967 resultados para Numerical methods
Resumo:
La heterogeneidad del medio geolgico introduce en el proyecto de obra subterrnea un alto grado de incertidumbre que debe ser debidamente gestionado a fin de reducir los riesgos asociados, que son fundamentalmente de tipo geotcnico. Entre los principales problemas a los que se enfrenta la Mecnica de Rocas moderna en el mbito de la construccin subterrnea, se encuentran la fluencia de roca en tneles (squeezing) y la rotura de pilares de carbn. Es ampliamente conocido que su aparicin causa importantes perjuicios en el coste y la seguridad de los proyectos por lo que su estudio, ha estado tradicionalmente vinculado a la prediccin de su ocurrencia. Entre las soluciones existentes para la determinacin de estos problemas se encuentran las que se basan en mtodos analticos y numricos. Estas metodologas son capaces de proporcionar un alto nivel de representatividad respecto del comportamiento geotcnico real, sin embargo, su utilizacin solo es posible cuando se dispone de una suficiente caracterizacin geotcnica y por tanto de una detallada definicin de los parmetros que alimentan los complejos modelos constitutivos y criterios de rotura que los fenmenos estudiados requieren. Como es lgico, este nivel de definicin solo es posible cuando se alcanzan etapas avanzadas de proyecto, incluso durante la propia construccin, a fin de calibrar adecuadamente los parmetros introducidos en los modelos, lo que supone una limitacin de uso en etapas iniciales, cuando su prediccin tiene verdadero sentido. Por su parte, los mtodos empricos permiten proporcionar soluciones a estos complejos problemas de un modo sencillo, con una baja parametrizacin y, dado su eminente enfoque observacional, de gran fiabilidad cuando se implementan sobre condiciones de contorno similares a las originales. La sencillez y escasez de los parmetros utilizados permiten a estas metodologas ser utilizadas desde las fases preliminares del proyecto, ya que estos constituyen en general, informacin habitual de fcil y econmica adquisicin. Este aspecto permite por tanto incorporar la prediccin desde el principio del proceso de diseo, anticipando el riesgo en origen. En esta tesis doctoral, se presenta una nueva metodologa emprica que sirve para proporcionar predicciones para la ocurrencia de squeezing y el fallo de pilares de carbn basada en una extensa recopilacin de informacin de casos reales de tneles y minas en las que ambos fenmenos fueron evaluados. Esta informacin, recogida de referencias bibliogrficas de prestigio, ha permitido recopilar una de las ms extensas bases de datos existentes hasta la fecha relativa a estos fenmenos, lo que supone en s mismo una importante contribucin sobre el estado del arte. Con toda esta informacin, y con la ayuda de la teora de clasificadores estadsticos, se ha implementado sobre las bases de datos un clasificador lineal de tipo regresin logstica que permite hacer predicciones sobre la ocurrencia de ambos fenmenos en trminos de probabilidad, y por tanto ponderar la incertidumbre asociada a la heterogeneidad incorporada por el medio geolgico. Este aspecto del desarrollo es el verdadero valor aadido proporcionado por la tesis y la principal ventaja de la solucin propuesta respecto de otras metodologas empricas. Esta capacidad de ponderacin probabilstica permite al clasificador constituir una solucin muy interesante como metodologa para la evaluacin de riesgo geotcnico y la toma de decisiones. De hecho, y como ejercicio de validacin prctica, se ha implementado la solucin desarrollada en un modelo coste-beneficio asociado a la optimizacin del diseo de pilares involucrados en una de mina virtual explotada por tajos largos. La capacidad del clasificador para cuantificar la probabilidad de fallo del diseo, junto con una adecuada cuantificacin de las consecuencias de ese fallo, ha permitido definir una ley de riesgo que se ha incorporado al balance de costes y beneficios, que es capaz, a partir del redimensionamiento iterativo del sistema de pilares y de la propia configuracin de la mina, maximizar el resultado econmico del proyecto minero bajo unas condiciones de seguridad aceptables, fijadas de antemano. Geological media variability introduces to the subterranean project a high grade of uncertainty that should be properly managed with the aim to reduce the associated risks, which are mainly geotechnical. Among the major problems facing the modern Rock Mechanics in the field of underground construction are both, the rock squeezing while tunneling and the failure of coal pillars. Given their harmfulness to the cost and safety of the projects, their study has been traditionally linked to the determination of its occurrence. Among the existing solutions for the determination of these problems are those that are based on analytical and numerical methods. Those methodologies allow providing a high level of reliability of the geotechnical behavior, and therefore a detailed definition of the parameters that feed the complex constitutive models and failure criteria that require the studied phenomena. Obviously, this level of definition is only possible when advanced stages of the project are achieved and even during construction in order to properly calibrate the parameters entered in the models, which suppose a limited use in early stages, when the prediction has true sense. Meanwhile, empirical methods provide solutions to these complex problems in a simple way, with low parameterization and, given his observational scope, with highly reliability when implemented on similar conditions to the original context. The simplicity and scarcity of the parameters used allow these methodologies be applied in the early stages of the project, since that information should be commonly easy and cheaply to get. This aspect can therefore incorporate the prediction from the beginning of the design process, anticipating the risk beforehand. This thesis, based on the extensive data collection of case histories of tunnels and underground mines, presents a novel empirical approach used to provide predictions for the occurrence of both, squeezing and coal pillars failures. The information has been collected from prestigious references, providing one of the largest databases to date concerning phenomena, a fact which provides an important contribution to the state of the art. With all this information, and with the aid of the theory of statistical classifiers, it has been implemented on both databases, a type linear logistic regression classifier that allows predictions about the occurrence of these phenomena in terms of probability, and therefore weighting the uncertainty associated with geological variability. This aspect of the development is the real added value provided by the thesis and the main advantage of the proposed solution over other empirical methodologies. This probabilistic weighting capacity, allows being the classifier a very interesting methodology for the evaluation of geotechnical risk and decision making. In fact, in order to provide a practical validation, we have implemented the developed solution within a cost-benefit analysis associated with the optimization of the design of coal pillar systems involved in a "virtual" longwall mine. The ability of the classifier to quantify the probability of failure of the design along with proper quantification of the consequences of that failure, has allowed defining a risk law which is introduced into the cost-benefits model, which is able, from iterative resizing of the pillar system and the configuration of the mine, maximize the economic performance of the mining project under acceptable safety conditions established beforehand.
