Aplicaci��n de la regresi��n log��stica en la predicci��n emp��rica de fen��menos complejos en obras subterr��neas : squeezing y rotura de pilares de carb��n

La heterogeneidad del medio geol��gico introduce en el proyecto de obra subterr��nea un alto grado de incertidumbre que debe ser debidamente gestionado a fin de reducir los riesgos asociados, que son fundamentalmente de tipo geot��cnico. Entre los principales problemas a los que se enfrenta la Mec��nica de Rocas moderna en el ��mbito de la construcci��n subterr��nea, se encuentran la fluencia de roca en t��neles (squeezing) y la rotura de pilares de carb��n. Es ampliamente conocido que su aparici��n causa importantes perjuicios en el coste y la seguridad de los proyectos por lo que su estudio, ha estado tradicionalmente vinculado a la predicci��n de su ocurrencia. Entre las soluciones existentes para la determinaci��n de estos problemas se encuentran las que se basan en m��todos anal��ticos y num��ricos. Estas metodolog��as son capaces de proporcionar un alto nivel de representatividad respecto del comportamiento geot��cnico real, sin embargo, su utilizaci��n solo es posible cuando se dispone de una suficiente caracterizaci��n geot��cnica y por tanto de una detallada definici��n de los par��metros que alimentan los complejos modelos constitutivos y criterios de rotura que los fen��menos estudiados requieren. Como es l��gico, este nivel de definici��n solo es posible cuando se alcanzan etapas avanzadas de proyecto, incluso durante la propia construcci��n, a fin de calibrar adecuadamente los par��metros introducidos en los modelos, lo que supone una limitaci��n de uso en etapas iniciales, cuando su predicci��n tiene verdadero sentido. Por su parte, los m��todos emp��ricos permiten proporcionar soluciones a estos complejos problemas de un modo sencillo, con una baja parametrizaci��n 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 par��metros utilizados permiten a estas metodolog��as ser utilizadas desde las fases preliminares del proyecto, ya que estos constituyen en general, informaci��n habitual de f��cil y econ��mica adquisici��n. Este aspecto permite por tanto incorporar la predicci��n desde el principio del proceso de dise��o, anticipando el riesgo en origen. En esta tesis doctoral, se presenta una nueva metodolog��a emp��rica que sirve para proporcionar predicciones para la ocurrencia de squeezing y el fallo de pilares de carb��n basada en una extensa recopilaci��n de informaci��n de casos reales de t��neles y minas en las que ambos fen��menos fueron evaluados. Esta informaci��n, recogida de referencias bibliogr��ficas de prestigio, ha permitido recopilar una de las m��s extensas bases de datos existentes hasta la fecha relativa a estos fen��menos, lo que supone en s�� mismo una importante contribuci��n sobre el estado del arte. Con toda esta informaci��n, y con la ayuda de la teor��a de clasificadores estad��sticos, se ha implementado sobre las bases de datos un clasificador lineal de tipo regresi��n log��stica que permite hacer predicciones sobre la ocurrencia de ambos fen��menos en t��rminos de probabilidad, y por tanto ponderar la incertidumbre asociada a la heterogeneidad incorporada por el medio geol��gico. Este aspecto del desarrollo es el verdadero valor a��adido proporcionado por la tesis y la principal ventaja de la soluci��n propuesta respecto de otras metodolog��as emp��ricas. Esta capacidad de ponderaci��n probabil��stica permite al clasificador constituir una soluci��n muy interesante como metodolog��a para la evaluaci��n de riesgo geot��cnico y la toma de decisiones. De hecho, y como ejercicio de validaci��n pr��ctica, se ha implementado la soluci��n desarrollada en un modelo coste-beneficio asociado a la optimizaci��n del dise��o de pilares involucrados en una de mina ���virtual��� explotada por tajos largos. La capacidad del clasificador para cuantificar la probabilidad de fallo del dise��o, junto con una adecuada cuantificaci��n 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 configuraci��n de la mina, maximizar el resultado econ��mico 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.

