La arquitectura del entretenimiento en los espacios públicos: el quiosco de música en la Comunidad de Madrid. Tipologia e invariantes

Se pretende estudiar los quioscos de música en un espacio, (Comunidad de Madrid), y en un tiempo, (desde 1897 año del más antiguo localizado en la Comunidad de Madrid, hasta 2005 por cambio de ciclo político y crisis económica, constando que la actividad constructiva, modificadora y destructiva de los quioscos de música sigue), difundiendo el estudio de los localizados, para que se valoren como objetos arquitectónicos, (de poco tamaño, pero situados y vistos en los lugares más representativos de las localidades. En la metodología de investigación seguida, se usan la inferencia inductiva y deductiva. Se establecen 3 fases en el proceso de investigación por el método inductivo-deductivo: Primera fase. En esta fase se establece la idea del tema de investigación, con el planteamiento del problema, realizándose la pregunta a la que se pretende responder. En este caso la pregunta es: ¿que tipología e invariantes definen a los quioscos de música, como objetos arquitectónicos dentro de los espacios públicos? Se definen luego los objetivos, con la identificación de un objetivo principal como son su tipología e invariantes, y en su caso otros objetivos específicos, como son sus usos y la creación de un modelo. Para ello se utiliza un marco teórico, relativo a los conocimientos que hay sobre la materia, y desde el que se produce la aproximación al problema, y se establece la metodología de trabajo. . Segunda fase, desarrollada en dos etapas: Primera etapa: Se realiza la elección del tipo de trabajo a realizar, es decir, como vamos a conocer la respuesta a la pregunta con un planteamiento cuantitativo, donde se trabaja con objetivos cerrados, y donde se sabe lo que se quiere investigar. En este caso son los objetivos específicos los que completan y marcan el tipo de trabajo. Lo primero que se realiza es un análisis histórico general de los objetos arquitectónicos que sirven de base a las futuras y actuales creaciones de quioscos de música. A continuación se realiza una búsqueda y trabajo de campo, en bibliotecas, páginas web, etc. con obtención de datos “in situ” sobre los quioscos de música, y una relación y descripción de los objetos a estudiar, limitados a la Comunidad de Madrid, desde finales del siglo XIX a principios del XXI, por su suficiente cantidad y representatividad, en relación al conjunto de los quioscos de música del conjunto de las comunidades de España. Segunda etapa: Se realiza el análisis e interpretación de los datos obtenidos, dando respuesta a la pregunta que se había realizado. En ella se vincula el marco teórico con los objetivos, se responde al objetivo principal como son la tipología e invariantes en relación a su composición arquitectónica, a sus elementos formales, a sus sistemas constructivos, a sus materiales, y a alguno de los objetivos específicos, como los usos de los quioscos de música, el diseño de un modelo y la creación de una base de datos de quioscos de música. Tercera fase: Se establecen las conclusiones de todo el trabajo de investigación realizado, y se responde a la posible definición de un modelo según lo planteado en la investigación. Se realiza la difusión/publicación de los conocimientos adquiridos, dando cuenta con rigor de como se ha desarrollado la investigación, ya que es la sociedad la principal receptora de los conocimientos adquiridos en la investigación, y dando la mayor amplitud de información posible, con los anexos y la bibliografía utilizada. En el planteamiento de este trabajo de investigación, hay que partir de la consideración de que los quioscos de música forman parte de los objetos arquitectónicos reconocidos popularmente, como propios de los individuos y de los colectivos que forman las sociedades, ya que forman o han formado parte de las vidas de generaciones de usuarios de los espacios públicos, con una imagen reconocible y que es parte de lo que identifica a cada localidad en la que existe. La situación actual de falta de datos, conocimiento e información sobre los quioscos de música, ha creado la necesidad de realizar un trabajo de investigación, con el objetivo de aportar lo que ahora falta, y crear las bases de futuros trabajos, profundizando en los conocimientos sobre esta materia y/o generando conocimiento