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Independientemente de la existencia de tcnicas altamente sofisticadas y capacidades de cmputo cada vez ms elevadas, los problemas asociados a los robots que interactan con entornos no estructurados siguen siendo un desafo abierto en robtica. A pesar de los grandes avances de los sistemas robticos autnomos, hay algunas situaciones en las que una persona en el bucle sigue siendo necesaria. Ejemplos de esto son, tareas en entornos de fusin nuclear, misiones espaciales, operaciones submarinas y ciruga robtica. Esta necesidad se debe a que las tecnologas actuales no pueden realizar de forma fiable y autnoma cualquier tipo de tarea. Esta tesis presenta mtodos para la teleoperacin de robots abarcando distintos niveles de abstraccin que van desde el control supervisado, en el que un operador da instrucciones de alto nivel en la forma de acciones, hasta el control bilateral, donde los comandos toman la forma de seales de control de bajo nivel. En primer lugar, se presenta un enfoque para llevar a cabo la teleoperacin supervisada de robots humanoides. El objetivo es controlar robots terrestres capaces de ejecutar tareas complejas en entornos de bsqueda y rescate utilizando enlaces de comunicacin limitados. Esta propuesta incorpora comportamientos autnomos que el operador puede utilizar para realizar tareas de navegacin y manipulacin mientras se permite cubrir grandes reas de entornos remotos diseados para el acceso de personas. Los resultados experimentales demuestran la eficacia de los mtodos propuestos. En segundo lugar, se investiga el uso de dispositivos rentables para telemanipulacin guiada. Se presenta una aplicacin que involucra un robot humanoide bimanual y un traje de captura de movimiento basado en sensores inerciales. En esta aplicacin, se estudian las capacidades de adaptacin introducidas por el factor humano y cmo estas pueden compensar la falta de sistemas robticos de alta precisin. Este trabajo es el resultado de una colaboracin entre investigadores del Biorobotics Laboratory de la Universidad de Harvard y el Centro de Automtica y Robtica UPM-CSIC. En tercer lugar, se presenta un nuevo controlador hptico que combina velocidad y posicin. Este controlador bilateral hbrido hace frente a los problemas relacionados con la teleoperacin de un robot esclavo con un gran espacio de trabajo usando un dispositivo hptico pequeo como maestro. Se pueden cubrir amplias reas de trabajo al cambiar automticamente entre los modos de control de velocidad y posicin. Este controlador hptico es ideal para sistemas maestro-esclavo con cinemticas diferentes, donde los comandos se transmiten en el espacio de la tarea del entorno remoto. El mtodo es validado para realizar telemanipulacin hbil de objetos con un robot industrial. Por ltimo, se introducen dos contribuciones en el campo de la manipulacin robtica. Por un lado, se presenta un nuevo algoritmo de cinemtica inversa, llamado mtodo iterativo de desacoplamiento cinemtico. Este mtodo se ha desarrollado para resolver el problema cinemtico inverso de un tipo de robot de seis grados de libertad donde una solucin cerrada no est disponible. La eficacia del mtodo se compara con mtodos numricos convencionales. Adems, se ha diseado una taxonoma robusta de agarres que permite controlar diferentes manos robticas utilizando una correspondencia, basada en gestos, entre los espacios de trabajo de la mano humana y de la mano robtica. El gesto de la mano humana se identifica mediante la lectura de los movimientos relativos del ndice, el pulgar y el dedo medio del usuario durante las primeras etapas del agarre. ABSTRACT Regardless of the availability of highly sophisticated techniques and ever increasing computing capabilities, the problems associated with robots interacting with unstructured environments remains an open challenge. Despite great advances in autonomous robotics, there are some situations where a humanin- the-loop is still required, such as, nuclear, space, subsea and robotic surgery operations. This is because the current technologies cannot reliably perform all kinds of task autonomously. This thesis presents methods for robot teleoperation strategies at different levels of abstraction ranging from supervisory control, where the operator gives high-level task actions, to bilateral teleoperation, where the commands take the form of low-level control inputs. These strategies contribute to improve the current human-robot interfaces specially in the case of slave robots deployed at large workspaces. First, an approach to perform supervisory teleoperation of humanoid robots is presented. The goal is to control ground robots capable of executing complex tasks in disaster relief environments under constrained communication links. This proposal incorporates autonomous behaviors that the operator can use to perform navigation and manipulation tasks which allow covering large human engineered areas of the remote environment. The experimental results demonstrate the efficiency of the proposed methods. Second, the use of cost-effective devices for guided telemanipulation is investigated. A case study involving a bimanual humanoid robot and an Inertial Measurement Unit (IMU) Motion Capture (MoCap) suit is introduced. Herein, it is corroborated how the adaptation capabilities offered by the human-in-the-loop factor can compensate for the lack of high-precision robotic systems. This work is the result of collaboration between researchers from the Harvard Biorobotics Laboratory and the Centre for Automation and Robotics UPM-CSIC. Thirdly, a new haptic rate-position controller is presented. This hybrid bilateral controller copes with the problems related to the teleoperation of a slave robot with large workspace using a small haptic device as master. Large workspaces can be covered by automatically switching between rate and position control modes. This haptic controller is ideal to couple kinematic dissimilar master-slave systems where the commands are transmitted in the task space of the remote environment. The method is validated to perform dexterous telemanipulation of objects with a robotic manipulator. Finally, two contributions for robotic manipulation are introduced. First, a new algorithm, the Iterative Kinematic Decoupling method, is presented. It is a numeric method developed to solve the Inverse Kinematics (IK) problem of a type of six-DoF robotic arms where a close-form solution is not available. The effectiveness of this IK method is compared against conventional numerical methods. Second, a robust grasp mapping has been conceived. It allows to control a wide range of different robotic hands using a gesture based correspondence between the human hand space and the robotic hand space. The human hand gesture is identified by reading the relative movements of the index, thumb and middle fingers of the user during the early stages of grasping.
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In this paper the dynamics of axisymmetric, slender, viscous liquid bridges having volume close to the cylindrical one, and subjected to a small gravitational field parallel to the axis of the liquid bridge, is considered within the context of one-dimensional theories. Although the dynamics of liquid bridges has been treated through a numerical analysis in the inviscid case, numerical methods become inappropriate to study configurations close to the static stability limit because the evolution time, and thence the computing time, increases excessively. To avoid this difficulty, the problem of the evolution of these liquid bridges has been attacked through a nonlinear analysis based on the singular perturbation method and, whenever possible, the results obtained are compared with the numerical ones.
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Energa termosolar (de concentracin) es uno de los nombres que hacen referencia en espaol al trmino ingls concentrating solar power. Se trata de una tecnologa basada en la captura de la potencia trmica de la radiacin solar, de forma que permita alcanzar temperaturas capaces de alimentar un ciclo termodinmico convencional (o avanzado); el futuro de esta tecnologa depende principalmente de su capacidad para concentrar la radiacin solar de manera eficiente y econmica. La presente tesis est orientada hacia la resolucin de ciertos problemas importantes relacionados con este objetivo. La mencionada necesidad de reducir costes en la concentracin de radiacin solar directa, asegurando el objetivo termodinmico de calentar un fluido hasta una determinada temperatura, es de vital importancia. Los colectores lineales Fresnel han sido identificados en la literatura cientfica como una tecnologa con gran potencial para alcanzar esta reduccin de costes. Dicha tecnologa ha sido seleccionada por numerosas razones, entre las que destacan su gran libertad de diseo y su actual estado inmaduro. Con el objetivo de responder a este desafo se desarrollado un detallado estudio de las propiedades pticas de los colectores lineales Fresnel, para lo cual se han utilizado mtodos analticos y numricos de manera combinada. En primer lugar, se han usado unos modelos para la prediccin de la localizacin y la irradiacin normal directa del sol junto a unas relaciones analticas desarrolladas para estudiar el efecto de mltiples variables de diseo en la energa incidente sobre los espejos. Del mismo modo, se han obtenido analticamente los errores debidos al llamado off-axis aberration, a la apertura de los rayos reflejados en los espejos y a las sombras y bloqueos entre espejos. Esto ha permitido la comparacin de diferentes formas de espejo planos, circulares o parablicos, as como el diseo preliminar de la localizacin y anchura de los espejos y receptor sin necesidad de costosos mtodos numricos. En segundo lugar, se ha desarrollado un modelo de trazado de rayos de Monte Carlo con el objetivo de comprobar la validez del estudio analtico, pero sobre todo porque este no es preciso en el estudio de la reflexin en espejos. El cdigo desarrollado est especficamente ideado para colectores lineales Fresnel, lo que ha permitido la reduccin del tiempo de clculo en varios rdenes de magnitud en comparacin con un programa comercial ms general. Esto justifica el desarrollo de un nuevo cdigo en lugar de la compra de una licencia de otro programa. El modelo ha sido usado primeramente para comparar la intensidad de flujo trmico y rendimiento de colectores Fresnel, con y sin reflector secundario, con los colectores cilndrico parablicos. Finalmente, la conjuncin de los resultados obtenidos en el estudio analtico con el programa numrico ha sido usada para optimizar el campo solar para diferentes orientaciones Norte-Sur y Este-Oeste, diferentes localizaciones Almera y Aswan, diferentes inclinaciones hacia el Trpico desde 0 deg hasta 32 deg y diferentes mnimos de intensidad del flujo en el centro del receptor 10 kW/m2 y 25 kW/m2. La presente tesis ha conducido a importantes descubrimientos que deben ser considerados a la hora de disear un campo solar Fresnel. En primer lugar, los espejos utilizados no deben ser plano, sino cilndricos o parablicos, ya que los espejos curvos implican mayores concentraciones y rendimiento. Por otro lado, se ha llegado a la conclusin de que la orientacin Este-Oeste es ms propicia para localizaciones con altas latitudes, como Almera, mientras que en