Robust variable horizon MPC with move blocking

This paper introduces a new formulation of variable horizon model predictive control (VH-MPC) that utilises move blocking for reducing computational complexity. Various results pertaining to move blocking are derived, following which, a generalised blocked VH-MPC controller is formulated for linear discrete-time systems. Robustness to bounded disturbances is ensured through the use of tightened constraints. The resulting time-varying control scheme is shown to guarantee robust recursive feasibility and finite-time completion. An example is then presented for a particular choice of blocking regime, as would be applicable to vehicle manœuvring problems. Simulations demonstrate the efficacy of the formulation. © 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

X-ray observation of micro-failures in granular piles approaching an avalanche

An X-ray imaging technique is used to probe the stability of 3-dimensional granular packs in a slowly rotating drum. Well before the surface reaches the avalanche angle, we observe intermittent plastic events associated with collective rearrangements of the grains located in the vicinity of the free surface. The energy released by these discrete events grows as the system approaches the avalanche threshold. By testing various preparation methods, we show that the pre-avalanche dynamics is not solely controlled by the difference between the free surface inclination and the avalanche angle. As a consequence, the measure of the pre-avalanche dynamics is unlikely to serve as a tool for predicting macroscopic avalanches.

Robust predictive control with feasible contingencies for fault tolerance

This paper introduces the notion of M-step robust fault tolerance for discrete-time systems where finite-time completion of a control manoeuvre is desired. It considers a scenario with two distinct objectives; a primary and secondary target are specified as sets to be reached in finite-time, whilst satisfying operating constraints on the states and inputs. The primary target is switched to the secondary target when a fault affects the system. As it is unknown when or if the fault will occur, the trajectory to the primary target is constrained to ensure reachability of the secondary target within M steps. A variable-horizon linear MPC formulation is developed to illustrate the concept. The formulation is then extended to provide robustness to bounded disturbances by use of tightened constraints. Simulations demonstrate the efficacy of the controller formulation on a double-integrator model. © 2011 IFAC.

A dragline-forming mobile robot inspired by spiders.

Mobility of wheeled or legged machines can be significantly increased if they are able to move from a solid surface into a three-dimensional space. Although that may be achieved by addition of flying mechanisms, the payload fraction will be the limiting factor in such hybrid mobile machines for many applications. Inspired by spiders producing draglines to assist locomotion, the paper proposes an alternative mobile technology where a robot achieves locomotion from a solid surface into a free space. The technology resembles the dragline production pathway in spiders to a technically feasible degree and enables robots to move with thermoplastic spinning of draglines. As an implementation, a mobile robot has been prototyped with thermoplastic adhesives as source material of the draglines. Experimental results show that a dragline diameter range of 1.17-5.27 mm was achievable by the 185 g mobile robot in descending locomotion from the solid surface of a hanging structure with a power consumption of 4.8 W and an average speed of 5.13 cm min(-1). With an open-loop controller consisting of sequences of discrete events, the robot has demonstrated repeatable dragline formation with a relative deviation within -4% and a length close to the metre scale.

Minimalistic models of an energy-efficient vertical-hopping robot

The use of free vibration in elastic structure can lead to energy-efficient robot locomotion, since it significantly reduces the energy expenditure if properly designed and controlled. However, it is not well understood how to harness the dynamics of free vibration for the robot locomotion, because of the complex dynamics originated in discrete events and energy dissipation during locomotion. From this perspective, the goals of this paper are to propose a design strategy of hopping robot based on elastic curved beams and actuated rotating masses and to identify the minimalistic model that can characterize the basic principle of robot locomotion. Since the robot mainly exhibits vertical hopping, three 1-D models are examined that contain different configurations of simple spring-damper-mass components. The real-world and simulation experiments show that one of the models best characterizes the robot hopping, through analyzing the basic kinematics and negative works in actuation. Based on this model, the self-stability of hopping motion under disturbances is investigated, and design and control parameters are analyzed for the energy-efficient hopping. In addition, further analyses show that this robot can achieve the energy-efficient hopping with the variation in payload, and the source of energy dissipation of the robot hopping is investigated. © 1982-2012 IEEE.