Human-robot interaction for telemanipulation in large workspaces

Independientemente de la existencia de t��cnicas altamente sofisticadas y capacidades de c��mputo cada vez m��s elevadas, los problemas asociados a los robots que interact��an con entornos no estructurados siguen siendo un desaf��o abierto en rob��tica. A pesar de los grandes avances de los sistemas rob��ticos aut��nomos, hay algunas situaciones en las que una persona en el bucle sigue siendo necesaria. Ejemplos de esto son, tareas en entornos de fusi��n nuclear, misiones espaciales, operaciones submarinas y cirug��a rob��tica. Esta necesidad se debe a que las tecnolog��as actuales no pueden realizar de forma fiable y aut��noma cualquier tipo de tarea. Esta tesis presenta m��todos para la teleoperaci��n de robots abarcando distintos niveles de abstracci��n 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 se��ales de control de bajo nivel. En primer lugar, se presenta un enfoque para llevar a cabo la teleoperaci��n supervisada de robots humanoides. El objetivo es controlar robots terrestres capaces de ejecutar tareas complejas en entornos de b��squeda y rescate utilizando enlaces de comunicaci��n limitados. Esta propuesta incorpora comportamientos aut��nomos que el operador puede utilizar para realizar tareas de navegaci��n y manipulaci��n mientras se permite cubrir grandes ��reas de entornos remotos dise��ados para el acceso de personas. Los resultados experimentales demuestran la eficacia de los m��todos propuestos. En segundo lugar, se investiga el uso de dispositivos rentables para telemanipulaci��n guiada. Se presenta una aplicaci��n que involucra un robot humanoide bimanual y un traje de captura de movimiento basado en sensores inerciales. En esta aplicaci��n, se estudian las capacidades de adaptaci��n introducidas por el factor humano y c��mo estas pueden compensar la falta de sistemas rob��ticos de alta precisi��n. Este trabajo es el resultado de una colaboraci��n entre investigadores del Biorobotics Laboratory de la Universidad de Harvard y el Centro de Autom��tica y Rob��tica UPM-CSIC. En tercer lugar, se presenta un nuevo controlador h��ptico que combina velocidad y posici��n. Este controlador bilateral h��brido hace frente a los problemas relacionados con la teleoperaci��n de un robot esclavo con un gran espacio de trabajo usando un dispositivo h��ptico peque��o como maestro. Se pueden cubrir amplias ��reas de trabajo al cambiar autom��ticamente entre los modos de control de velocidad y posici��n. Este controlador h��ptico es ideal para sistemas maestro-esclavo con cinem��ticas diferentes, donde los comandos se transmiten en el espacio de la tarea del entorno remoto. El m��todo es validado para realizar telemanipulaci��n h��bil de objetos con un robot industrial. Por ��ltimo, se introducen dos contribuciones en el campo de la manipulaci��n rob��tica. Por un lado, se presenta un nuevo algoritmo de cinem��tica inversa, llamado m��todo iterativo de desacoplamiento cinem��tico. Este m��todo se ha desarrollado para resolver el problema cinem��tico inverso de un tipo de robot de seis grados de libertad donde una soluci��n cerrada no est�� disponible. La eficacia del m��todo se compara con m��todos num��ricos convencionales. Adem��s, se ha dise��ado una taxonom��a robusta de agarres que permite controlar diferentes manos rob��ticas utilizando una correspondencia, basada en gestos, entre los espacios de trabajo de la mano humana y de la mano rob��tica. 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.

One-dimensional self-similar solution of the dynamics of axisymmetric slender liquid bridges

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.

Towards cost reduction in concentrating solar power: innovative design for an efficient fresnel based solar field

