuestos, cuánto mejor es uno peor suele ser el otro y viceversa, por lo que hace falta un sistema que trate ambos objetivos por separado. Para conseguir los objetivos comentados, se ha construido la Metodología sobre tres pilares básicos: - Simulador ferroviario Hamlet: Este simulador integra módulos para construir esquemas de vías ferroviarios completos; módulo de simulación mecánica y de la tracción de material rodante; módulo de señalización ferroviaria; módulo de sistema eléctrico. Software realizado en C++ y Matlab. - Análisis y estudio de cómo focalizar los distintos posibles escenarios eléctricos, para que puedan ser examinados rápidamente. Pico de demanda máxima de potencia por el tráfico ferroviario. - Algoritmos de optimización: A partir de un estudio de los posibles algoritmos adaptables a un sistema tan complejo como el que se plantea, se decidió que los algoritmos genéticos serían los elegidos. Se han escogido 3 algoritmos genéticos, permitiendo recabar información acerca del comportamiento y resultados de cada uno de ellos. Los elegidos por motivos de tiempos de respuesta, multiobjetividad, facilidad de adaptación y buena y amplia aplicación en proyectos de ingeniería fueron: NSGA-II, AMGA-II y ɛ-MOEA. - Diseño de funciones y modelo preparado para trabajar con los costes directos e indirectos y las restricciones básicas que los escenarios eléctricos no deberían violar. Estas restricciones vigilan el comportamiento eléctrico y la estabilidad presupuestaria. Las pruebas realizadas utilizando el sistema han tratado o bien de copiar situaciones que se puedan dar en la realidad o directamente sistemas y problemas reales. Esto ha proporcionado además de la posibilidad de validar la Metodología, también se ha posibilitado la comparación entre los algoritmos genéticos, comparar sistemas eléctricos escogidos con los reales y llegar a conclusiones muy satisfactorias. La Metodología sugiere una vía de trabajo muy interesante, tanto por los resultados ya obtenidos como por las oportunidades que puede llegar a crear con la evolución de la misma. Esta Tesis se ha desarrollado con esta idea, por lo que se espera pueda servir como otro factor para trabajar con la validación y diseño de sistemas eléctricos ferroviarios. ABSTRACT Transport capacity is one of the critical points to evaluate the progress than a specific social and economical area is able to reach. This is a sector of high significance for the actual society. Included inside the most common types of transport, one of the means of transport which is elevating its use nowadays is the railway. Such as for passenger transport of weight movements, the train is being consolidated like a very useful mean of transport. Railways are installed in many geography areas. Everyone know train in cities, or connecting cities inside a surrounding area or even more often, taking into account the high-speed, there are railways infrastructure between cities separated with a long distance. This Ph.D work aims to help in the process to design one of the most essential steps in Installation Projects belonging to a railway system: Power Supply System. Design step of the railway power supply, usually confronts to several doubts and uncertainties, which must be solved with high accuracy. Capacity to supply power to the railway traffic depends on the success of this step. On the other hand is very important to manage the direct and indirect costs derived from Installation and Operation. With the Methodology is presented in this Thesis, it will be offered to the designer the possibility to handle an expert system that finally will fill a set of possible solutions. These solutions must be ready to work properly in the railway system, and they were tested using complex equation models. This Thesis has been developed through a research way, integrated inside Citef (Railway Research Centre of Technical University of Madrid). Among other projects and research ways, in Citef has been working in several validation studies and dimensioning of railway power supplies. It is been working by a large range of clients and railways systems. Along the accomplished Projects, the main goal has been rounded mostly about the next list of parameters of the electrical system: - Calculating number and location of traction substations. Power of each substation. - Type of Overhead contact line or catenary through the railway line. The wires which set up the catenary. Main Characteristics. - Calculating number and position of autotransformers for systems working in alternating current bi-voltage of called 2x25 kV. - Location of Neutral Zones. - Validating upon regulation of: o Drop voltages along the line o Maximum return voltages in the line o Overheating/overcurrent of the wires of the catenary o Avoiding overheating in the transformers of the traction substations. Main objective is that the solutions given by the Methodology, could be suggest scenarios where all of these parameters from above, would be between the limits established in the regulation. Having the choice to achieve a repository of possible good scenarios, where the parameters and electrical elements will be assigned like ready to work, that gives a great advance in terms of times and avoiding several tests. All of this would improve evidently the regular railway electrical systems process design. Direct costs referred to elements like traction substations, autotransformers, neutral zones, usually take up a great volume inside the general budget in railway systems. In this Thesis has been thought to bear in mind another kind of costs related to railway systems, also called indirect costs. These could be enveloped by those enmarked during installation and operation of electrical systems. Those derived from environmental impact; costs generated during the maintenance of the electrical elements and catenary; costs involved in the connection between traction substations and general electric grid; finally costs linked with the own installation of the whole electrical elements needed for the correct performance of the railway system. These are integrated inside the set has been collected taking into account own experience and research works. They are relevant to be controlled for our Methodology, just in case for the designers of this type of systems. The Methodology will cover the possibility that the final proposed power supply systems will be hold non-acceptable variations of costs, comparing with initial expected budgets, or directly assuming a threshold of budget for electrical elements in actual scenario, and achieving the cheapest in terms of commented costs from above. Analyzing direct and indirect costs, has been thought to divide their impact between two main categories. First one will be inside the Installation and the other category will comply with