Minimalistic models of an energy efficient vertical hopping robot

The use of free vibration in elastic structure can lead to energy efficient robot locomotion, since it significantly reduces the energy expenditure if properly designed and controlled. However, it is not well understood how to harness the dynamics of free vibration for the robot locomotion, because of the complex dynamics originated in discrete events and energy dissipation during locomotion. From this perspective, this paper explores three minimalistic models of free vibration that can characterize the basic principle of robot locomotion. Since the robot mainly exhibits vertical hopping, three one-dimensional models are examined that contain different configurations of simple spring-damper-mass components. The self-stability of these models are also investigated in simulation. The real-world and simulation experiments show that one of the models best characterizes the robot hopping, through analyzing the basic kinematics and negative works in actuation. Based on this model, the control parameters are analyzed for the energy efficient hopping. © 2013 IEEE.

A derivation of the source-channel error exponent using nonidentical product distributions

This paper studies the random-coding exponent of joint source-channel coding for a scheme where source messages are assigned to disjoint subsets (referred to as classes), and codewords are independently generated according to a distribution that depends on the class index of the source message. For discrete memoryless systems, two optimally chosen classes and product distributions are found to be sufficient to attain the sphere-packing exponent in those cases where it is tight. © 2014 IEEE.

Parallels plane projection and its geometric features

A new equivalent map projection called the parallels plane projection is proposed in this paper. The transverse axis of the parallels plane projection is the expansion of the equator and its vertical axis equals half the length of the central meridian. On the parallels plane projection, meridians are projected as sine curves and parallels are a series of straight, parallel lines. No distortion of length occurs along the central meridian or on any parallels of this projection. Angular distortion and the proportion of length along meridians (except the central meridian) introduced by the projection transformation increase with increasing longitude and latitude. A potential application of the parallels plane projection is that it can provide an efficient projection transformation for global discrete grid systems.

计算机辅助带时延多变量系统的离散控制设计

本文将Smith预估技术与逆 Nyquist 阵列法结合对多时延多变量对象进行离散控制系统设计,采用这种方法设计出的控制器易用计算机实现,系统仿真结果也是令人满意的。

Positive dilations of piecewise monotonic Markov maps

We provide an explicit formula which gives natural extensions of piecewise monotonic Markov maps defined on an interval of the real line. These maps are exact endomorphisms and define chaotic discrete dynamical systems.

Ascending Out of Poverty: An analysis of family histories in Kenya

This paper looks at inheritance through minimally-structured interviews with several generations of Kenyan families, seeking to explain that the how and why of poverty can be understood in the wider family context. Five main routes for ascending out of poverty were identified: (1) the gradual accumulation of resources due to income deriving from cash crops; (2) the gradual accumulation of resources due to income from non-farm work, including remittances from family member who have moved away for work; (3) the role of education, particularly skills training opposed to academic qualification, in helping provide employment; (4) accessing financial assets through support both from extended family members and from informal support mechanisms; (5) stability and benefits accruing from long-term strategic planning, including entrepreneurial activity. Both the ascent out of and the descent into poverty can be better conceived as processes, rather than due to chains of discrete events or specific ‘shocks’.

Sequential measurement-based quantum computing with memories

We introduce a general scheme for sequential one-way quantum computation where static systems with long-living quantum coherence (memories) interact with moving systems that may possess very short coherence times. Both the generation of the cluster state needed for the computation and its consumption by measurements are carried out simultaneously. As a consequence, effective clusters of one spatial dimension fewer than in the standard approach are sufficient for computation. In particular, universal computation requires only a one-dimensional array of memories. The scheme applies to discrete-variable systems of any dimension as well as to continuous-variable ones, and both are treated equivalently under the light of local complementation of graphs. In this way our formalism introduces a general framework that encompasses and generalizes in a unified manner some previous system-dependent proposals. The procedure is intrinsically well suited for implementations with atom-photon interfaces.