Energ��a termosolar (de concentraci��n) es uno de los nombres que hacen referencia en espa��ol al t��rmino ingl��s ���concentrating solar power���. Se trata de una tecnolog��a basada en la captura de la potencia t��rmica de la radiaci��n solar, de forma que permita alcanzar temperaturas capaces de alimentar un ciclo termodin��mico convencional (o avanzado); el futuro de esta tecnolog��a depende principalmente de su capacidad para concentrar la radiaci��n solar de manera eficiente y econ��mica. La presente tesis est�� orientada hacia la resoluci��n de ciertos problemas importantes relacionados con este objetivo. La mencionada necesidad de reducir costes en la concentraci��n de radiaci��n solar directa, asegurando el objetivo termodin��mico de calentar un fluido hasta una determinada temperatura, es de vital importancia. Los colectores lineales Fresnel han sido identificados en la literatura cient��fica como una tecnolog��a con gran potencial para alcanzar esta reducci��n de costes. Dicha tecnolog��a ha sido seleccionada por numerosas razones, entre las que destacan su gran libertad de dise��o y su actual estado inmaduro. Con el objetivo de responder a este desaf��o se desarrollado un detallado estudio de las propiedades ��pticas de los colectores lineales Fresnel, para lo cual se han utilizado m��todos anal��ticos y num��ricos de manera combinada. En primer lugar, se han usado unos modelos para la predicci��n de la localizaci��n y la irradiaci��n normal directa del sol junto a unas relaciones anal��ticas desarrolladas para estudiar el efecto de m��ltiples variables de dise��o en la energ��a incidente sobre los espejos. Del mismo modo, se han obtenido anal��ticamente 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 comparaci��n de diferentes formas de espejo ���planos, circulares o parab��licos���, as�� como el dise��o preliminar de la localizaci��n y anchura de los espejos y receptor sin necesidad de costosos m��todos num��ricos. En segundo lugar, se ha desarrollado un modelo de trazado de rayos de Monte Carlo con el objetivo de comprobar la validez del estudio anal��tico, pero sobre todo porque este no es preciso en el estudio de la reflexi��n en espejos. El c��digo desarrollado est�� espec��ficamente ideado para colectores lineales Fresnel, lo que ha permitido la reducci��n del tiempo de c��lculo en varios ��rdenes de magnitud en comparaci��n con un programa comercial m��s general. Esto justifica el desarrollo de un nuevo c��digo en lugar de la compra de una licencia de otro programa. El modelo ha sido usado primeramente para comparar la intensidad de flujo t��rmico y rendimiento de colectores Fresnel, con y sin reflector secundario, con los colectores cil��ndrico parab��licos. Finalmente, la conjunci��n de los resultados obtenidos en el estudio anal��tico con el programa num��rico ha sido usada para optimizar el campo solar para diferentes orientaciones ���Norte-Sur y Este-Oeste���, diferentes localizaciones ���Almer��a y Aswan���, diferentes inclinaciones hacia el Tr��pico ���desde 0 deg hasta 32 deg��� y diferentes m��nimos 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 dise��ar un campo solar Fresnel. En primer lugar, los espejos utilizados no deben ser plano, sino cil��ndricos o parab��licos, ya que los espejos curvos implican mayores concentraciones y rendimiento. Por otro lado, se ha llegado a la conclusi��n de que la orientaci��n Este-Oeste es m��s propicia para localizaciones con altas latitudes, como Almer��a, mientras que en zonas m��s cercanas a los tr��picos como Aswan los campos Norte-Sur conducen a mayores rendimientos. Es de destacar que la orientaci��n Este-Oeste requiere aproximadamente la mitad de espejos que los campos Norte-Sur, puediendo estar inclinados hacia los Tr��picos para mejorar el rendimiento, y que alcanzan parecidos valores de intensidad t��rmica en el receptor todos los d��as a mediod��a. Sin embargo, los campos con orientaci��n Norte-Sur permiten un flujo m��s constante a lo largo de un d��a. Por ��ltimo, ha sido demostrado que el uso de dise��os pre-optimizados anal��ticamente, con anchura de espejos y espaciado entre espejos variables a lo ancho del campo, pueden implicar aumentos de la energ��a generada por metro cuadrado de espejos de hasta el 6%. El rendimiento ��ptico anual de los colectores cil��ndrico parab��licos es 23 % mayor que el rendimiento de los campos Fresnel en Almer��a, mientras que la diferencia es de solo 9 % en Aswan. Ello implica que, para alcanzar el mismo precio de electricidad que la tecnolog��a de referencia, la reducci��n de costes de instalaci��n por metro cuadrado de espejo debe estar entre el 10 % y el 25 %, y que los colectores lineales Fresnel tienen m��s 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 variaci��n del flujo t��rmico en el receptor a lo largo del d��a, especialmente para campos con orientaci��n Este-Oeste. Este invento permitir��a el aprovechamiento de la energ��a incidente durante m��s parte del a��o, aumentando de manera apreciable los rendimientos ��ptico y t��rmico. 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 ���Almer��a 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 Almer��a, 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 Almer��a, 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.