zonas ms cercanas a los trpicos como Aswan los campos Norte-Sur conducen a mayores rendimientos. Es de destacar que la orientacin Este-Oeste requiere aproximadamente la mitad de espejos que los campos Norte-Sur, puediendo estar inclinados hacia los Trpicos para mejorar el rendimiento, y que alcanzan parecidos valores de intensidad trmica en el receptor todos los das a medioda. Sin embargo, los campos con orientacin Norte-Sur permiten un flujo ms constante a lo largo de un da. Por ltimo, ha sido demostrado que el uso de diseos pre-optimizados analticamente, con anchura de espejos y espaciado entre espejos variables a lo ancho del campo, pueden implicar aumentos de la energa generada por metro cuadrado de espejos de hasta el 6%. El rendimiento ptico anual de los colectores cilndrico parablicos es 23 % mayor que el rendimiento de los campos Fresnel en Almera, mientras que la diferencia es de solo 9 % en Aswan. Ello implica que, para alcanzar el mismo precio de electricidad que la tecnologa de referencia, la reduccin de costes de instalacin por metro cuadrado de espejo debe estar entre el 10 % y el 25 %, y que los colectores lineales Fresnel tienen ms posibilidades de ser desarrollados en zonas de bajas latitudes. Como consecuencia de los estudios desarrollados en esta tesis se ha patentado un sistema de almacenamiento que tiene en cuenta la variacin del flujo trmico en el receptor a lo largo del da, especialmente para campos con orientacin Este-Oeste. Este invento permitira el aprovechamiento de la energa incidente durante ms parte del ao, aumentando de manera apreciable los rendimientos ptico y trmico. Abstract Concentrating solar power is the common name of a technology based on capturing the thermal power of solar radiation, in a suitable way to reach temperatures able to activate a conventional (or advanced) thermodynamic cycle to generate electricity; this quest mainly depends on our ability to concentrate solar radiation in a cheap and efficient way. The present thesis is focused to highlight and help solving some of the important issues related to this problem. The need of reducing costs in concentrating the direct solar radiation, but without jeopardizing the thermodynamic objective of heating a fluid up to the required temperature, is of prime importance. Linear Fresnel collectors have been identified in the scientific literature as a technology with high potential to reach this cost reduction. This technology has been selected because of a number of reasons, particularly the degrees of freedom of this type of concentrating configuration and its current immature state. In order to respond to this challenge, a very detailed exercise has been carried out on the optical properties of linear Fresnel collectors. This has been done combining analytic and numerical methods. First, the effect of the design variables on the ratio of energy impinging onto the reflecting surface has been studied using analytically developed equations, together with models that predict the location and direct normal irradiance of the sun at any moment. Similarly, errors due to off-axis aberration, to the aperture of the reflected energy beam and to shading and blocking effects have been obtained analytically. This has allowed the comparison of different shapes of mirrors flat, cylindrical or parabolic, as well as a preliminary optimization of the location and width of mirrors and receiver with no need of time-consuming numerical models. Second, in order to prove the validity of the analytic results, but also due to the fact that the study of the reflection process is not precise enough when using analytic equations, a Monte Carlo Ray Trace model has been developed. The developed code is designed specifically for linear Fresnel collectors, which has reduced the computing time by several orders of magnitude compared to a wider commercial software. This justifies the development of the new code. The model has been first used to compare radiation flux intensities and efficiencies of linear Fresnel collectors, both multitube receiver and secondary reflector receiver technologies, with parabolic trough collectors. Finally, the results obtained in the analytic study together with the numeric model have used in order to optimize the solar field for different orientations North-South and East-West, different locations Almera and Aswan, different tilts of the field towards the Tropic from 0 deg to 32 deg and different flux intensity minimum requirements 10 kW/m2 and 25 kW/m2. This thesis work has led to several important findings that should be considered in the design of Fresnel solar fields. First, flat mirrors should not be used in any case, as cylindrical and parabolic mirrors lead to higher flux intensities and efficiencies. Second, it has been concluded that, in locations relatively far from the Tropics such as Almera, East-West embodiments are more efficient, while in Aswan North- South orientation leads to a higher annual efficiency. It must be noted that East-West oriented solar fields require approximately half the number of mirrors than NS oriented fields, can be tilted towards the Equator in order to increase the efficiency and attain similar values of flux intensity at the receiver every day at midday. On the other hand, in NS embodiments the flux intensity is more even during each single day. Finally, it has been proved that the use of analytic designs with variable shift between mirrors and variable width of mirrors across the field can lead to improvements in the electricity generated per reflecting surface square meter up to 6%. The annual optical efficiency of parabolic troughs has been found to be 23% higher than the efficiency of Fresnel fields in Almera, but it is only around 9% higher in Aswan. This implies that, in order to attain the same levelized cost of electricity than parabolic troughs, the required reduction of installation costs per mirror square meter is in the range of 10-25%. Also, it is concluded that linear Fresnel collectors are more suitable for low latitude areas. As a consequence of the studies carried out in this thesis, an innovative storage system has been patented. This system takes into account the variation of the flux intensity along the day, especially for East-West oriented solar fields. As a result, the invention would allow to exploit the impinging radiation along longer time every day, increasing appreciably the optical and thermal efficiencies.
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Una de las medidas de mitigacin del Cambio Climtico propuestas al amparo de la ONU por el IPCC (Intergovermental Panel on Climate Change) en su Informe de Sntesis 2007 consiste en la puesta en marcha de acciones para la captacin y almacenamiento de dixido de carbono, existiendo tres tipos de formaciones geolgicas idneas para el almacenamiento geolgico de este gas: yacimientos de petrleo y gas agotados, capas de carbn no explotables y formaciones salinas profundas. En el caso de las formaciones salinas profundas, el problema fundamental para llevar a cabo un estudio de almacenamiento de CO2, reside en la dificultad de obtencin de datos geolgicos del subsuelo en una cierta estructura seleccionada, cuyas caractersticas pueden ser a priori idneas para la inyeccin y almacenamiento del gas. Por este motivo la solucin para poder analizar la viabilidad de un proyecto de almacenamiento en una estructura geolgica pasa por la simulacin numrica a partir de la modelizacin 3D del yacimiento. Los mtodos numricos permiten simular la inyeccin de un caudal determinado de dixido de carbono desde un pozo de inyeccin localizado en una formacin salina. En la presente tesis se ha definido una metodologa de simulacin de almacenamiento geolgico de CO2, como contribucin a la solucin al problema del Cambio Climtico, aplicada de forma concreta a la estructura BG-GE-08 (oeste de la Comunidad de Murcia). Esta estructura geolgica ha sido catalogada por el IGME (Instituto Geolgico y Minero de Espaa) como idnea para el almacenamiento de dixido de carbono, dada la existencia de una capa almacn confinada entre dos capas sello. ABSTRACT One of the climate change mitigation proposals suggested by the IPCC (Intergovermental Panel on Climate Change) in its Synthesis Report 2007 involves the launch of actions for capturing and storing carbon dioxide, existing three different geological structures suitable for gas storage: oil and gas reservoirs already drained, useless coal layers and deep saline structures. In case of deep saline structures, the main problem to develop a study of CO2 storage is the difficulty of obtaining geological data for some selected structure with characteristics that could be suitable for injection and gas storage. According to this situation, the solution to analyze the feasibility of a storage project in a geological structure will need numerical simulation from a 3D model. Numerical methods allow the simulation of the carbon dioxide filling in saline structures from a well, used to inject gas with a particular flow. In this document a simulation methodology has been defined for geological CO2 storage, as a contribution to solve the Climatic Change problem, applied to the structure BG-GE-08 (west of Murcia region). This geological structure has been classified by the IGME (Geological and Mining Institute of Spain) as suitable for the storage of carbon dioxide given the existence of a storage layer confined between two seal layers.
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El presente proyecto lleva a cabo un anlisis de la viabilidad de la estructura geolgica Villameriel, situada en la provincia de Palencia, para el almacenamiento geolgico profundo de CO2. Las dos medidas determinadas para su anlisis sern la determinacin de la cantidad de CO2 que se puede inyectar en la formacin y el comportamiento del mismo en su interior durante los prximos 100 aos. Para calcular estas medidas utilizamos la simulacin numrica, a travs de dos programas de SCHLUMBERGER. El primero, PETREL, diseando un modelo esttico que escenifique las propiedades del medio geolgico lo ms real posible, llamado modelo esttico. El segundo, ECLIPSE300, que simula el comportamiento del fluido segn entra en la formacin y a lo largo de todo el perodo de estudio. Como conclusin final llevaremos a cabo un estudio econmico que analice el potencial que tiene este proyecto para llevarse a cabo en la sociedad en la que nos encontramos ahora mismo ABSTRACT This project analyzes the viability of Villameriel geological structure, which is situated in Palencia, Spain. There will be two measures to probe it. The first will be to calculate how much amount of CO2 can be stored in this structure, and second will be to see how the CO2 behaves inside the first 100 years. In order to obtain the answers from these questions, Schlumberger programs are used specifically PETREL and ECLIPSE300. This programs work with numerical methods and they simulate a static model and a dynamic model. Static model is created in order to build a geological model with the same properties than in the real life. Dynamic model works to obtain the maximum amount of CO2 that it can be introduced inside storage formation and to know how CO2 will move inside the first 100 years. At the end, an economic study will be done with the objective to know if it would cost money, if there would be profits or no.