the costs often happens during Railway Operation time. These costs normally are opposed, that means when one is better the other turn into worse, in costs meaning. For this reason is necessary treating both objectives separately, in order to evaluate correctly the impact of each one into the final system. The objectives detailed before build the Methodology under three basic pillars: - Railway simulator Hamlet: This software has modules to configure many railway type of lines; mechanical and traction module to simulate the movement of rolling stock; signaling module; power supply module. This software has been developed using C++ and Matlab R13a - Previously has been mandatory to study how would be possible to work properly with a great number of feasible electrical systems. The target comprised the quick examination of these set of scenarios in terms of time. This point is talking about Maximum power demand peaks by railway operation plans. - Optimization algorithms. A railway infrastructure is a very complex system. At the beginning it was necessary to search about techniques and optimization algorithms, which could be adaptable to this complex system. Finally three genetic multiobjective algorithms were the chosen. Final decision was taken attending to reasons such as time complexity, able to multiobjective, easy to integrate in our problem and with a large application in engineering tasks. They are: NSGA-II, AMGA-II and ɛ-MOEA. - Designing objectives functions and equation model ready to work with the direct and indirect costs. The basic restrictions are not able to avoid, like budgetary or electrical, connected hardly with the recommended performance of elements, catenary and safety in a electrical railway systems. The battery of tests launched to the Methodology has been designed to be as real as possible. In fact, due to our work in Citef and with real Projects, has been integrated and configured three real railway lines, in order to evaluate correctly the final results collected by the Methodology. Another topic of our tests has been the comparison between the performances of the three algorithms chosen. Final step has been the comparison again with different possible good solutions, it means power supply system designs, provided by the Methodology, testing the validity of them. Once this work has been finished, the conclusions have been very satisfactory. Therefore this Thesis suggest a very interesting way of research and work, in terms of the results obtained and for the future opportunities can be created with the evolution of this. This Thesis has been developed with this idea in mind, so is expected this work could adhere another factor to work in the difficult task of validation and design of railway power supply systems.

Brain-Computer Interfaces: Desarrollo de un sistema de identificación de estados mentales alfa

En el mundo actual las aplicaciones basadas en sistemas biométricos, es decir, aquellas que miden las señales eléctricas de nuestro organismo, están creciendo a un gran ritmo. Todos estos sistemas incorporan sensores biomédicos, que ayudan a los usuarios a controlar mejor diferentes aspectos de la rutina diaria, como podría ser llevar un seguimiento detallado de una rutina deportiva, o de la calidad de los alimentos que ingerimos. Entre estos sistemas biométricos, los que se basan en la interpretación de las señales cerebrales, mediante ensayos de electroencefalografía o EEG están cogiendo cada vez más fuerza para el futuro, aunque están todavía en una situación bastante incipiente, debido a la elevada complejidad del cerebro humano, muy desconocido para los científicos hasta el siglo XXI. Por estas razones, los dispositivos que utilizan la interfaz cerebro-máquina, también conocida como BCI (Brain Computer Interface), están cogiendo cada vez más popularidad. El funcionamiento de un sistema BCI consiste en la captación de las ondas cerebrales de un sujeto para después procesarlas e intentar obtener una representación de una acción o de un pensamiento del individuo. Estos pensamientos, correctamente interpretados, son posteriormente usados para llevar a cabo una acción. Ejemplos de aplicación de sistemas BCI podrían ser mover el motor de una silla de ruedas eléctrica cuando el sujeto realice, por ejemplo, la acción de cerrar un puño, o abrir la cerradura de tu propia casa usando un patrón cerebral propio. Los sistemas de procesamiento de datos están evolucionando muy rápido con el paso del tiempo. Los principales motivos son la alta velocidad de procesamiento y el bajo consumo energético de las FPGAs (Field Programmable Gate Array). Además, las FPGAs cuentan con una arquitectura reconfigurable, lo que las hace más versátiles y potentes que otras unidades de procesamiento como las CPUs o las GPUs.En el CEI (Centro de Electrónica Industrial), donde se lleva a cabo este TFG, se dispone de experiencia en el diseño de sistemas reconfigurables en FPGAs. Este TFG es el segundo de una línea de proyectos en la cual se busca obtener un sistema capaz de procesar correctamente señales cerebrales, para llegar a un patrón común que nos permita actuar en consecuencia. Más concretamente, se busca detectar cuando una persona está quedándose dormida a través de la captación de unas ondas cerebrales, conocidas como ondas alfa, cuya frecuencia está acotada entre los 8 y los 13 Hz. Estas ondas, que aparecen cuando cerramos los ojos y dejamos la mente en blanco, representan un estado de relajación mental. Por tanto, este proyecto comienza como inicio de un sistema global de BCI, el cual servirá como primera toma de contacto con el procesamiento de las ondas cerebrales, para el posterior uso de hardware reconfigurable sobre el cual se implementarán los algoritmos evolutivos. Por ello se vuelve necesario desarrollar un sistema de procesamiento de datos en una FPGA. Estos datos se procesan siguiendo la metodología de procesamiento digital de señales, y en este caso se realiza un análisis de la frecuencia utilizando la transformada rápida de Fourier, o FFT. Una vez desarrollado el sistema de procesamiento de los datos, se integra con otro sistema que se encarga de captar los datos recogidos por un ADC (Analog to Digital Converter), conocido como ADS1299. Este ADC está especialmente diseñado para captar potenciales del cerebro humano. De esta forma, el sistema final capta los datos mediante el ADS1299, y los envía a la FPGA que se encarga de procesarlos. La interpretación es realizada por los usuarios que analizan posteriormente los datos procesados. Para el desarrollo del sistema de procesamiento de los datos, se dispone primariamente de dos plataformas de estudio, a partir de las cuales se captarán los datos para después realizar el procesamiento: 1. La primera consiste en una herramienta comercial desarrollada y distribuida por OpenBCI, proyecto que se dedica a la venta de hardware para la realización de EEG, así como otros ensayos. Esta herramienta está formada por un microprocesador, un módulo de memoria SD para el almacenamiento de datos, y un módulo de comunicación inalámbrica que transmite los datos por Bluetooth. Además cuenta con el mencionado ADC ADS1299. Esta plataforma ofrece una interfaz gráfica que sirve para realizar la investigación previa al diseño del sistema de procesamiento, al permitir tener una primera toma de contacto con el sistema. 