Metodolog��a de simulaci��n del almacenamiento geol��gico de CO2 como contribuci��n a la soluci��n al problema del Cambio Clim��tico, aplicada a la estructura BG-GE-08 (oeste de la Comunidad de Murcia)

Una de las medidas de mitigaci��n del Cambio Clim��tico propuestas al amparo de la ONU por el IPCC (Intergovermental Panel on Climate Change) en su ���Informe de S��ntesis 2007��� consiste en la puesta en marcha de acciones para la captaci��n y almacenamiento de di��xido de carbono, existiendo tres tipos de formaciones geol��gicas id��neas para el almacenamiento geol��gico de este gas: yacimientos de petr��leo y gas agotados, capas de carb��n 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 obtenci��n de datos geol��gicos del subsuelo en una cierta estructura seleccionada, cuyas caracter��sticas pueden ser a priori id��neas para la inyecci��n y almacenamiento del gas. Por este motivo la soluci��n para poder analizar la viabilidad de un proyecto de almacenamiento en una estructura geol��gica pasa por la simulaci��n num��rica a partir de la modelizaci��n 3D del yacimiento. Los m��todos num��ricos permiten simular la inyecci��n de un caudal determinado de di��xido de carbono desde un pozo de inyecci��n localizado en una formaci��n salina. En la presente tesis se ha definido una metodolog��a de simulaci��n de almacenamiento geol��gico de CO2, como contribuci��n a la soluci��n al problema del Cambio Clim��tico, aplicada de forma concreta a la estructura BG-GE-08 (oeste de la Comunidad de Murcia). Esta estructura geol��gica ha sido catalogada por el IGME (Instituto Geol��gico y Minero de Espa��a) como id��nea para el almacenamiento de di��xido de carbono, dada la existencia de una capa almac��n 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.

An��lisis de viabilidad para almacenamiento de Co2 en la estructura geol��gica Villameriel (Palencia)

El presente proyecto lleva a cabo un an��lisis de la viabilidad de la estructura geol��gica Villameriel, situada en la provincia de Palencia, para el almacenamiento geol��gico profundo de CO2. Las dos medidas determinadas para su an��lisis ser��n la determinaci��n de la cantidad de CO2 que se puede inyectar en la formaci��n y el comportamiento del mismo en su interior durante los pr��ximos 100 a��os. Para calcular estas medidas utilizamos la simulaci��n num��rica, a trav��s de dos programas de SCHLUMBERGER. El primero, PETREL, dise��ando un modelo est��tico que escenifique las propiedades del medio geol��gico lo m��s real posible, llamado modelo est��tico. El segundo, ECLIPSE300, que simula el comportamiento del fluido seg��n entra en la formaci��n y a lo largo de todo el per��odo de estudio. Como conclusi��n final llevaremos a cabo un estudio econ��mico 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.