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Los sistemas de seguimiento mono-cmara han demostrado su notable capacidad para el anlisis de trajectorias de objectos mviles y para monitorizacin de escenas de inters; sin embargo, tanto su robustez como sus posibilidades en cuanto a comprensin semntica de la escena estn fuertemente limitadas por su naturaleza local y monocular, lo que los hace insuficientes para aplicaciones realistas de videovigilancia. El objetivo de esta tesis es la extensin de las posibilidades de los sistemas de seguimiento de objetos mviles para lograr un mayor grado de robustez y comprensin de la escena. La extensin propuesta se divide en dos direcciones separadas. La primera puede considerarse local, ya que est orientada a la mejora y enriquecimiento de las posiciones estimadas para los objetos mviles observados directamente por las cmaras del sistema; dicha extensin se logra mediante el desarrollo de un sistema multi-cmara de seguimiento 3D, capaz de proporcionar consistentemente las posiciones 3D de mltiples objetos a partir de las observaciones capturadas por un conjunto de sensores calibrados y con campos de visin solapados. La segunda extensin puede considerarse global, dado que su objetivo consiste en proporcionar un contexto global para relacionar las observaciones locales realizadas por una cmara con una escena de mucho mayor tamao; para ello se propone un sistema automtico de localizacin de cmaras basado en las trayectorias observadas de varios objetos mviles y en un mapa esquemtico de la escena global monitorizada. Ambas lneas de investigacin se tratan utilizando, como marco comn, tcnicas de estimacin bayesiana: esta eleccin est justificada por la versatilidad y flexibilidad proporcionada por dicho marco estadstico, que permite la combinacin natural de mltiples fuentes de informacin sobre los parmetros a estimar, as como un tratamiento riguroso de la incertidumbre asociada a las mismas mediante la inclusin de modelos de observacin especficamente diseados. Adems, el marco seleccionado abre grandes posibilidades operacionales, puesto que permite la creacin de diferentes mtodos numricos adaptados a las necesidades y caractersticas especficas de distintos problemas tratados. El sistema de seguimiento 3D con mltiples cmaras propuesto est especficamente diseado para permitir descripciones esquemticas de las medidas realizadas individualmente por cada una de las cmaras del sistema: esta eleccin de diseo, por tanto, no asume ningn algoritmo especfico de deteccin o seguimiento 2D en ninguno de los sensores de la red, y hace que el sistema propuesto sea aplicable a redes reales de vigilancia con capacidades limitadas tanto en trminos de procesamiento como de transmision. La combinacin robusta de las observaciones capturadas individualmente por las cmaras, ruidosas, incompletas y probablemente contaminadas por falsas detecciones, se basa en un metodo de asociacin bayesiana basado en geometra y color: los resultados de dicha asociacin permiten el seguimiento 3D de los objetos de la escena mediante el uso de un filtro de partculas. El sistema de fusin de observaciones propuesto tiene, como principales caractersticas, una gran precisin en trminos de localizacin 3D de objetos, y una destacable capacidad de recuperacin tras eventuales errores debidos a un nmero insuficiente de datos de entrada. El sistema automtico de localizacin de cmaras se basa en la observacin de mltiples objetos mviles y un mapa esquemtico de las reas transitables del entorno monitorizado para inferir la posicin absoluta de dicho sensor. Para este propsito, se propone un novedoso marco bayesiano que combina modelos dinmicos inducidos por el mapa en los objetos mviles presentes en la escena con las trayectorias observadas por la cmara, lo que representa un enfoque nunca utilizado en la literatura existente. El sistema de localizacin se divide en dos sub-tareas diferenciadas, debido a que cada una de estas tareas requiere del diseo de algoritmos especficos de muestreo para explotar en profundidad las caractersticas del marco desarrollado: por un lado, anlisis de la ambigedad del caso especficamente tratado y estimacin aproximada de la localizacin de la cmara, y por otro, refinado de la localizacin de la cmara. El sistema completo, diseado y probado para el caso especfico de localizacin de cmaras en entornos de trfico urbano, podra tener aplicacin tambin en otros entornos y sensores de diferentes modalidades tras ciertas adaptaciones. ABSTRACT Mono-camera tracking systems have proved their capabilities for moving object trajectory analysis and scene monitoring, but their robustness and semantic possibilities are strongly limited by their local and monocular nature and are often insufficient for realistic surveillance applications. This thesis is aimed at extending the possibilities of moving object tracking systems to a higher level of scene understanding. The proposed extension comprises two separate directions. The first one is local, since is aimed at enriching the inferred positions of the moving objects within the area of the monitored scene directly covered by the cameras of the system; this task is achieved through the development of a multi-camera system for robust 3D tracking, able to provide 3D tracking information of multiple simultaneous moving objects from the observations reported by a set of calibrated cameras with semi-overlapping fields of view. The second extension is global, as is aimed at providing local observations performed within the field of view of one camera with a global context relating them to a much larger scene; to this end, an automatic camera positioning system relying only on observed object trajectories and a scene map is designed. The two lines of research in this thesis are addressed using Bayesian estimation as a general unifying framework. Its suitability for these two applications is justified by the flexibility and versatility of that stochastic framework, which allows the combination of multiple sources of information about the parameters to estimate in a natural and elegant way, addressing at the same time the uncertainty associated to those sources through the inclusion of models designed to this end. In addition, it opens multiple possibilities for the creation of different numerical methods for achieving satisfactory and efficient practical solutions to each addressed application. The proposed multi-camera 3D tracking method is specifically designed to work on schematic descriptions of the observations performed by each camera of the system: this choice allows the use of unspecific off-the-shelf 2D detection and/or tracking subsystems running independently at each sensor, and makes the proposal suitable for real surveillance networks with moderate computational and transmission capabilities. The robust combination of such noisy, incomplete and possibly unreliable schematic descriptors relies on a Bayesian association method, based on geometry and color, whose results allow the tracking of the targets in the scene with a particle filter. The main features exhibited by the proposal are, first, a remarkable accuracy in terms of target 3D positioning, and second, a great recovery ability after tracking losses due to insufficient input data. The proposed system for visual-based camera self-positioning uses the observations of moving objects and a schematic map of the passable areas of the environment to infer the absolute sensor position. To this end, a new Bayesian framework combining trajectory observations and map-induced dynamic models for moving objects is designed, which represents an approach to camera positioning never addressed before in the literature. This task is divided into two different sub-tasks, setting ambiguity analysis and approximate position estimation, on the one hand, and position refining, on the other, since they require the design of specific sampling algorithms to correctly exploit the discriminative features of the developed framework. This system, designed for camera positioning and demonstrated in urban traffic environments, can also be applied to different environments and sensors of other modalities after certain required adaptations.
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In this work, a combination of numerical methods applied to thermohydrodynamic lubrication problems with cavitation is presented. It should be emphasized the difficulty of the nonlinear mathematical coupled model involving a free boundary problem, but also the simplicity of the algorithms employed to solve it. So, finite element discretizations for the hydrodynamic and thermal equations combined with upwind techniques for the convection terms and duality methods for nonlinear features are proposed. Additionally, a model describing the movement of the shaft is provided. Considering the shaft as a rigid body this model will consist of an ODE system relating acceleration of the center of gravity and external and pressure loads. The numerical experiments of mechanical stability try to clarify the position of the neutral stability curve. Finally, a rotating machine for ship propulsion involving both axial and radial bearings operating with nonconventional lubricants (seawater to avoid environmental pollution) is analyzed by using laminar and turbulent inertial flows.