2. La segunda plataforma consiste en un kit de evaluación para el ADS1299, desde la cual se pueden acceder a los diferentes puertos de control a través de los pines de comunicación del ADC. Esta plataforma se conectará con la FPGA en el sistema integrado. Para entender cómo funcionan las ondas más simples del cerebro, así como saber cuáles son los requisitos mínimos en el análisis de ondas EEG se realizaron diferentes consultas con el Dr Ceferino Maestu, neurofisiólogo del Centro de Tecnología Biomédica (CTB) de la UPM. Él se encargó de introducirnos en los distintos procedimientos en el análisis de ondas en electroencefalogramas, así como la forma en que se deben de colocar los electrodos en el cráneo. Para terminar con la investigación previa, se realiza en MATLAB un primer modelo de procesamiento de los datos. Una característica muy importante de las ondas cerebrales es la aleatoriedad de las mismas, de forma que el análisis en el dominio del tiempo se vuelve muy complejo. Por ello, el paso más importante en el procesamiento de los datos es el paso del dominio temporal al dominio de la frecuencia, mediante la aplicación de la transformada rápida de Fourier o FFT (Fast Fourier Transform), donde se pueden analizar con mayor precisión los datos recogidos. El modelo desarrollado en MATLAB se utiliza para obtener los primeros resultados del sistema de procesamiento, el cual sigue los siguientes pasos. 1. Se captan los datos desde los electrodos y se escriben en una tabla de datos. 2. Se leen los datos de la tabla. 3. Se elige el tamaño temporal de la muestra a procesar. 4. Se aplica una ventana para evitar las discontinuidades al principio y al final del bloque analizado. 5. Se completa la muestra a convertir con con zero-padding en el dominio del tiempo. 6. Se aplica la FFT al bloque analizado con ventana y zero-padding. 7. Los resultados se llevan a una gráfica para ser analizados. Llegados a este punto, se observa que la captación de ondas alfas resulta muy viable. Aunque es cierto que se presentan ciertos problemas a la hora de interpretar los datos debido a la baja resolución temporal de la plataforma de OpenBCI, este es un problema que se soluciona en el modelo desarrollado, al permitir el kit de evaluación (sistema de captación de datos) actuar sobre la velocidad de captación de los datos, es decir la frecuencia de muestreo, lo que afectará directamente a esta precisión. Una vez llevado a cabo el primer procesamiento y su posterior análisis de los resultados obtenidos, se procede a realizar un modelo en Hardware que siga los mismos pasos que el desarrollado en MATLAB, en la medida que esto sea útil y viable. Para ello se utiliza el programa XPS (Xilinx Platform Studio) contenido en la herramienta EDK (Embedded Development Kit), que nos permite diseñar un sistema embebido. Este sistema cuenta con: Un microprocesador de tipo soft-core llamado MicroBlaze, que se encarga de gestionar y controlar todo el sistema; Un bloque FFT que se encarga de realizar la transformada rápida Fourier; Cuatro bloques de memoria BRAM, donde se almacenan los datos de entrada y salida del bloque FFT y un multiplicador para aplicar la ventana a los datos de entrada al bloque FFT; Un bus PLB, que consiste en un bus de control que se encarga de comunicar el MicroBlaze con los diferentes elementos del sistema. Tras el diseño Hardware se procede al diseño Software utilizando la herramienta SDK(Software Development Kit).También en esta etapa se integra el sistema de captación de datos, el cual se controla mayoritariamente desde el MicroBlaze. Por tanto, desde este entorno se programa el MicroBlaze para gestionar el Hardware que se ha generado. A través del Software se gestiona la comunicación entre ambos sistemas, el de captación y el de procesamiento de los datos. También se realiza la carga de los datos de la ventana a aplicar en la memoria correspondiente. En las primeras etapas de desarrollo del sistema, se comienza con el testeo del bloque FFT, para poder comprobar el funcionamiento del mismo en Hardware. Para este primer ensayo, se carga en la BRAM los datos de entrada al bloque FFT y en otra BRAM los datos de la ventana aplicada. Los datos procesados saldrán a dos BRAM, una para almacenar los valores reales de la transformada y otra para los imaginarios. Tras comprobar el correcto funcionamiento del bloque FFT, se integra junto al sistema de adquisición de datos. Posteriormente se procede a realizar un ensayo de EEG real, para captar ondas alfa. Por otro lado, y para validar el uso de las FPGAs como unidades ideales de procesamiento, se realiza una medición del tiempo que tarda el bloque FFT en realizar la transformada. Este tiempo se compara con el tiempo que tarda MATLAB en realizar la misma transformada a los mismos datos. Esto significa que el sistema desarrollado en Hardware realiza la transformada rápida de Fourier 27 veces más rápido que lo que tarda MATLAB, por lo que se puede ver aquí la gran ventaja competitiva del Hardware en lo que a tiempos de ejecución se refiere. En lo que al aspecto didáctico se refiere, este TFG engloba diferentes campos. En el campo de la electrónica:  Se han mejorado los conocimientos en MATLAB, así como diferentes herramientas que ofrece como FDATool (Filter Design Analysis Tool).  Se han adquirido conocimientos de técnicas de procesado de señal, y en particular, de análisis espectral.  Se han mejorado los conocimientos en VHDL, así como su uso en el entorno ISE de Xilinx.  Se han reforzado los conocimientos en C mediante la programación del MicroBlaze para el control del sistema.  Se ha aprendido a crear sistemas embebidos usando el entorno de desarrollo de Xilinx usando la herramienta EDK (Embedded Development Kit). En el campo de la neurología, se ha aprendido a realizar ensayos EEG, así como a analizar e interpretar los resultados mostrados en el mismo. En cuanto al impacto social, los sistemas BCI afectan a muchos sectores, donde destaca el volumen de personas con discapacidades físicas, para los cuales, este sistema implica una oportunidad de aumentar su autonomía en el día a día. También otro sector importante es el sector de la investigación médica, donde los sistemas BCIs son aplicables en muchas aplicaciones como, por ejemplo, la detección y estudio de enfermedades cognitivas.