Bayesian scene analysis for multi-camera 3D tracking and camera positioning

Los sistemas de seguimiento mono-c��mara han demostrado su notable capacidad para el an��lisis de trajectorias de objectos m��viles y para monitorizaci��n de escenas de inter��s; sin embargo, tanto su robustez como sus posibilidades en cuanto a comprensi��n sem��ntica de la escena est��n 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 extensi��n de las posibilidades de los sistemas de seguimiento de objetos m��viles para lograr un mayor grado de robustez y comprensi��n de la escena. La extensi��n 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 m��viles observados directamente por las c��maras del sistema; dicha extensi��n se logra mediante el desarrollo de un sistema multi-c��mara de seguimiento 3D, capaz de proporcionar consistentemente las posiciones 3D de m��ltiples objetos a partir de las observaciones capturadas por un conjunto de sensores calibrados y con campos de visi��n solapados. La segunda extensi��n puede considerarse global, dado que su objetivo consiste en proporcionar un contexto global para relacionar las observaciones locales realizadas por una c��mara con una escena de mucho mayor tama��o; para ello se propone un sistema autom��tico de localizaci��n de c��maras basado en las trayectorias observadas de varios objetos m��viles y en un mapa esquem��tico de la escena global monitorizada. Ambas l��neas de investigaci��n se tratan utilizando, como marco com��n, t��cnicas de estimaci��n bayesiana: esta elecci��n est�� justificada por la versatilidad y flexibilidad proporcionada por dicho marco estad��stico, que permite la combinaci��n natural de m��ltiples fuentes de informaci��n sobre los par��metros a estimar, as�� como un tratamiento riguroso de la incertidumbre asociada a las mismas mediante la inclusi��n de modelos de observaci��n espec��ficamente dise��ados. Adem��s, el marco seleccionado abre grandes posibilidades operacionales, puesto que permite la creaci��n de diferentes m��todos num��ricos adaptados a las necesidades y caracter��sticas espec��ficas de distintos problemas tratados. El sistema de seguimiento 3D con m��ltiples c��maras propuesto est�� espec��ficamente dise��ado para permitir descripciones esquem��ticas de las medidas realizadas individualmente por cada una de las c��maras del sistema: esta elecci��n de dise��o, por tanto, no asume ning��n algoritmo espec��fico de detecci��n 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 t��rminos de procesamiento como de transmision. La combinaci��n robusta de las observaciones capturadas individualmente por las c��maras, ruidosas, incompletas y probablemente contaminadas por falsas detecciones, se basa en un metodo de asociaci��n bayesiana basado en geometr��a y color: los resultados de dicha asociaci��n permiten el seguimiento 3D de los objetos de la escena mediante el uso de un filtro de part��culas. El sistema de fusi��n de observaciones propuesto tiene, como principales caracter��sticas, una gran precisi��n en t��rminos de localizaci��n 3D de objetos, y una destacable capacidad de recuperaci��n tras eventuales errores debidos a un n��mero insuficiente de datos de entrada. El sistema autom��tico de localizaci��n de c��maras se basa en la observaci��n de m��ltiples objetos m��viles y un mapa esquem��tico de las ��reas transitables del entorno monitorizado para inferir la posici��n absoluta de dicho sensor. Para este prop��sito, se propone un novedoso marco bayesiano que combina modelos din��micos inducidos por el mapa en los objetos m��viles presentes en la escena con las trayectorias observadas por la c��mara, lo que representa un enfoque nunca utilizado en la literatura existente. El sistema de localizaci��n se divide en dos sub-tareas diferenciadas, debido a que cada una de estas tareas requiere del dise��o de algoritmos espec��ficos de muestreo para explotar en profundidad las caracter��sticas del marco desarrollado: por un lado, an��lisis de la ambig��edad del caso espec��ficamente tratado y estimaci��n aproximada de la localizaci��n de la c��mara, y por otro, refinado de la localizaci��n de la c��mara. El sistema completo, dise��ado y probado para el caso espec��fico de localizaci��n de c��maras en entornos de tr��fico urbano, podr��a tener aplicaci��n tambi��n 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.

Some aspects of lubrication in heavy regimes: thermal effects, stability and turbulence

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.

Direct and adjoint global stability analysis of turbulent transonic flows over a NACA0012 profile

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.