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In this work, various turbulent solutions of the two-dimensional (2D) and three-dimensional compressible Reynolds averaged Navier?Stokes equations are analyzed using global stability theory. This analysis is motivated by the onset of flow unsteadiness (Hopf bifurcation) for transonic buffet conditions where moderately high Reynolds numbers and compressible effects must be considered. The buffet phenomenon involves a complex interaction between the separated flow and a shock wave. The efficient numerical methodology presented in this paper predicts the critical parameters, namely, the angle of attack and Mach and Reynolds numbers beyond which the onset of flow unsteadiness appears. The geometry, a NACA0012 profile, and flow parameters selected reproduce situations of practical interest for aeronautical applications. The numerical computation is performed in three steps. First, a steady baseflow solution is obtained; second, the Jacobian matrix for the RANS equations based on a finite volume discretization is computed; and finally, the generalized eigenvalue problem is derived when the baseflow is linearly perturbed. The methodology is validated predicting the 2D Hopf bifurcation for a circular cylinder under laminar flow condition. This benchmark shows good agreement with the previous published computations and experimental data. In the transonic buffet case, the baseflow is computed using the Spalart?Allmaras turbulence model and represents a mean flow where the high frequency content and length scales of the order of the shear-layer thickness have been averaged. The lower frequency content is assumed to be decoupled from the high frequencies, thus allowing a stability analysis to be performed on the low frequency range. In addition, results of the corresponding adjoint problem and the sensitivity map are provided for the first time for the buffet problem. Finally, an extruded three-dimensional geometry of the NACA0012 airfoil, where all velocity components are considered, was also analyzed as a Triglobal stability case, and the outcoming results were compared to the previous 2D limited model, confirming that the buffet onset is well detected.
Resumo:
Las futuras misiones para misiles aire-aire operando dentro de la atmsfera requieren la interceptacin de blancos a mayores velocidades y ms maniobrables, incluyendo los esperados vehculos areos de combate no tripulados. La intercepcin tiene que lograrse desde cualquier ngulo de lanzamiento. Una de las principales discusiones en la tecnologa de misiles en la actualidad es cmo satisfacer estos nuevos requisitos incrementando la capacidad de maniobra del misil y en paralelo, a travs de mejoras en los mtodos de guiado y control modernos. Esta Tesis aborda estos dos objetivos simultneamente, al proponer un diseo integrando el guiado y el control de vuelo (autopiloto) y aplicarlo a misiles con control aerodinmico simultneo en canard y cola. Un primer avance de los resultados obtenidos ha sido publicado recientemente en el Journal of Aerospace Engineering, en Abril de 2015, [Ibarrondo y Sanz-Aranguez, 2015]. El valor del diseo integrado obtenido es que permite al misil cumplir con los requisitos operacionales mencionados empleando nicamente control aerodinmico. El diseo propuesto se compara favorablemente con esquemas ms tradicionales, consiguiendo menores distancias de paso al blanco y necesitando de menores esfuerzos de control incluso en presencia de ruidos. En esta Tesis se demostrar cmo la introduccin del doble mando, donde tanto el canard como las aletas de cola son mviles, puede mejorar las actuaciones de un misil existente. Comparado con un misil con control en cola, el doble control requiere slo introducir dos servos adicionales para accionar los canards tambin en guiada y cabeceo. La seccin de cola ser responsable de controlar el misil en balanceo mediante deflexiones diferenciales de los controles. En el caso del doble mando, la complicacin aadida es que los vrtices desprendidos de los canards se propagan corriente abajo y pueden incidir sobre las superficies de cola, alterando sus caractersticas de control. Como un primer aporte, se ha desarrollado un modelo analtico completo para la aerodinmica no lineal de un misil con doble control, incluyendo la caracterizacin de este efecto de acoplamiento aerodinmico. Hay dos modos de funcionamiento en picado y guiada para un misil de doble mando: desviacin y opuesto. En modo desviacin, los controles actan en la misma direccin, generando un cambio inmediato en la sustentacin y produciendo un movimiento de translacin en el misil. La respuesta es rpida, pero en el modo desviacin los misiles con doble control pueden tener dificultades para alcanzar grandes ngulos de ataque y altas aceleraciones laterales. Cuando los controles actan en direcciones opuestas, el misil rota y el ngulo de ataque del fuselaje se incrementa para generar mayores aceleraciones en estado estacionario, aunque el tiempo de respuesta es mayor. Con el modelo aerodinmico completo, es posible obtener una parametrizacin dependiente de los estados de la dinmica de corto periodo del misil. Debido al efecto de acoplamiento entre los controles, la respuesta en bucle abierto no depende linealmente de los controles. El autopiloto se optimiza para obtener la maniobra requerida por la ley de guiado sin exceder ninguno de los lmites aerodinmicos o mecnicos del misil. Una segunda contribucin de la tesis es el desarrollo de un autopiloto con mltiples entradas de control y que integra la aerodinmica no lineal, controlando los tres canales de picado, guiada y cabeceo de forma simultnea. Las ganancias del autopiloto dependen de los estados del misil y se calculan a cada paso de integracin mediante la resolucin de una ecuacin de Riccati de orden 21x21. Las ganancias obtenidas son sub-ptimas, debido a que una solucin completa de la ecuacin de Hamilton-Jacobi-Bellman no puede obtenerse de manera prctica, y se asumen ciertas simplificaciones. Se incorpora asimismo un mecanismo que permite acelerar la respuesta en caso necesario. Como parte del autopiloto, se define una estrategia para repartir el esfuerzo de control entre el canard y la cola. Esto se consigue mediante un controlador aumentado situado antes del bucle de optimizacin, que minimiza el esfuerzo total de control para maniobrar. Esta ley de alimentacin directa mantiene al misil cerca de sus condiciones de equilibrio, garantizando una respuesta transitoria adecuada. El controlador no lineal elimina la respuesta de fase no-mnima caracterstica de la cola. En esta Tesis se consideran dos diseos para el guiado y control, el control en Doble-Lazo y el control Integrado. En la aproximacin de Doble-Lazo, el autopiloto se sita dentro de un bucle interior y se disea independientemente del guiado, que conforma el bucle ms exterior del control. Esta estructura asume que existe separacin espectral entre los dos, esto es, que los tiempos de respuesta del autopiloto son mucho mayores que los tiempos caractersticos del guiado. En el estudio se combina el autopiloto desarrollado con una ley de guiado ptimo. Los resultados obtenidos demuestran que se consiguen aumentos muy importantes en las actuaciones frente a misiles con control canard o control en cola, y que la interceptacin, cuando se lanza cerca del curso de colisin, se consigue desde cualquier ngulo alrededor del blanco. Para el misil de doble mando, la estrategia ptima resulta en utilizar el modo de control opuesto en la aproximacin al blanco y utilizar el modo de desviacin justo antes del impacto. Sin embargo la lgica de doble bucle no consigue el impacto cuando hay desviaciones importantes con respecto al curso de colisin. Una de las razones es que parte de la demanda de guiado se pierde, ya que el misil solo es capaz de modificar su aceleracin lateral, y no tiene control sobre su aceleracin axial, a no ser que incorpore un motor de empuje regulable. La hiptesis de separacin mencionada, y que constituye la base del Doble-Bucle, puede no ser aplicable cuando la dinmica del misil es muy alta en las proximidades del blanco. Si se combinan el guiado y el autopiloto en un nico bucle, la informacin de los estados del misil est disponible para el clculo de la ley de guiado, y puede calcularse la estrategia optima de guiado considerando las capacidades y la actitud del misil. Una tercera contribucin de la Tesis es la resolucin de este segundo diseo, la integracin no lineal del guiado y del autopiloto (IGA) para el misil de doble control. Aproximaciones anteriores en la literatura han planteado este sistema en ejes cuerpo, resultando en un sistema muy inestable debido al bajo amortiguamiento del misil en cabeceo y guiada. Las simplificaciones que se tomaron tambin causan que el misil se deslice alrededor del blanco y no consiga la intercepcin. En nuestra aproximacin el problema se plantea en ejes inerciales y se recurre a la dinmica de los cuaterniones, eliminado estos inconvenientes. No se limita a la dinmica de corto periodo del misil, porque se construye incluyendo de modo explcito la velocidad dentro del bucle de optimizacin. La formulacin resultante en el IGA es independiente de la maniobra del blanco, que sin embargo se ha de incluir en el clculo del modelo en Doble-bucle. Un tpico inconveniente de los sistemas integrados con controlador proporcional, es el problema de las escalas. Los errores de guiado dominan sobre los errores de posicin del misil y saturan el controlador, provocando la prdida del misil. Este problema se ha tratado aqu con un controlador aumentado previo al bucle de optimizacin, que define un estado de equilibrio local para el sistema integrado, que pasa a actuar como un regulador. Los criterios de actuaciones para el IGA son los mismos que para el sistema de Doble-Bucle. Sin embargo el problema matemtico resultante es muy complejo. El problema ptimo para tiempo finito resulta en una ecuacin diferencial de Riccati con condiciones terminales, que no puede resolverse. Mediante un cambio de variable y la introduccin de una matriz de transicin, este problema se transforma en una ecuacin diferencial de Lyapunov que puede resolverse mediante mtodos numricos. La solucin resultante solo es aplicable en un entorno cercano del blanco. Cuando la distancia entre misil y blanco es mayor, se desarrolla una solucin aproximada basada en la solucin de una ecuacin algebraica de Riccati para cada paso de integracin. Los resultados que se han obtenido demuestran, a travs de anlisis numricos en distintos escenarios, que la solucin integrada es mejor que el sistema de Doble-Bucle. Las trayectorias resultantes son muy distintas. El IGA preserva el guiado del misil y consigue maximizar el uso de la propulsin, consiguiendo la interceptacin del blanco en menores tiempos de vuelo. El sistema es capaz de lograr el impacto donde el Doble-Bucle falla, y adems requiere un orden menos de magnitud en la cantidad de clculos necesarios. El efecto de los ruidos radar, datos discretos y errores del radomo se investigan. El IGA es ms robusto, resultando menos afectado por perturbaciones que el Doble- Bucle, especialmente porque el ncleo de optimizacin en el IGA es independiente de la maniobra del blanco. La estimacin de la maniobra del blanco es siempre