Estudio dinámico de las aceleraciones en pasos inferiores de líneas de alta velocidad

El comportamiento dinámico de los puentes de ferrocarril, tanto convencional como de alta velocidad, constituye uno de los criterios de diseño más relevantes en la actualidad, puesto que bajo situaciones resonantes la amplificación dinámica que se produce puede llegar a ser muy elevada, no resultando válidas las metodologías utilizadas tradicionalmente. De igual forma, la amplificación dinámica suele llevar asociada la aparición de inestabilidades de la vía relacionadas con vibraciones excesivas de la capa de balasto, las cuales comprometen los estados límite de servicio de la estructura y por lo tanto no permiten garantizar el confort de los pasajeros. Para analizar el comportamiento dinámico de estructuras semi-enterradas en líneas de alta velocidad se decide llevar a cabo el presente Trabajo Fin de Máster en colaboración con la Subdirección de Ingeniería e Innovación de Adif. En este contexto, los objetivos principales de esta investigación comprenden la revisión del estado actual de conocimiento relativo a cálculo y evaluación dinámica, el análisis de tipologías de estructuras semi-enterradas de alguna de las líneas de alta velocidad gestionadas por Adif, así como la elaboración de distintos modelos numéricos de Elementos Finitos que permitan contrastar las medidas experimentales obtenidas en la campaña de instrumentación realizada. Por tanto, se realiza un estudio detallado del paso inferior seleccionado como representativo de la LAV Madrid - Barcelona - Frontera Francesa por medio de modelos numéricos en 2 y 3 dimensiones, desarrollados en FEAP v8.1 (2007). Estos modelos son calibrados en base a las aceleraciones máximas registradas en la campaña instrumental, así como al estudio del contenido frecuencial de cada uno de los sensores dispuestos. La resolución de los modelos se lleva a cabo por medio de una descomposición modal. Por último, en lo que se refiere a resultados obtenidos, destacar que los modelos desarrollados tras la calibración reproducen de forma fiel el comportamiento dinámico del paso inferior seleccionado bajo el eje activo de circulación. Así, se puede concluir que este tipo de estructuras semi-enterradas no se ven comprometidas ante la acción dinámica de las composiciones ferroviarias consideradas, tanto para las velocidades actuales de circulación como para previsibles incrementos de estas.

Analysis and optimization for a hexapod walking robot for planetary missions

La tecnología de las máquinas móviles autónomas ha sido objeto de una gran investigación y desarrollo en las últimas décadas. En muchas actividades y entornos, los robots pueden realizar operaciones que son duras, peligrosas o simplemente imposibles para los humanos. La exploración planetaria es un buen ejemplo de un entorno donde los robots son necesarios para realizar las tareas requeridas por los científicos. La reciente exploración de Marte con robots autónomos nos ha mostrado la capacidad de las nuevas tecnologías. Desde la invención de la rueda, que esta acertadamente considerado como el mayor invento en la historia del transporte humano, casi todos los vehículos para exploración planetaria han empleado las ruedas para su desplazamiento. Las nuevas misiones planetarias demandan maquinas cada vez mas complejas. En esta Tesis se propone un nuevo diseño de un robot con patas o maquina andante que ofrecerá claras ventajas en entornos extremos. Se demostrara que puede desplazarse en los terrenos donde los robots con ruedas son ineficientes, convirtiéndolo en una elección perfecta para misiones planetarias. Se presenta una reseña histórica de los principales misiones espaciales, en particular aquellos dirigidos a la exploración planetaria. A través de este estudio será posible analizar las desventajas de los robots con ruedas utilizados en misiones anteriores. El diseño propuesto de robot con patas será presentado como una alternativa para aquellas misiones donde los robots con ruedas puedan no ser la mejor opción. En esta tesis se presenta el diseño mecánico de un robot de seis patas capaz de soportar las grandes fuerzas y momentos derivadas del movimiento de avance. Una vez concluido el diseño mecánico es necesario realizar un análisis que permita entender el movimiento y comportamiento de una maquina de esta complejidad. Las ecuaciones de movimiento del robot serán validadas por dos métodos: cinemático y dinámico. Dos códigos Matlab® han sido desarrollados para resolver dichos sistemas de ecuaciones y han sido verificados por un tercer método, un modelo de elementos finitos, que también verifica el diseño mecánico. El robot con patas presentado, ha sido diseñado para la exploración planetaria en Marte. El comportamiento del robot durante sus desplazamientos será probado mediante un código de Matlab®, desarrollado para esta tesis, que permite modificar las trayectorias, el tipo de terreno, y el número y altura de los obstáculos. Estos terrenos y requisitos iniciales no han sido elegidos de forma aleatoria, si no que están basados en mi experiencia como miembro del equipo de MSL-NASA que opera un instrumento a bordo del rover Curiosity en Marte. El robot con patas desarrollado y fabricado por el Centro de Astrobiología (INTA-CSIC), esta basado en el diseño mecánico y análisis presentados en esta tesis. ABSTRACT The autonomous machines technology has undergone a major research and development during the last decades. In many activities and environments, robots can perform operations that are tought, dangerous or simply imposible to humans. Planetary exploration is a good example of such environment where robots are needed to perform the tasks required by the scientits. Recent Mars exploration based on autonomous vehicles has shown us the capacity of the new technologies. From the invention of the wheel, which is rightly regarded as the greatest invention in the history of human transportation, nearly all-planetary vehicles are based in wheeled locomotion, but new missions demand new types of machines due to the complex tasks needed to be performed. It