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

Las futuras misiones para misiles aire-aire operando dentro de la atm��sfera requieren la interceptaci��n de blancos a mayores velocidades y m��s maniobrables, incluyendo los esperados veh��culos a��reos de combate no tripulados. La intercepci��n tiene que lograrse desde cualquier ��ngulo de lanzamiento. Una de las principales discusiones en la tecnolog��a de misiles en la actualidad es c��mo satisfacer estos nuevos requisitos incrementando la capacidad de maniobra del misil y en paralelo, a trav��s de mejoras en los m��todos de guiado y control modernos. Esta Tesis aborda estos dos objetivos simult��neamente, al proponer un dise��o integrando el guiado y el control de vuelo (autopiloto) y aplicarlo a misiles con control aerodin��mico simult��neo 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 dise��o integrado obtenido es que permite al misil cumplir con los requisitos operacionales mencionados empleando ��nicamente control aerodin��mico. El dise��o propuesto se compara favorablemente con esquemas m��s 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�� c��mo la introducci��n del doble mando, donde tanto el canard como las aletas de cola son m��viles, puede mejorar las actuaciones de un misil existente. Comparado con un misil con control en cola, el doble control requiere s��lo introducir dos servos adicionales para accionar los canards tambi��n en gui��ada y cabeceo. La secci��n de cola ser�� responsable de controlar el misil en balanceo mediante deflexiones diferenciales de los controles. En el caso del doble mando, la complicaci��n a��adida es que los v��rtices desprendidos de los canards se propagan corriente abajo y pueden incidir sobre las superficies de cola, alterando sus caracter��sticas de control. Como un primer aporte, se ha desarrollado un modelo anal��tico completo para la aerodin��mica no lineal de un misil con doble control, incluyendo la caracterizaci��n de este efecto de acoplamiento aerodin��mico. Hay dos modos de funcionamiento en picado y gui��ada para un misil de doble mando: ���desviaci��n��� y ���opuesto���. En modo ���desviaci��n���, los controles act��an en la misma direcci��n, generando un cambio inmediato en la sustentaci��n y produciendo un movimiento de translaci��n en el misil. La respuesta es r��pida, pero en el modo ���desviaci��n��� los misiles con doble control pueden tener dificultades para alcanzar grandes ��ngulos de ataque y altas aceleraciones laterales. Cuando los controles act��an 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 aerodin��mico completo, es posible obtener una parametrizaci��n dependiente de los estados de la din��mica 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 l��mites aerodin��micos o mec��nicos del misil. Una segunda contribuci��n de la tesis es el desarrollo de un autopiloto con m��ltiples entradas de control y que integra la aerodin��mica no lineal, controlando los tres canales de picado, gui��ada y cabeceo de forma simult��nea. Las ganancias del autopiloto dependen de los estados del misil y se calculan a cada paso de integraci��n mediante la resoluci��n de una ecuaci��n de Riccati de orden 21x21. Las ganancias obtenidas son sub-��ptimas, debido a que una soluci��n completa de la ecuaci��n de Hamilton-Jacobi-Bellman no puede obtenerse de manera pr��ctica, 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 optimizaci��n, que minimiza el esfuerzo total de control para maniobrar. Esta ley de alimentaci��n 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-m��nima caracter��stica de la cola. En esta Tesis se consideran dos dise��os para el guiado y control, el control en Doble-Lazo y el control Integrado. En la aproximaci��n de Doble-Lazo, el autopiloto se sit��a dentro de un bucle interior y se dise��a independientemente del guiado, que conforma el bucle m��s exterior del control. Esta estructura asume que existe separaci��n espectral entre los dos, esto es, que los tiempos de respuesta del autopiloto son mucho mayores que los tiempos caracter��sticos 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 interceptaci��n, cuando se lanza cerca del curso de colisi��n, 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 aproximaci��n al blanco y utilizar el modo de desviaci��n justo antes del impacto. Sin embargo la l��gica de doble bucle no consigue el impacto cuando hay desviaciones importantes con respecto al curso de colisi��n. Una de las razones es que parte de la demanda de guiado se pierde, ya que el misil solo es capaz de modificar su aceleraci��n lateral, y no tiene control sobre su aceleraci��n axial, a no ser que incorpore un motor de empuje regulable. La hip��tesis de separaci��n mencionada, y que constituye la base del Doble-Bucle, puede no ser aplicable cuando la din��mica del misil es muy alta en las proximidades del blanco. Si se combinan el guiado y el autopiloto en un ��nico bucle, la informaci��n de los estados del misil est�� disponible para el c��lculo de la ley de guiado, y puede calcularse la estrategia optima de guiado considerando las capacidades y la actitud del misil. Una tercera contribuci��n de la Tesis es la resoluci��n de este segundo dise��o, la integraci��n 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 gui��ada. Las simplificaciones que se tomaron tambi��n causan que el misil se deslice alrededor del blanco y no consiga la intercepci��n. En nuestra aproximaci��n el problema se plantea en ejes inerciales y se recurre a la din��mica de los cuaterniones, eliminado estos inconvenientes. No se limita a la din��mica de corto periodo del misil, porque se construye incluyendo de modo expl��cito la velocidad dentro del bucle de optimizaci��n. La formulaci��n resultante en el IGA es independiente de la maniobra del blanco, que sin embargo se ha de incluir en el c��lculo del modelo en Doble-bucle. Un t��pico inconveniente de los sistemas integrados con controlador proporcional, es el problema de las escalas. Los errores de guiado dominan sobre los errores de posici��n del misil y saturan el controlador, provocando la p��rdida del misil. Este problema se ha tratado aqu�� con un controlador aumentado previo al bucle de optimizaci��n, 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 matem��tico resultante es muy complejo. El problema ��ptimo para tiempo finito resulta en una ecuaci��n diferencial de Riccati con condiciones terminales, que no puede resolverse. Mediante un cambio de variable y la introducci��n de una matriz de transici��n, este problema se transforma en una ecuaci��n diferencial de Lyapunov que puede resolverse mediante m��todos num��ricos. La soluci��n resultante solo es aplicable en un entorno cercano del blanco. Cuando la distancia entre misil y blanco es mayor, se desarrolla una soluci��n aproximada basada en la soluci��n de una ecuaci��n algebraica de Riccati para cada paso de integraci��n. Los resultados que se han obtenido demuestran, a trav��s de an��lisis num��ricos en distintos escenarios, que la soluci��n 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 propulsi��n, consiguiendo la interceptaci��n del blanco en menores tiempos de vuelo. El sistema es capaz de lograr el impacto donde el Doble-Bucle falla, y adem��s requiere un orden menos de magnitud en la cantidad de c��lculos necesarios. El efecto de los ruidos radar, datos discretos y errores del radomo se investigan. El IGA es m��s robusto, resultando menos afectado por perturbaciones que el Doble- Bucle, especialmente porque el n��cleo de optimizaci��n en el IGA es independiente de la maniobra del blanco. La estimaci��n de la maniobra del blanco es siempre imprecisa y contaminada por ruido, y degrada la precisi��n de la soluci��n de Doble-Bucle. Finalmente, como una cuarta contribuci��n, se demuestra que el misil con guiado IGA es capaz de realizar una maniobra de defensa contra un blanco que ataque por su cola, s��lo con control aerodin��mico. 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 t��cnicamente m��s complejas como el control vectorial del empuje o control por chorro para ejecutar esta maniobra. En todas las demostraciones matem��ticas 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-Ar��nguez, 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.