en lo relacionado con ella. Uno de los condicionantes es que a pesar del gran número de ellos existente, no hay estudios ni bibliografía adecuada para realizar trabajos relacionados con su construcción, época, estilos, materiales, diseños, tipología etc. excepto en algunas monografías sobre los más representativos de comunidades, ciudades o pueblos concretos, pero que no representan el conjunto de ideales, motivos, épocas diferentes en que se crearon, y con que criterios estilísticos, sociales, de uso etc. se programaron por las distintas administraciones responsables de su construcción. Esta falta de información se suple normalmente con datos que aportan las personas que tienen alguna relación con los quioscos, como los conservadores, jardineros, vecinos, personas mayores, etc., y en algunos casos a través de búsqueda de información en páginas Web, pero con poco rigor y de poca fiabilidad. Se impone por tanto desarrollar una investigación que aporte información sobre la arquitectura de estos objetos, de bibliografía inexistente o insuficiente, consiguiendo que se incorporen en la tipología arquitectónica, adquiriendo la importancia y reconocimiento que se merecen, no solo arquitectónicamente, sino incluso a nivel social, porque en casi todos los casos se añade un componente de hito, de elemento reconocible y nostálgico, con una gran importancia simbólica en las sociedades a lo largo de la historia, dentro de los espacios donde cada uno se ha desarrollado. Para ello se desarrollan a continuación los objetivos tanto generales como específicos, el marco teórico con los conceptos, origen, evolución, estado del arte o estado de la cuestión en el momento actual de los quioscos de música, y la metodología a seguir, con una primera etapa de uso del método inductivo, donde se relacionan y describen los quioscos de música localizados en la Comunidad de Madrid, y una segunda etapa, donde se realiza el análisis y estudio de tipología, invariantes, usos y una propuesta de diseño de un modelo de quiosco de música atendiendo a los resultados de los trabajos realizados.

Parametric and structural self-adaptation of embedded systems using evolvable hardware

Los sistemas empotrados han sido concebidos tradicionalmente como sistemas de procesamiento específicos que realizan una tarea fija durante toda su vida útil. Para cumplir con requisitos estrictos de coste, tamaño y peso, el equipo de diseño debe optimizar su funcionamiento para condiciones muy específicas. Sin embargo, la demanda de mayor versatilidad, un funcionamiento más inteligente y, en definitiva, una mayor capacidad de procesamiento comenzaron a chocar con estas limitaciones, agravado por la incertidumbre asociada a entornos de operación cada vez más dinámicos donde comenzaban a ser desplegados progresivamente. Esto trajo como resultado una necesidad creciente de que los sistemas pudieran responder por si solos a eventos inesperados en tiempo diseño tales como: cambios en las características de los datos de entrada y el entorno del sistema en general; cambios en la propia plataforma de cómputo, por ejemplo debido a fallos o defectos de fabricación; y cambios en las propias especificaciones funcionales causados por unos objetivos del sistema dinámicos y cambiantes. Como consecuencia, la complejidad del sistema aumenta, pero a cambio se habilita progresivamente una capacidad de adaptación autónoma sin intervención humana a lo largo de la vida útil, permitiendo que tomen sus propias decisiones en tiempo de ejecución. Éstos sistemas se conocen, en general, como sistemas auto-adaptativos y tienen, entre otras características, las de auto-configuración, auto-optimización y auto-reparación. Típicamente, la parte soft de un sistema es mayoritariamente la única utilizada para proporcionar algunas capacidades de adaptación a un sistema. Sin embargo, la proporción rendimiento/potencia en dispositivos software como microprocesadores en muchas ocasiones no es adecuada para sistemas empotrados. En este escenario, el aumento resultante en la complejidad de las aplicaciones está siendo abordado parcialmente mediante un aumento en la complejidad de los dispositivos en forma de multi/many-cores; pero desafortunadamente, esto hace que el consumo de potencia también aumente. Además, la mejora en metodologías de diseño no ha sido acorde como para poder utilizar