will be proposed in this thesis a new design of a legged robot or walking machine, which may offer clear advantages in tough environments. This Thesis will show that the proposed walking machine can travel, were terrain difficulties make wheeled vehicles ineffective, making it a perfect choice for planetary mission. A historical background of the main space missions, in particular those aimed at planetary exploration will be presented. From this study the disadvantages found in the existing wheel rovers will be analysed. The legged robot designed will be introduced as an alternative were wheeled rovers could be no longer the best option for planetary exploration. This thesis introduces the mechanical design of a six-leg robot capable of withstanding high forces and moments due to the walking motion. Once the mechanical design is concluded, and in order to analyse a machine of this complexity an understanding of its movement and behaviour is mandatory. This movement equation will be validated by two methods: kinematics and dynamics. Two Matlab® codes have been developed to solve the systems of equations and validated by a third method, a finite element model, which also verifies the mechanical design. The legged robot presented has been designed for a Mars planetary exploration. The movement behaviour of the robot will be tested in a Matlab® code developed that allows to modify the trajectories, the type of terrain, number and height of obstacles. These terrains and initial requirements have not been chosen randomly, those are based on my experience as a member of the MSL NASA team, which operates an instrument on-board of the Curiosity rover in Mars. The walking robot developed and manufactured by the Center of Astrobiology (CAB) is based in the mechanical design and analysis that will be presented in this thesis.

Localización y mapeo visual monocular para robot móvil terrestre aplicado a la inspección ultrasónica aeronáutica

En el ámbito de la robótica de servicio, actualmente no existe una solución automatizada para la inspección ultrasónica de las partes de material compuesto de una aeronave durante las operaciones de mantenimiento que realiza la aerolínea. El desarrollo de las nuevas técnicas de acoplamiento acústico en seco en el método de inspección no destructiva por ultrasonidos, está conduciendo a posibilitar su uso con soluciones de menor coste respecto a las técnicas tradicionales, sin perder eficacia para detectar las deficiencias en las estructuras de material compuesto. Aunque existen aplicaciones de esta técnica con soluciones manuales, utilizadas en las fases de desarrollo y fabricación del material compuesto, o con soluciones por control remoto en sectores diferentes al aeronáutico para componentes metálicos, sin embargo, no existen con soluciones automatizadas para la inspección no destructiva por ultrasonidos de las zonas del avión fabricadas en material compuesto una vez la aeronave ha sido entregada a la aerolínea. El objetivo de este trabajo fin de master es evaluar el sistema de localización, basado en visión por ordenador, de una solución robotizada aplicada la inspección ultrasónica estructural de aeronaves en servicio por parte de las propias aerolíneas, utilizando las nuevas técnicas de acoplamiento acústico en seco, buscando la ventaja de reducir los tiempos y los costes en las operaciones de mantenimiento. Se propone como solución un robot móvil autónomo de pequeño tamaño, con control de posición global basado en técnicas de SLAM Visual Monocular, utilizando marcadores visuales externos para delimitar el área de inspección. Se ha supuesto la inspección de elementos de la aeronave cuya superficie se pueda considerar plana y horizontal, como son las superficies del estabilizador horizontal o del ala. Este supuesto es completamente aceptable en zonas acotadas de estos componentes, y de cara al objetivo del proyecto, no le resta generalidad. El robot móvil propuesto es un vehículo terrestre triciclo, de dos grados de libertad, con un sistema de visión monocular completo embarcado, incluyendo el hardware de procesamiento de visión y control de trayectoria. Las dos ruedas delanteras son motrices y la tercera rueda, loca, sirve únicamente de apoyo. La dirección, de tipo diferencial, permite al robot girar sin necesidad de desplazamiento, al conseguirse por diferencia de velocidad entre la rueda motriz derecha e izquierda. El sistema de inspección ultrasónica embarcado está compuesto por el hardware de procesamiento y registro de señal, y una rueda-sensor situada coaxialmente al eje de las ruedas motrices, y centrada entre estas, de modo que la medida de inspección se realiza en el centro de rotación del robot. El control visual propuesto se realiza mediante una estrategia “ver y mover” basada en posición, ejecutándose de forma secuencial la extracción de características visuales de la imagen, el cálculo de la localización global del robot mediante SLAM visual y el movimiento de éste mediante un algoritmo de control de posición-orientación respecto a referencias de paso de la trayectoria. La trayectoria se planifica a partir del mapa de marcas visuales que delimitan el área de inspección, proporcionado también por SLAM visual. Para validar la solución propuesta se ha optado por desarrollar un prototipo físico tanto del robot como de los marcadores visuales externos, a los que se someterán a una prueba de validación como alternativa a utilizar un entorno simulado por software, consistente en el reconocimiento del área de trabajo, planeamiento de la trayectoria y recorrido de la misma, de forma autónoma, registrando el posicionamiento real del robot móvil junto con el posicionamiento proporcionado por el sistema de localización SLAM. El motivo de optar por un prototipo es validar la solución ante efectos físicos que son muy complicados de modelar en un entorno de simulación, derivados de las limitaciones constructivas de los sistemas de visión, como distorsiones ópticas o saturación de los sensores, y de las limitaciones constructivas de la mecánica del robot móvil que afectan al modelo