Conception des réseaux maillés sans fil à multiples-radios multiples-canaux

Généralement, les problèmes de conception de réseaux consistent à sélectionner les arcs et les sommets d’un graphe G de sorte que la fonction coût est optimisée et l’ensemble de contraintes impliquant les liens et les sommets dans G sont respectées. Une modification dans le critère d’optimisation et/ou dans l’ensemble de contraintes mène à une nouvelle représentation d’un problème différent. Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème de conception d’infrastructure de réseaux maillés sans fil (WMN- Wireless Mesh Network en Anglais) où nous montrons que la conception de tels réseaux se transforme d’un problème d’optimisation standard (la fonction coût est optimisée) à un problème d’optimisation à plusieurs objectifs, pour tenir en compte de nombreux aspects, souvent contradictoires, mais néanmoins incontournables dans la réalité. Cette thèse, composée de trois volets, propose de nouveaux modèles et algorithmes pour la conception de WMNs où rien n’est connu à l’ avance. Le premiervolet est consacré à l’optimisation simultanée de deux objectifs équitablement importants : le coût et la performance du réseau en termes de débit. Trois modèles bi-objectifs qui se différent principalement par l’approche utilisée pour maximiser la performance du réseau sont proposés, résolus et comparés. Le deuxième volet traite le problème de placement de passerelles vu son impact sur la performance et l’extensibilité du réseau. La notion de contraintes de sauts (hop constraints) est introduite dans la conception du réseau pour limiter le délai de transmission. Un nouvel algorithme basé sur une approche de groupage est proposé afin de trouver les positions stratégiques des passerelles qui favorisent l’extensibilité du réseau et augmentent sa performance sans augmenter considérablement le coût total de son installation. Le dernier volet adresse le problème de fiabilité du réseau dans la présence de pannes simples. Prévoir l’installation des composants redondants lors de la phase de conception peut garantir des communications fiables, mais au détriment du coût et de la performance du réseau. Un nouvel algorithme, basé sur l’approche théorique de décomposition en oreilles afin d’installer le minimum nombre de routeurs additionnels pour tolérer les pannes simples, est développé. Afin de résoudre les modèles proposés pour des réseaux de taille réelle, un algorithme évolutionnaire (méta-heuristique), inspiré de la nature, est développé. Finalement, les méthodes et modèles proposés on été évalués par des simulations empiriques et d’événements discrets.

Évaluation pharmacoéconomique d'un test de prédisposition génétique aux effets secondaires musculaires reliés aux statines

Introduction : Les statines ont prouvé leur efficacité dans le traitement des dyslipidémies. Cependant, ces molécules sont associées à des effets secondaires d’ordre musculaire. Puisque ces effets peuvent avoir des conséquences graves sur la vie des patients en plus d’être possiblement à l’origine de la non-observance d’une proportion importante des patients recevant une statine, un outil pharmacogénomique qui permettrait d’identifier a priori les patients susceptibles de développer des effets secondaires musculaires induits par une statine (ESMIS) serait très utile. L’objectif de la présente étude était donc de déterminer la valeur monétaire d’un tel type d’outil étant donné que cet aspect représenterait une composante importante pour sa commercialisation et son implantation dans la pratique médicale courante. Méthode : Une première simulation fut effectuée à l’aide de la méthode de Markov, mais celle-ci ne permettait pas de tenir compte de tous les éléments désirés. C’est pourquoi la méthode de simulation d'évènements discrets fut utilisée pour étudier une population de 100 000 patients hypothétiques nouvellement initiés sur une statine. Cette population virtuelle a été dupliquée pour obtenir deux cohortes de patients identiques. Une cohorte recevait le test et un traitement approprié alors que l'autre cohorte recevait le traitement standard actuel—i.e., une statine. Le modèle de simulation a permis de faire évoluer les deux cohortes sur une période de 15 ans en tenant compte du risque de maladies cardio-vasculaires (MCV) fatal ou non-fatal, d'ESMIS et de mortalité provenant d’une autre cause que d’une MCV. Les conséquences encourues (MCV, ESMIS, mortalité) par ces deux populations et les coûts associés furent ensuite comparés. Finalement, l’expérience fut répétée à 25 reprises pour évaluer la stabilité des résultats et diverses analyses de sensibilité ont été effectuées. Résultats : La différence moyenne des coûts en traitement des MCV et des ESMIS, en perte de capital humain et en médicament était de 28,89 $ entre les deux cohortes pour la durée totale de l’expérimentation (15 ans). Les coûts étant plus élevés chez celle qui n’était pas soumise au test. Toutefois, l’écart-type à la moyenne était considérable (416,22 $) remettant en question la validité de l’estimation monétaire du test pharmacogénomique. De plus, cette valeur était fortement influencée par la proportion de patients prédisposés aux ESMIS, par l’efficacité et le coût des agents hypolipidémiants alternatifs ainsi que par les coûts des traitements des ESMIS et de la valeur attribuée à un mois de vie supplémentaire. Conclusion : Ces résultats suggèrent qu’un test de prédisposition génétique aux ESMIS aurait une valeur d’environ 30 $ chez des patients s’apprêtant à commencer un traitement à base de statine. Toutefois, l’incertitude entourant la valeur obtenue est très importante et plusieurs variables dont les données réelles ne sont pas disponibles dans la littérature ont une influence importante sur la valeur. La valeur réelle de cet outil génétique ne pourra donc être déterminée seulement lorsque le modèle sera mis à jour avec des données plus précises sur la prévalence des ESMIS et leur impact sur l’observance au traitement puis analysé avec un plus grand nombre de patients.