toda la capacidad de cómputo disponible proporcionada por los núcleos. Por todo ello, no se están satisfaciendo adecuadamente las demandas de cómputo que imponen las nuevas aplicaciones. La solución tradicional para mejorar la proporción rendimiento/potencia ha sido el cambio a unas especificaciones hardware, principalmente usando ASICs. Sin embargo, los costes de un ASIC son altamente prohibitivos excepto en algunos casos de producción en masa y además la naturaleza estática de su estructura complica la solución a las necesidades de adaptación. Los avances en tecnologías de fabricación han hecho que la FPGA, una vez lenta y pequeña, usada como glue logic en sistemas mayores, haya crecido hasta convertirse en un dispositivo de cómputo reconfigurable de gran potencia, con una cantidad enorme de recursos lógicos computacionales y cores hardware empotrados de procesamiento de señal y de propósito general. Sus capacidades de reconfiguración han permitido combinar la flexibilidad propia del software con el rendimiento del procesamiento en hardware, lo que tiene la potencialidad de provocar un cambio de paradigma en arquitectura de computadores, pues el hardware no puede ya ser considerado más como estático. El motivo es que como en el caso de las FPGAs basadas en tecnología SRAM, la reconfiguración parcial dinámica (DPR, Dynamic Partial Reconfiguration) es posible. Esto significa que se puede modificar (reconfigurar) un subconjunto de los recursos computacionales en tiempo de ejecución mientras el resto permanecen activos. Además, este proceso de reconfiguración puede ser ejecutado internamente por el propio dispositivo. El avance tecnológico en dispositivos hardware reconfigurables se encuentra recogido bajo el campo conocido como Computación Reconfigurable (RC, Reconfigurable Computing). Uno de los campos de aplicación más exóticos y menos convencionales que ha posibilitado la computación reconfigurable es el conocido como Hardware Evolutivo (EHW, Evolvable Hardware), en el cual se encuentra enmarcada esta tesis. La idea principal del concepto consiste en convertir hardware que es adaptable a través de reconfiguración en una entidad evolutiva sujeta a las fuerzas de un proceso evolutivo inspirado en el de las especies biológicas naturales, que guía la dirección del cambio. Es una aplicación más del campo de la Computación Evolutiva (EC, Evolutionary Computation), que comprende una serie de algoritmos de optimización global conocidos como Algoritmos Evolutivos (EA, Evolutionary Algorithms), y que son considerados como algoritmos universales de resolución de problemas. En analogía al proceso biológico de la evolución, en el hardware evolutivo el sujeto de la evolución es una población de circuitos que intenta adaptarse a su entorno mediante una adecuación progresiva generación tras generación. Los individuos pasan a ser configuraciones de circuitos en forma de bitstreams caracterizados por descripciones de circuitos reconfigurables. Seleccionando aquellos que se comportan mejor, es decir, que tienen una mejor adecuación (o fitness) después de ser evaluados, y usándolos como padres de la siguiente generación, el algoritmo evolutivo crea una nueva población hija usando operadores genéticos como la mutación y la recombinación. Según se van sucediendo generaciones, se espera que la población en conjunto se aproxime a la solución óptima al problema de encontrar una configuración del circuito adecuada que satisfaga las especificaciones. El estado de la tecnología de reconfiguración después de que la familia de FPGAs XC6200 de Xilinx fuera retirada y reemplazada por las familias Virtex a finales de los 90, supuso un gran obstáculo para el avance en hardware evolutivo; formatos de bitstream cerrados (no conocidos públicamente); dependencia de herramientas del fabricante con soporte limitado de DPR; una velocidad de reconfiguración lenta; y el hecho de que modificaciones aleatorias del bitstream pudieran resultar peligrosas para la integridad del dispositivo, son algunas de estas razones. Sin embargo, una propuesta a principios de los años 2000 permitió mantener la investigación en el campo mientras la tecnología de DPR continuaba madurando, el Circuito Virtual Reconfigurable (VRC, Virtual Reconfigurable Circuit). En esencia, un VRC en una FPGA es una capa virtual que actúa como un circuito reconfigurable