imprecisa y contaminada por ruido, y degrada la precisin de la solucin de Doble-Bucle. Finalmente, como una cuarta contribucin, se demuestra que el misil con guiado IGA es capaz de realizar una maniobra de defensa contra un blanco que ataque por su cola, slo con control aerodinmico. Las trayectorias estudiadas consideran una fase pre-programada de alta velocidad de giro, manteniendo siempre el misil dentro de su envuelta de vuelo. Este procedimiento no necesita recurrir a soluciones tcnicamente ms complejas como el control vectorial del empuje o control por chorro para ejecutar esta maniobra. En todas las demostraciones matemticas se utiliza el producto de Kronecker como una herramienta practica para manejar las parametrizaciones dependientes de variables, que resultan en matrices de grandes dimensiones. ABSTRACT Future missions for air to air endo-atmospheric missiles require the interception of targets with higher speeds and more maneuverable, including forthcoming unmanned supersonic combat vehicles. The interception will need to be achieved from any angle and off-boresight launch conditions. One of the most significant discussions in missile technology today is how to satisfy these new operational requirements by increasing missile maneuvering capabilities and in parallel, through the development of more advanced guidance and control methods. This Thesis addresses these two objectives by proposing a novel optimal integrated guidance and autopilot design scheme, applicable to more maneuverable missiles with forward and rearward aerodynamic controls. A first insight of these results have been recently published in the Journal of Aerospace Engineering in April 2015, [Ibarrondo and Sanz-Arnguez, 2015]. The value of this integrated solution is that it allows the missile to comply with the aforementioned requirements only by applying aerodynamic control. The proposed design is compared against more traditional guidance and control approaches with positive results, achieving reduced control efforts and lower miss distances with the integrated logic even in the presence of noises. In this Thesis it will be demonstrated how the dual control missile, where canard and tail fins are both movable, can enhance the capabilities of an existing missile airframe. Compared to a tail missile, dual control only requires two additional servos to actuate the canards in pitch and yaw. The tail section will be responsible to maintain the missile stabilized in roll, like in a classic tail missile. The additional complexity is that the vortices shed from the canard propagate downstream where they interact with the tail surfaces, altering the tail expected control characteristics. These aerodynamic phenomena must be properly described, as a preliminary step, with high enough precision for advanced guidance and control studies. As a first contribution we have developed a full analytical model of the nonlinear aerodynamics of a missile with dual control, including the characterization of this cross-control coupling effect. This development has been produced from a theoretical model validated with reliable practical data obtained from wind tunnel experiments available in the scientific literature, complement with computer fluid dynamics and semi-experimental methods. There are two modes of operating a missile with forward and rear controls, divert and opposite modes. In divert mode, controls are deflected in the same direction, generating an increment in direct lift and missile translation. Response is fast, but in this mode, dual control missiles may have difficulties in achieving large angles of attack and high level of lateral accelerations. When controls are deflected in opposite directions (opposite mode) the missile airframe rotates and the body angle of attack is increased to generate greater accelerations in steady-state, although the response time is larger. With the aero-model, a state dependent parametrization of the dual control missile short term dynamics can be obtained. Due to the cross-coupling effect, the open loop dynamics for the dual control missile is not linearly dependent of the fin positions. The short term missile dynamics are blended with the servo system to obtain an extended autopilot model, where the response is linear with the control fins turning rates, that will be the control variables. The flight control loop is optimized to achieve the maneuver required by the guidance law without exceeding any of the missile aerodynamic or mechanical limitations. The specific aero-limitations and relevant performance indicators for the dual control are set as part of the analysis. A second contribution of this Thesis is the development of a step-tracking multi-input autopilot that integrates non-linear aerodynamics. The designed dual control missile autopilot is a full three dimensional autopilot, where roll, pitch and yaw are integrated, calculating command inputs simultaneously. The autopilot control gains are state dependent, and calculated at each integration step solving a matrix Riccati equation of order 21x21. The resulting gains are sub-optimal as a full solution for the Hamilton-Jacobi-Bellman equation cannot be resolved in practical terms and some simplifications are taken. Acceleration mechanisms with an -shift is incorporated in the design. As part of the autopilot, a strategy is defined for proper allocation of control effort between canard and tail channels. This is achieved with an augmented feed forward controller that minimizes the total control effort of the missile to maneuver. The feedforward law also maintains the missile near trim conditions, obtaining a well manner response of the missile. The nonlinear controller proves to eliminate the non-minimum phase effect of the tail. Two guidance and control designs have been considered in this Thesis: the Two- Loop and the Integrated approaches. In the Two-Loop approach, the autopilot is placed in an inner loop and designed separately from an outer guidance loop. This structure assumes that spectral separation holds, meaning that the autopilot response times are much higher than the guidance command updates. The developed nonlinear autopilot is linked in the study to an optimal guidance law. Simulations are carried on launching close to collision course against supersonic and highly maneuver targets. Results demonstrate a large boost in performance provided by the dual control versus more traditional canard and tail missiles, where interception with the dual control close to collision course is achieved form 365deg all around the target. It is shown that for the dual control missile the optimal flight strategy results in using opposite control in its approach to target and quick corrections with divert just before impact. However the Two-Loop logic fails to achieve target interception when there are large deviations initially from collision course. One of the reasons is that part of the guidance command is not followed, because the missile is not able to control its axial acceleration without a throttleable engine. Also the separation hypothesis may not be applicable for a high dynamic vehicle like a dual control missile approaching a maneuvering target. If the guidance and autopilot are combined into a single loop, the guidance law will have information of the missile states and could calculate the most optimal approach to the target considering the actual capabilities and attitude of the missile. A third contribution of this Thesis is the resolution of the mentioned second design, the non-linear integrated guidance and autopilot (IGA) problem for the dual control missile. Previous approaches in the literature have posed the problem in body axes, resulting in high unstable behavior due to the low damping of the missile, and have also caused the missile to slide around the target and not actually hitting it. The IGA system is posed here in inertial axes and quaternion dynamics, eliminating these inconveniences. It is not restricted to the missile short term dynamic, and we have explicitly included the missile speed as a state variable. The IGA formulation is also independent of the target maneuver model that is explicitly included in the Two-loop optimal guidance law model. A typical problem of the integrated systems with a proportional control law is the problem of scales. The guidance errors are larger than missile state errors during most of the flight and result in high gains, control saturation and loss of control. It has been addressed here with an integrated feedforward controller that defines a local equilibrium state at each flight point and the controller acts as a regulator to minimize the IGA states excursions versus the defined feedforward state. The performance criteria for the IGA are the same as in the Two-Loop case. However the resulting optimization problem is mathematically very complex. The optimal problem in a finite-time horizon results in an irresoluble state dependent differential Riccati equation with terminal conditions. With a change of variable and the introduction of a transition matrix, the equation is transformed into a time differential Lyapunov equation that can be solved with known numerical methods in real time. This solution results range limited, and applicable when the missile is in a close neighborhood of the target. For larger ranges, an approximate solution is used, obtained from solution of an algebraic matrix Riccati equation at each integration step. The results obtained show, by mean of several comparative numerical tests in diverse homing scenarios, than the integrated approach is a better solution that the Two- Loop scheme. Trajectories obtained are very different in the two cases. The IGA fully preserves the guidance command and it is able to maximize the utilization of the missile propulsion system, achieving interception with lower miss distances and in lower flight times. The IGA can achieve interception against off-boresight targets where the Two- Loop was not able to success. As an additional advantage, the IGA also requires one order of magnitude less calculations than the Two-Loop solution. The effects of radar noises, discrete radar data and radome errors are investigated. IGA solution is robust, and less affected by radar than the Two-Loop, especially because the target maneuvers are not part of the IGA core optimization loop. Estimation of target acceleration is always imprecise and noisy and degrade the performance of the two-Loop solution. The IGA trajectories are such that minimize the impact of radome errors in the guidance loop. Finally, as a fourth contribution, it is demonstrated that the missile with IGA guidance is capable of performing a defense against attacks from its rear hemisphere, as a tail attack, only with aerodynamic control. The studied trajectories have a preprogrammed high rate turn maneuver, maintaining the missile within its controllable envelope. This solution does not recur to more complex features in service today, like vector control of the missile thrust or side thrusters. In all the mathematical treatments and demonstrations, the Kronecker product has been introduced as a practical tool to handle the state dependent parametrizations that have resulted in very high order matrix equations.