Un criblage ciblant de nouveaux facteurs impliqués dans l’assemblage mitotique des chromosomes dans le nématode C. elegans

La division cellulaire est un processus fondamental des êtres vivants. À chaque division cellulaire, le matériel génétique d'une cellule mère est dupliqué et ségrégé pour produire deux cellules filles identiques; un processus nommé la mitose. Tout d'abord, la cellule doit condenser le matériel génétique pour être en mesure de séparer mécaniquement et également le matériel génétique. Une erreur dans le niveau de compaction ou dans la dynamique de la mitose occasionne une transmission inégale du matériel génétique. Il est suggéré dans la littérature que ces phénomènes pourraient causé la transformation des cellules cancéreuses. Par contre, le mécanisme moléculaire générant la coordination des changements de haut niveau de la condensation des chromosomes est encore incompris. Dans les dernières décennies, plusieurs approches expérimentales ont identifié quelques protéines conservées dans ce processus. Pour déterminer le rôle de ces facteurs dans la compaction des chromosomes, j'ai effectué un criblage par ARNi couplé à de l'imagerie à haute-résolution en temps réel chez l'embryon de C. elegans. Grâce à cette technique, j'ai découvert sept nouvelles protéines requises pour l'assemblage des chromosomes mitotiques, incluant la Ribonucléotide réductase (RNR) et Topoisomérase II (topo-II). Dans cette thèse, je décrirai le rôle structural de topo-II dans l'assemblage des chromosomes mitotiques et ces mécanismes moléculaires. Lors de la condensation des chromosomes, topo-II agit indépendamment comme un facteur d'assemblage local menant par la suite à la formation d'un axe de condensation tout au long du chromosome. Cette localisation est à l'opposé de la position des autres facteurs connus qui sont impliqués dans la condensation des chromosomes. Ceci représente un nouveau mécanisme pour l'assemblage des chromosomes chez C. elegans. De plus, j'ai découvert un rôle non-enzymatique à la protéine RNR lors de l'assemblage des chromosomes. Lors de ce processus, RNR est impliqué dans la stabilité des nucléosomes et alors, permet la compaction de haut niveau de la chromatine. Dans cette thèse, je rapporte également des résultats préliminaires concernant d'autres nouveaux facteurs découverts lors du criblage ARNi. Le plus important est que mon analyse révèle que la déplétion des nouvelles protéines montre des phénotypes distincts, indiquant la fonction de celles-ci lors de l'assemblage des chromosomes. Somme toute, je conclus que les chromosomes en métaphase sont assemblés par trois protéines ayant des activités différentes d'échafaudage: topoisomérase II, les complexes condensines et les protéines centromériques. En conclusion, ces études prouvent le mécanisme moléculaire de certaines protéines qui contribuent à la formation des chromosomes mitotiques.