Antenas b��sicas para comunicaciones m��viles

Debido al gran auge en las comunicaciones m��viles, los terminales cada vez son m��s finos a la par que m��s 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 tel��fonos m��viles, concretamente las antenas impresas. En los ��ltimos a��os con el aumento de los servicios ofrecidos por los terminales m��viles se han ido a��adiendo distintas bandas de frecuencia en las que trabajan estos terminales. Por ello, ha sido necesario dise��ar 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 dise��o de la antena, mientras que el POST FEKO sirvi�� para analizar las simulaciones. Por ��ltimo, hay que a��adir que FEKO aunque est�� basado en el M��todo de los Momentos (MoM) es una herramienta que puede utilizar varios m��todos num��ricos. Adem��s del MoM puede utilizar otras t��cnicas (por separado o hibridizadas) como son el M��todos de Elementos Finitos (FEM), ��ptica F��sica (PO), Lanzamiento de rayos con ��ptica Geom��trica (RL-GO), Teor��a Uniforme de la Difracci��n (UTD), M��todo 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) ���

Pulsatile blood flow interaction with arterial walls of aorta : autoregulation and impedance pressure boundary condition and its biomedical applications

Para las decisiones urgentes sobre intervenciones quir��rgicas en el sistema cardiovascular se necesitan simulaciones computacionales con resultados fiables y que consuman un tiempo de c��lculo razonable. Durante a��os los investigadores han trabajado en diversos m��todos num��ricos de c��lculo que resulten atractivos para los cirujanos. Estos m��todos, 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 m��dicos que operan en el quir��fano. Por otra parte, los m��todos de c��lculo m��s simplificados reducen el tiempo de c��lculo pero pueden proporcionar resultados no realistas. El objetivo de esta tesis es combinar los conceptos de autorregulaci��n e impedancia del sistema circulatorio, la interacci��n flujo sangu��neo-pared arterial y modelos geom��tricos idealizados tridimensionales de las arterias pero sin p��rdida de realismo, con objeto de proponer una metodolog��a de simulaci��n que proporcione resultados correctos y completos, con tiempos de c��lculo moderados. En las simulaciones num��ricas, las condiciones de contorno basadas en historias de presi��n presentan inconvenientes por ser dif��cil conocerlas con detalle, y porque los resultados son muy sensibles ante peque��as variaciones de dichas historias. La metodolog��a propuesta se basa en los conceptos de autorregulaci��n, 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 presi��n en el contorno son resultados del c��lculo, que se obtienen de manera iterativa. El m��todo propuesto se aplica en una geometr��a idealizada del arco a��rtico sin patolog��as y en otra geometr��a correspondiente a una disecci��n Stanford de tipo A, considerando la interacci��n del flujo puls��til con las paredes arteriales. El efecto de los tejidos circundantes tambi��n se incorpora en los modelos. Tambi��n se hacen aplicaciones considerando la interacci��n en una geometr��a especifica de un paciente anciano que proviene de una tomograf��a computarizada. Finalmente se analiza una disecci��n Stanford tipo B con tres modelos que incluyen la fenestraci��n 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.