Resumo:
Debido al gran auge en las comunicaciones mviles, los terminales cada vez son ms finos a la par que ms grandes, pues cada vez los usuarios quieren tener terminales delgados pero con pantallas mayores. Por ello, el objetivo principal del proyecto es aprender y analizar las antenas usadas en los telfonos mviles, concretamente las antenas impresas. En los ltimos aos con el aumento de los servicios ofrecidos por los terminales mviles se han ido aadiendo distintas bandas de frecuencia en las que trabajan estos terminales. Por ello, ha sido necesario disear antenas que no funcionen nicamente en una banda de frecuencia, sino antenas multibanda, es decir, antenas capaces de funcionar en las distintas bandas de frecuencias. Para realizar las simulaciones y pruebas de este proyecto se utiliz el software FEKO, tanto el CAD FEKO como el POST FEKO. El CAD FEKO se emple para el diseo de la antena, mientras que el POST FEKO sirvi para analizar las simulaciones. Por ltimo, hay que aadir que FEKO aunque est basado en el Mtodo de los Momentos (MoM) es una herramienta que puede utilizar varios mtodos numricos. Adems del MoM puede utilizar otras tcnicas (por separado o hibridizadas) como son el Mtodos de Elementos Finitos (FEM), ptica Fsica (PO), Lanzamiento de rayos con ptica Geomtrica (RL-GO), Teora Uniforme de la Difraccin (UTD), Mtodo de las Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo (FDTD), ... ABSTRACT. Because of the boom in mobile communications, terminals are thinner and so large, because users want to thin terminals but with large screens. Therefore, the main objective of the project is to learn and analyse the antennas used in mobile phones, specifically printed antennas. In recent years with the rise of the services offered by mobile terminals have been adding different frequency bands in which these terminals work. For that reason, it has been necessary to design antennas that not work only in a frequency band, but multiband antennas, i.e., antennas capable of operating in different frequency bands. For performing simulations and testing in this project will be used software FEKO, as the CAD FEKO and POST FEKO. The CAD FEKO is used for the design of the antenna, whereas the POST FEKO is used for simulation analysis. Finally, it has to add that FEKO is based on the Method of Moments (MoM) but also it can use several numerical methods. Besides the MoM, FEKO can use other techniques (separated or hybridized) such as the Finite Element Method (FEM), Physical Optics (PO), Ray-launching Geometrical Optics (RL-GO), Uniform Theory of Diffraction (UTD), Finite Difference Time Domain (FDTD)
Resumo:
Para las decisiones urgentes sobre intervenciones quirrgicas en el sistema cardiovascular se necesitan simulaciones computacionales con resultados fiables y que consuman un tiempo de clculo razonable. Durante aos los investigadores han trabajado en diversos mtodos numricos de clculo que resulten atractivos para los cirujanos. Estos mtodos, precisos pero costosos desde el punto de vista del coste computacional, crean un desajuste entre la oferta de los ingenieros que realizan las simulaciones y los mdicos que operan en el quirfano. Por otra parte, los mtodos de clculo ms simplificados reducen el tiempo de clculo pero pueden proporcionar resultados no realistas. El objetivo de esta tesis es combinar los conceptos de autorregulacin e impedancia del sistema circulatorio, la interaccin flujo sanguneo-pared arterial y modelos geomtricos idealizados tridimensionales de las arterias pero sin prdida de realismo, con objeto de proponer una metodologa de simulacin que proporcione resultados correctos y completos, con tiempos de clculo moderados. En las simulaciones numricas, las condiciones de contorno basadas en historias de presin presentan inconvenientes por ser difcil conocerlas con detalle, y porque los resultados son muy sensibles ante pequeas variaciones de dichas historias. La metodologa propuesta se basa en los conceptos de autorregulacin, para imponer la demanda de flujo aguas abajo del modelo en el ciclo cardiaco, y la impedancia, para representar el efecto que ejerce el flujo en el resto del sistema circulatorio sobre las arterias modeladas. De este modo las historias de presin en el contorno son resultados del clculo, que se obtienen de manera iterativa. El mtodo propuesto se aplica en una geometra idealizada del arco artico sin patologas y en otra geometra correspondiente a una diseccin Stanford de tipo A, considerando la interaccin del flujo pulstil con las paredes arteriales. El efecto de los tejidos circundantes tambin se incorpora en los modelos. Tambin se hacen aplicaciones considerando la interaccin en una geometra especifica de un paciente anciano que proviene de una tomografa computarizada. Finalmente se analiza una diseccin Stanford tipo B con tres modelos que incluyen la fenestracin del saco. Clinicians demand fast and reliable numerical results of cardiovascular biomechanic simulations for their urgent pre-surgery decissions. Researchers during many years have work on different numerical methods in order to attract the clinicians' confidence to their colorful contours. Though precise but expensive and time-consuming methodologies create a gap between numerical biomechanics and hospital personnel. On the other hand, simulation simplifications with the aim of reduction in computational time may cause in production of unrealistic outcomes. The main objective of the current investigation is to combine ideas such as autoregulation, impedance, fluid-solid interaction and idealized geometries in order to propose a computationally cheap methodology without excessive or unrealistic simplifications. The pressure boundary conditions are critical and polemic in numerical simulations of cardiovascular system, in which a specific arterial site is of interest and the rest of the netwrok is neglected but represented by a boundary condition. The proposed methodology is a pressure boundary condition which takes advantage of numerical simplicity of application of an imposed pressure boundary condition on outlets, while it includes more sophisticated concepts such as autoregulation and impedance to gain more realistic results. Incorporation of autoregulation and impedance converts the pressure boundary conditions to an active and dynamic boundary conditions, receiving feedback from the results during the numerical calculations and comparing them with the physiological requirements. On the other hand, the impedance boundary condition defines the shapes of the pressure history curves applied at outlets. The applications of the proposed method are seen on idealized geometry of the healthy arotic arch as well as idealized Stanford type A dissection, considering the interaction of the arterial walls with the pulsatile blood flow. The effect of surrounding tissues is incorporated and studied in the models. The simulations continue with FSI analysis of a patient-specific CT scanned geometry of an old individual. Finally, inspiring of the statistic results of mortality rates in Stanford type B dissection, three models of fenestrated dissection sac is studied and discussed. Applying the developed boundary condition, an alternative hypothesis is proposed by the author with respect to the decrease in mortality rates in patients with fenestrations.