cinemático, como son el deslizamiento de las ruedas o la fluctuación de potencia de los motores eléctricos. El prototipo de marcador visual externo utilizado para la prueba de validación, ha sido un símbolo plano vertical, en blanco y negro, que consta de un borde negro rectangular dentro del cual se incluye una serie de marcas cuadradas de color negro, cuya disposición es diferente para cada marcador, lo que permite su identificación. El prototipo de robot móvil utilizado para la prueba de validación, ha sido denominado VINDUSTOR: “VIsual controlled Non-Destructive UltraSonic inspecTOR”. Su estructura mecánica ha sido desarrollada a partir de la plataforma comercial de robótica educacional LEGO© MINDSTORMS NXT 2.0, que incluye los dos servomotores utilizados para accionar las dos ruedas motrices, su controlador, las ruedas delanteras y la rueda loca trasera. La estructura mecánica ha sido especialmente diseñada con piezas LEGO© para embarcar un ordenador PC portátil de tamaño pequeño, utilizado para el procesamiento visual y el control de movimiento, y el sistema de captación visual compuesto por dos cámaras web de bajo coste, colocadas una en posición delantera y otra en posición trasera, con el fin de aumentar el ángulo de visión. El peso total del prototipo no alcanza los 2 Kg, siendo sus dimensiones máximas 20 cm de largo, 25 cm de ancho y 26 cm de alto. El prototipo de robot móvil dispone de un control de tipo visual. La estrategia de control es de tipo “ver y mover” dinámico, en la que se realiza un bucle externo, de forma secuencial, la extracción de características en la imagen, la estimación de la localización del robot y el cálculo del control, y en un bucle interno, el control de los servomotores. La estrategia de adquisición de imágenes está basada en un sistema monocular de cámaras embarcadas. La estrategia de interpretación de imágenes está basada en posición tridimensional, en la que los objetivos de control se definen en el espacio de trabajo y no en la imagen. La ley de control está basada en postura, relacionando la velocidad del robot con el error en la posición respecto a las referencias de paso de una trayectoria. La trayectoria es generada a partir del mapa de marcadores visuales externo. En todo momento, la localización del robot respecto a un sistema de referencia externo y el mapa de marcadores, es realizado mediante técnicas de SLAM visual. La auto-localización de un robot móvil dentro de un entorno desconocido a priori constituye uno de los desafíos más importantes en la robótica, habiéndose conseguido su solución en las últimas décadas, con una formulación como un problema numérico y con implementaciones en casos que van desde robots aéreos a robots en entornos cerrados, existiendo numerosos estudios y publicaciones al respecto. La primera técnica de localización y mapeo simultáneo SLAM fue desarrollada en 1989, más como un concepto que como un algoritmo único, ya que su objetivo es gestionar un mapa del entorno constituido por posiciones de puntos de interés, obtenidos únicamente a partir de los datos de localización recogidos por los sensores, y obtener la pose del robot respecto al entorno, en un proceso limitado por el ruido de los sensores, tanto en la detección del entorno como en la odometría del robot, empleándose técnicas probabilísticas aumentar la precisión en la estimación. Atendiendo al algoritmo probabilístico utilizado, las técnicas SLAM pueden clasificarse en las basadas en Filtros de Kalman, en Filtros de Partículas y en su combinación. Los Filtros de Kalman consideran distribuciones de probabilidad gaussiana tanto en las medidas de los sensores como en las medidas indirectas obtenidas a partir de ellos, de modo que utilizan un conjunto de ecuaciones para estimar el estado de un proceso, minimizando la media del error cuadrático, incluso cuando el modelo del sistema no se conoce con precisión, siendo el más utilizado el Filtro de Kalman Extendido a modelos nolineales. Los Filtros de Partículas consideran distribuciones de probabilidad en las medidas de los sensores sin modelo, representándose mediante un conjunto de muestras aleatorias o partículas, de modo que utilizan el método Montecarlo secuencial para estimar la pose del robot y el mapa a partir de ellas de forma iterativa, siendo el más utilizado el Rao-Backwell, que permite obtener un estimador optimizado mediante el criterio del error cuadrático medio. Entre las técnicas que combinan ambos tipos de filtros probabilísticos destaca el FastSLAM, un algoritmo que estima la localización del robot con un Filtro de Partículas y la posición de los puntos de interés mediante el Filtro de Kalman Extendido. Las técnicas SLAM puede utilizar cualquier tipo de sensor que proporcionen información de localización, como Laser, Sonar, Ultrasonidos o Visión. Los sensores basados en visión pueden obtener las medidas de distancia mediante técnicas de visión estereoscópica o mediante técnica de visión monocular. La utilización de sensores basados en visión tiene como ventajas, proporcionar información global a través de las imágenes, no sólo medida de distancia, sino también información adicional como texturas o patrones, y la asequibilidad del hardware frente a otros sensores. Sin embargo, su principal inconveniente es el alto coste computacional necesario para los complejos algoritmos de detección, descripción, correspondencia y reconstrucción tridimensional, requeridos para la obtención de la medida de distancia a los múltiples puntos de interés procesados. Los principales inconvenientes del SLAM son el alto coste computacional, cuando se utiliza un número elevado de características visuales, y su consistencia ante errores, derivados del ruido en los sensores, del modelado y del tratamiento de las distribuciones de probabilidad, que pueden producir el fallo del filtro. Dado que el SLAM basado en el Filtro de Kalman Extendido es una las técnicas más utilizadas, se ha seleccionado en primer lugar cómo solución para el sistema de localización del robot, realizando una implementación en la que las medidas de los sensores y el movimiento del robot