Caracterizaci��n de sistemas vibroac��sticos mediante an��lisis estad��stico de energ��a

Hoy d��a nadie discute la importancia de predecir el comportamiento vibroac��stico de estructuras (edificios, veh��culos aeronaves, sat��lites). Tambi��n 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 pr��cticamente todos los campos. Esto ha hecho que los m��todos de an��lisis en este rango alto de frecuencias cobren importancia y actualidad. Uno de los m��todos m��s extendidos para este fin es el basado en el An��lisis Estad��stico de la Energ��a, SEA. Es un m��todo que ha mostrado proporcionar un buen equilibrio entre potencia de calculo, precisi��n 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 p��rdidas de las distintas partes del sistema. Formalmente es un m��todo de an��lisis muy c��modo e intuitivo de manejar cuya mayor dificultad es precisamente la determinaci��n de esos factores de p��rdidas. El cat��logo de expresiones anal��ticas o num��ricas para su determinaci��n no es suficientemente amplio por lo que normalmente siempre se suele acabar necesitando hacer uso de herramientas experimentales, ya sea para su obtenci��n o la comprobaci��n de los valores utilizados. La determinaci��n experimental tampoco est�� exenta de problemas, su obtenci��n necesita de configuraciones experimentales grandes y complejas con requisitos que pueden llegar a ser muy exigentes y en las que adem��s, se ven involucrados problemas num��ricos relacionados con los valores de los propios factores de p��rdidas, el valor relativo entre ellos y las caracter��sticas de las matrices que conforman. Este trabajo estudia la caracterizaci��n de sistemas vibroac��sticos mediante el an��lisis estad��stico de energ��a. Se centra en la determinaci��n precisa de los valores de los factores de p��rdidas. Dados los problemas que puede presentar un sistema experimental de estas caracter��sticas, en una primera parte se estudia la influencia de todas las magnitudes que intervienen en la determinaci��n de los factores de p��rdidas 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 energ��as y potencias) en los resultados. De esta parte se obtiene una visi��n general sobre a qu�� mensurados se debe prestar m��s atenci��n, y de qu�� problemas pueden ser los que m��s influyan en la falta de estabilidad (o incoherencia) de los resultados. Adem��s, proporciona un modelo de incertidumbres v��lido para los casos estudiados y ha permitido evaluar el error cometido por alg��n m��todo utilizado habitualmente para la caracterizaci��n de factores de p��rdidas como la aproximaci��n 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 naci��n suficientemente fiel de la potencia de entrada que permita simplificar en lo posible la configuraci��n experimental. Otra basada en un an��lisis detallado de las propiedades de la matriz que caracteriza un SEA y que conduce a la propuesta de un m��todo para su determinaci��n robusta, basada en un filtrado de Montecarlo y que, adem��s, muestra c��mo los problemas num��ricos de la matriz SEA pueden no ser tan insalvables como se apunta en la literatura. Por ��ltimo, adem��s, se plantea una soluci��n al caso en el que no todos los subsistemas en los que se divide el sistema puedan ser excitados. El m��todo 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 m��todos que permitan relajar de forma importante las exigencias que la determinaci��n 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.

Contribuci��n al an��lisis cinem��tico y din��mico de manipuladores paralelos

El documento presentado contiene una aproximaci��n a algunos de los diversos problemas actuales existentes en el campo de la rob��tica paralela. Primeramente se hace una propuesta para el c��lculo de los par��metros estructurales de los robots paralelos, mediante el desarrollo de una metodolog��a que combina las herramientas del estudio de mecanismos con el ��lgebra lineal; en una segunda secci��n se propone la soluci��n del problema geom��trico directo a partir de la definici��n de ecuaciones de restricci��n y su respectiva soluci��n usando m��todos num��ricos, as�� como la soluci��n para el problema geom��trico inverso; en la tercera parte se aborda el problema din��mico tanto directo como inverso y su soluci��n a partir de una metodolog��a basada en el m��todo de Kane o de trabajos virtuales. Para las propuestas metodol��gicas expuestas se han desarrollado ejemplos de aplicaci��n tanto te��ricos como pr��cticos (simulaciones y pruebas f��sicas), donde se demuestra su alcance y desempe��o, mediante su utilizaci��n en m��ltiples configuraciones para manipuladores paralelos, entre los que se destacan la plataforma Stewart Gough, y el 3-RRR. Todo con el objetivo de extender su aplicaci��n en futuros trabajos de investigaci��n 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.

Nonlinear analysis of a simple model of temperature evolution in a satellite

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 satellite���s 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.