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Hoy da nadie discute la importancia de predecir el comportamiento vibroacstico de estructuras (edificios, vehculos aeronaves, satlites). Tambin se ha hecho patente, con el tiempo, que el rango espectral en el que la respuesta es importante se ha desplazado hacia alta frecuencia en prcticamente todos los campos. Esto ha hecho que los mtodos de anlisis en este rango alto de frecuencias cobren importancia y actualidad. Uno de los mtodos ms extendidos para este fin es el basado en el Anlisis Estadstico de la Energa, SEA. Es un mtodo que ha mostrado proporcionar un buen equilibrio entre potencia de calculo, precisin y fiabilidad. En un SEA el sistema (estructura, cavidades o aire circundante) se modela mediante una matriz de coeficientes que dependen directamente de los factores de prdidas de las distintas partes del sistema. Formalmente es un mtodo de anlisis muy cmodo e intuitivo de manejar cuya mayor dificultad es precisamente la determinacin de esos factores de prdidas. El catlogo de expresiones analticas o numricas para su determinacin no es suficientemente amplio por lo que normalmente siempre se suele acabar necesitando hacer uso de herramientas experimentales, ya sea para su obtencin o la comprobacin de los valores utilizados. La determinacin experimental tampoco est exenta de problemas, su obtencin necesita de configuraciones experimentales grandes y complejas con requisitos que pueden llegar a ser muy exigentes y en las que adems, se ven involucrados problemas numricos relacionados con los valores de los propios factores de prdidas, el valor relativo entre ellos y las caractersticas de las matrices que conforman. Este trabajo estudia la caracterizacin de sistemas vibroacsticos mediante el anlisis estadstico de energa. Se centra en la determinacin precisa de los valores de los factores de prdidas. Dados los problemas que puede presentar un sistema experimental de estas caractersticas, en una primera parte se estudia la influencia de todas las magnitudes que intervienen en la determinacin de los factores de prdidas mediante un estudio de incertidumbres relativas, que, por medio de los coeficientes de sensibilidad normalizados, indicar la importancia de cada una de las magnitudes de entrada (esencialmente energas y potencias) en los resultados. De esta parte se obtiene una visin general sobre a qu mensurados se debe prestar ms atencin, y de qu problemas pueden ser los que ms influyan en la falta de estabilidad (o incoherencia) de los resultados. Adems, proporciona un modelo de incertidumbres vlido para los casos estudiados y ha permitido evaluar el error cometido por algn mtodo utilizado habitualmente para la caracterizacin de factores de prdidas como la aproximacin a 2 subsistemas En una segunda parte se hace uso de las conclusiones obtenidas en la primera, de forma que el trabajo se orienta en dos direcciones. Una dirigida a la determi nacin suficientemente fiel de la potencia de entrada que permita simplificar en lo posible la configuracin experimental. Otra basada en un anlisis detallado de las propiedades de la matriz que caracteriza un SEA y que conduce a la propuesta de un mtodo para su determinacin robusta, basada en un filtrado de Montecarlo y que, adems, muestra cmo los problemas numricos de la matriz SEA pueden no ser tan insalvables como se apunta en la literatura. Por ltimo, adems, se plantea una solucin al caso en el que no todos los subsistemas en los que se divide el sistema puedan ser excitados. El mtodo propuesto aqu no permite obtener el conjunto completo de coeficientes necesarios para definir un sistema, pero el solo hecho de poder obtener conjuntos parciales ya es un avance importante y, sobre todo, abre la puerta al desarrollo de mtodos que permitan relajar de forma importante las exigencias que la determinacin experimental de matrices SEA tiene. ABSTRACT At present there is an agreement about the importance to predict the vibroacoustic response of structures (buildings, vehicles, aircrafts, satellites, etc.). In addition, there has become clear over the time that the frequency range over which the response is important has been shift to higher frequencies in almost all the engineering fields. As a consequence, the numerical methods for high frequency analysis have increase in importance. One the most widespread methods for this type of analysis is the one based on the Statistical Energy Analysis, SEA. This method has shown to provide a good balance among calculation power, accuracy and liability. Within a SEA, a system (structure, cavities, surrounding air) is modeled by a coefficients matrix that depends directly on the loss factors of the different parts of the system. Formally, SEA is a very handy and intuitive analysis method whose greatest handicap is precisely the determination of the loss factors. The existing set of analytical or numerical equations to obtain the loss factor values is not enough, so that usually it is necessary to use experimental techniques whether it is to its determination to to check the estimated values by another mean. The experimental determination presents drawbacks, as well. To obtain them great and complex experimental setups are needed including requirements that can be very demanding including numerical problems related to the values of the loss factors themselves, their relative value and the characteristics of the matrices they define. The present work studies the characterization of vibroacousti systems by this SEA method. It focuses on the accurate determination of the loss factors values. Given all the problems an experimental setup of these characteristics can show, the work is divided in two parts. In the first part, the influence of all the quantities involved on the determination of the loss factors is studied by a relative uncertainty estimation, which, by means of the normalised sensitivity coefficients, will provide an insight about the importance of every input quantities (energies and input powers, mainly) on the final result. Besides, this part, gives an uncertainty model that has allowed assessing the error of one of the methods more widely used to characterize the loss factors: the 2-subsystem approach. In the second part, use of the former conclusions is used. An equation for the input power into the subsystems is proposed. This equation allows simplifying the experimental setup without changing the liability of the test. A detailed study of the SEA matrix properties leads to propose a robust determination method of this SEA matrix by a Monte Carlo filtering. In turn, this new method shows how the numerical problems of the SEA matrix can be overcome Finally, a solution is proposed for the case where not all the subsystems are excited. The method proposed do not allows obtaining the whole set of coefficients of the SEA matrix, but the simple fact of getting partial sets of loss factors is a significant advance and, over all, it opens the door to the development of new methods that loosen the requirements that an experimental determination of a SEA matrix have.
Resumo:
El documento presentado contiene una aproximacin a algunos de los diversos problemas actuales existentes en el campo de la robtica paralela. Primeramente se hace una propuesta para el clculo de los parmetros estructurales de los robots paralelos, mediante el desarrollo de una metodologa que combina las herramientas del estudio de mecanismos con el lgebra lineal; en una segunda seccin se propone la solucin del problema geomtrico directo a partir de la definicin de ecuaciones de restriccin y su respectiva solucin usando mtodos numricos, as como la solucin para el problema geomtrico inverso; en la tercera parte se aborda el problema dinmico tanto directo como inverso y su solucin a partir de una metodologa basada en el mtodo de Kane o de trabajos virtuales. Para las propuestas metodolgicas expuestas se han desarrollado ejemplos de aplicacin tanto tericos como prcticos (simulaciones y pruebas fsicas), donde se demuestra su alcance y desempeo, mediante su utilizacin en mltiples configuraciones para manipuladores paralelos, entre los que se destacan la plataforma Stewart Gough, y el 3-RRR. Todo con el objetivo de extender su aplicacin en futuros trabajos de investigacin en el rea. ABSTRACT The document presented below provides an approach to some of the many current problems existing in the field of parallel robotics. First is maked a proposal for calculating the structural parameters of the parallel robots, through developing a methodology that combines tools to study mechanisms with the linear algebra; a second section contains a direct geometrical problem solution from the definition of constraint equations and their respective solution using numerical methods, as well as the solution to the inverse geometric problem; in the third part, both, direct and inverse dynamic problem and its solution based on methodology Kane or the method of virtual work are propossed. For each of the exposed methodological proposals they were developed examples of both theoretical and practical application (simulations and physical tests), where its scope and performance is demonstrated by its use in multiple configurations for parallel manipulators, among which stand out the platform Stewart Gough, and 3-RRR. All with the goal of extending its application in future research in the area.
Resumo:
We analyze a simple model of the heat transfer to and from a small satellite orbiting round a solar system planet. Our approach considers the satellite isothermal, with external heat input from the environment and from internal energy dissipation, and output to the environment as black-body radiation. The resulting nonlinear ordinary differential equation for the satellites temperature is analyzed by qualitative, perturbation and numerical methods, which prove that the temperature approaches a periodic pattern (attracting limit cycle). This approach can occur in two ways, according to the values of the parameters: (i) a slow decay towards the limit cycle over a time longer than the period, or (ii) a fast decay towards the limit cycle over a time shorter than the period. In the first case, an exactly soluble average equation is valid. We discuss the consequences of our model for the thermal stability of satellites.