son simulados por software, antes de materializarla en el prototipo. La simulación se ha realizado considerando una disposición de ocho marcadores visuales que en todo momento proporcionan ocho medidas de distancia con ruido aleatorio equivalente al error del sensor visual real, y un modelo cinemático del robot que considera deslizamiento de las ruedas mediante ruido aleatorio. Durante la simulación, los resultados han mostrado que la localización estimada por el algoritmo SLAM-EKF presenta tendencia a corregir la localización obtenida mediante la odometría, pero no en suficiente cuantía para dar un resultado aceptable, sin conseguir una convergencia a una solución suficientemente cercana a la localización simulada del robot y los marcadores. La conclusión obtenida tras la simulación ha sido que el algoritmo SLAMEKF proporciona inadecuada convergencia de precisión, debido a la alta incertidumbre en la odometría y a la alta incertidumbre en las medidas de posición de los marcadores proporcionadas por el sensor visual. Tras estos resultados, se ha buscado una solución alternativa. Partiendo de la idea subyacente en los Filtros de Partículas, se ha planteado sustituir las distribuciones de probabilidad gaussianas consideradas por el Filtro de Kalman Extendido, por distribuciones equi-probables que derivan en funciones binarias que representan intervalos de probabilidad no-nula. La aplicación de Filtro supone la superposición de todas las funciones de probabilidad no-nula disponibles, de modo que el resultado es el intervalo donde existe alguna probabilidad de la medida. Cómo la efectividad de este filtro aumenta con el número disponible de medidas, se ha propuesto obtener una medida de la localización del robot a partir de cada pareja de medidas disponibles de posición de los marcadores, haciendo uso de la Trilateración. SLAM mediante Trilateración Estadística (SLAM-ST) es como se ha denominado a esta solución propuesta en este trabajo fin de master. Al igual que con el algoritmo SLAM-EKF, ha sido realizada una implementación del algoritmo SLAM-ST en la que las medidas de los sensores y el movimiento del robot son simulados, antes de materializarla en el prototipo. La simulación se ha realizado en las mismas condiciones y con las mismas consideraciones, para comparar con los resultados obtenidos con el algoritmo SLAM-EKF. Durante la simulación, los resultados han mostrado que la localización estimada por el algoritmo SLAM-ST presenta mayor tendencia que el algoritmo SLAM-EKF a corregir la localización obtenida mediante la odometría, de modo que se alcanza una convergencia a una solución suficientemente cercana a la localización simulada del robot y los marcadores. Las conclusiones obtenidas tras la simulación han sido que, en condiciones de alta incertidumbre en la odometría y en la medida de posición de los marcadores respecto al robot, el algoritmo SLAM-ST proporciona mejores resultado que el algoritmo SLAM-EKF, y que la precisión conseguida sugiere la viabilidad de la implementación en el prototipo. La implementación del algoritmo SLAM-ST en el prototipo ha sido realizada en conjunción con la implementación del Sensor Visual Monocular, el Modelo de Odometría y el Control de Trayectoria. El Sensor Visual Monocular es el elemento del sistema SLAM encargado de proporcionar la posición con respecto al robot de los marcadores visuales externos, a partir de las imágenes obtenidas por las cámaras, mediante técnicas de procesamiento de imagen que permiten detectar e identificar los marcadores visuales que se hallen presentes en la imagen capturada, así como obtener las características visuales a partir de las cuales inferir la posición del marcador visual respecto a la cámara, mediante reconstrucción tridimensional monocular, basada en el conocimiento a-priori del tamaño real del mismo. Para tal fin, se ha utilizado el modelo matemático de cámara pin-hole, y se ha considerado las distorsiones de la cámara real mediante la calibración del sensor, en vez de utilizar la calibración de la imagen, tras comprobar el alto coste computacional que requiere la corrección de la imagen capturada, de modo que la corrección se realiza sobre las características visuales extraídas y no sobre la imagen completa. El Modelo de Odometría es el elemento del sistema SLAM encargado de proporcionar la estimación de movimiento incremental del robot en base a la información proporcionada por los sensores de odometría, típicamente los encoders de las ruedas. Por la tipología del robot utilizado en el prototipo, se ha utilizado un modelo cinemático de un robot tipo uniciclo y un modelo de odometría de un robot móvil de dos ruedas tipo diferencial, en el que la traslación y la rotación se determinan por la diferencia de velocidad de las ruedas motrices, considerando que no existe deslizamiento entre la rueda y el suelo. Sin embargo, el deslizamiento en las ruedas aparece como consecuencia de causas externas que se producen de manera inconstante durante el movimiento del robot que provocan insuficiente contacto de la rueda con el suelo por efectos dinámicos. Para mantener la validez del modelo de odometría en todas estas situaciones que producen deslizamiento, se ha considerado un modelo de incertidumbre basado en un ensayo representativo de las situaciones más habituales de deslizamiento. El Control de Trayectoria es el elemento encargado de proporcionar las órdenes de movimiento al robot móvil. El control implementado en el prototipo está basado en postura, utilizando como entrada la desviación en la posición y orientación respecto a una referencia de paso de la trayectoria. La localización del robot utilizada es siempre de la estimación proporcionada por el sistema SLAM y la trayectoria es planeada a partir del conocimiento del mapa de marcas visuales que limitan el espacio de trabajo, mapa proporcionado por el sistema SLAM. Las limitaciones del sensor visual embarcado en la velocidad de estabilización de la imagen capturada han conducido a que el control se haya implementado con la estrategia “mirar parado”, en la que la captación de imágenes se realiza en posición estática. Para evaluar el sistema de localización basado en visión del prototipo, se ha diseñado una prueba de validación que obtenga una medida cuantitativa de su comportamiento. La prueba consiste en la realización de forma completamente autónoma de la detección del espacio de trabajo, la planificación de una trayectoria de inspección que lo transite completamente, y la ejecución del recorrido de la misma, registrando simultáneamente la localización real del robot móvil junto con la localización proporcionada por el sistema SLAM Visual Monocular. Se han realizado varias ejecuciones de prueba de validación, siempre en las mismas condiciones iniciales de posición de marcadores visuales y localización del robot móvil, comprobando la repetitividad del ensayo. Los resultados presentados corresponden a la consideración de las medidas más pesimistas obtenidas tras el procesamiento del conjunto de medidas de todos los ensayos. Los resultados revelan que, considerando todo el espacio de trabajo, el error de posición, diferencia entre los valores de proporcionados por el sistema SLAM y los valores medidos de posición real, se encuentra en el entorno de la veintena de centímetros. Además, los valores de incertidumbre proporcionados por el sistema SLAM son, en todos los casos, superiores a este error. Estos resultados conducen a concluir que el sistema de localización basado en SLAM Visual, mediante un algoritmo de Trilateración Estadística, usando un sensor visual monocular y marcadores visuales externos, funciona, proporcionando la localización del robot móvil con respecto al sistema de referencia global inicial y un mapa de su situación de los marcadores visuales, con precisión limitada, pero con incertidumbre conservativa, al estar en todo momento el error real de localización por debajo del error estimado. Sin embargo, los resultados de precisión del sistema de localización no son suficientemente altos para cumplir con los requerimientos como solución robotizada aplicada a la inspección ultrasónica estructural de aeronaves en servicio. En este sentido, los resultados sugieren que la posible continuación de este trabajo en el futuro debe centrarse en la mejora de la precisión de localización del robot móvil, con líneas de trabajo encaminadas a mejorar el comportamiento dinámico del prototipo, en mejorar la precisión de las medidas de posición proporcionadas por el sensor visual y en optimizar el resultado del algoritmo SLAM. Algunas de estas líneas futuras podrían ser la utilización de plataformas robóticas de desarrollo alternativas, la exploración de técnicas de visión por computador complementarias, como la odometría visual, la visión omnidireccional, la visión estereoscópica o las técnicas de reconstrucción tridimensional densa a partir de captura monocular, y el análisis de algoritmos SLAM alternativos condicionado a disponer de una sustancial mejora de precisión en el modelo de odometría y en las medidas de posición de los marcadores.

Producción de pólvoras salinas por vía húmeda

Valuable black powder has been produced traditionally by the wheel-mill grinding process. It is a process which evolved since the 12th century until his crowning moment ca. 1850. The current system of manufacturing black powder has barely changed in 150 years. This traditional system has and inherent risk of explosion in several stages which is not avoidable. Laws and restrictions are constantly increasing. So do the transportation costs, whatever are his final use. Nowadays the consumer price could be multiplied by easily more than ten times the original production cost. Traditional factories tend to group, merge and move away from settled areas. Obviously this protects the factories from public opinion in case of an accident thus increases the final cost of the propellant. The wet production could allow plants to scatter and decrease production costs. A wet method of production is proposed and developed in this project. The components are mixed in presence of water and extracted with an organic solvent. This conditions insures there is no risk of explosion. The method uses low and cheap technology. Precise calculations are presented among thermodynamic, legal and economic factors. Although the work is based in traditional (KNO3-C-S) black powder, other oxidizers with present interest like are studied. Furthermore, traditional production systems and quality processes are also discussed. Obtener pólvora negra ha sido posible gracias a la producción por vía seca con el molino de ruedas. Es un procedimiento que ha estado en evolución desde el siglo XII hasta su cénit a mediados del siglo XIX. Las producciones actuales utilizan este sistema que apenas ha variado en 150 años. El proceso clásico implica riesgos inherentes e inevitables de explosión en varias de sus etapas. Cada día la legislación es progresivamente más restrictiva con el transporte de explosivos. Las pólvoras, sean usadas para pirotecnia, cartuchería o materiales energéticos, están sujetas a gravámenes por el transporte. Hoy día el precio al consumidor puede llegar a estar multiplicado hasta más de diez veces el coste de producción. Las producciones tradicionales tienden a agruparse y alejarse de las poblaciones. Esto las protege, en caso de accidente, de la opinión pública aunque a costa de encarecer el producto. La producción húmeda es fácilmente escalable y apenas requiere inversión pudiendo dispersar las producciones y abaratar los costes. En este proyecto se propone un sistema de producción de explosivos salinos por vía húmeda, a través de una incorporación acuosa y una extracción con un disolvente orgánico. Las condiciones de operación aseguran que no hay riesgo ninguno de explosión. El sistema utiliza tecnología muy accesible y económica. Se han incorporado cálculos meticulosos además de discutir aspectos termodinámicos, legislativos y económicos. Aunque el trabajo se centra en la pólvora clásica (KNO3-C-S), se estudian alternativas con mayor interés actual. Así mismo se analizan los métodos de producción tradicionales y los efectos sobre la calidad de la pólvora.