de aplicación específica sobre la estructura nativa de la FPGA que reduce la complejidad del proceso reconfiguración y aumenta su velocidad (comparada con la reconfiguración nativa). Es un array de nodos computacionales especificados usando descripciones HDL estándar que define recursos reconfigurables ad-hoc: multiplexores de rutado y un conjunto de elementos de procesamiento configurables, cada uno de los cuales tiene implementadas todas las funciones requeridas, que pueden seleccionarse a través de multiplexores tal y como ocurre en una ALU de un microprocesador. Un registro grande actúa como memoria de configuración, por lo que la reconfiguración del VRC es muy rápida ya que tan sólo implica la escritura de este registro, el cual controla las señales de selección del conjunto de multiplexores. Sin embargo, esta capa virtual provoca: un incremento de área debido a la implementación simultánea de cada función en cada nodo del array más los multiplexores y un aumento del retardo debido a los multiplexores, reduciendo la frecuencia de funcionamiento máxima. La naturaleza del hardware evolutivo, capaz de optimizar su propio comportamiento computacional, le convierten en un buen candidato para avanzar en la investigación sobre sistemas auto-adaptativos. Combinar un sustrato de cómputo auto-reconfigurable capaz de ser modificado dinámicamente en tiempo de ejecución con un algoritmo empotrado que proporcione una dirección de cambio, puede ayudar a satisfacer los requisitos de adaptación autónoma de sistemas empotrados basados en FPGA. La propuesta principal de esta tesis está por tanto dirigida a contribuir a la auto-adaptación del hardware de procesamiento de sistemas empotrados basados en FPGA mediante hardware evolutivo. Esto se ha abordado considerando que el comportamiento computacional de un sistema puede ser modificado cambiando cualquiera de sus dos partes constitutivas: una estructura hard subyacente y un conjunto de parámetros soft. De esta distinción, se derivan dos lineas de trabajo. Por un lado, auto-adaptación paramétrica, y por otro auto-adaptación estructural. El objetivo perseguido en el caso de la auto-adaptación paramétrica es la implementación de técnicas de optimización evolutiva complejas en sistemas empotrados con recursos limitados para la adaptación paramétrica online de circuitos de procesamiento de señal. La aplicación seleccionada como prueba de concepto es la optimización para tipos muy específicos de imágenes de los coeficientes de los filtros de transformadas wavelet discretas (DWT, DiscreteWavelet Transform), orientada a la compresión de imágenes. Por tanto, el objetivo requerido de la evolución es una compresión adaptativa y más eficiente comparada con los procedimientos estándar. El principal reto radica en reducir la necesidad de recursos de supercomputación para el proceso de optimización propuesto en trabajos previos, de modo que se adecúe para la ejecución en sistemas empotrados. En cuanto a la auto-adaptación estructural, el objetivo de la tesis es la implementación de circuitos auto-adaptativos en sistemas evolutivos basados en FPGA mediante un uso eficiente de sus capacidades de reconfiguración nativas. En este caso, la prueba de concepto es la evolución de tareas de procesamiento de imagen tales como el filtrado de tipos desconocidos y cambiantes de ruido y la detección de bordes en la imagen. En general, el objetivo es la evolución en tiempo de ejecución de tareas de procesamiento de imagen desconocidas en tiempo de diseño (dentro de un cierto grado de complejidad). En este caso, el objetivo de la propuesta es la incorporación de DPR en EHW para evolucionar la arquitectura de un array sistólico adaptable mediante reconfiguración cuya capacidad de evolución no había sido estudiada previamente. Para conseguir los dos objetivos mencionados, esta tesis propone originalmente una plataforma evolutiva que integra un motor de adaptación (AE, Adaptation Engine), un motor de reconfiguración (RE, Reconfiguration Engine) y un motor computacional (CE, Computing Engine) adaptable. El el caso de adaptación paramétrica, la plataforma propuesta está caracterizada por: • un CE caracterizado por un núcleo de procesamiento hardware de DWT adaptable mediante registros reconfigurables que contienen los coeficientes de los filtros wavelet • un algoritmo evolutivo como AE que busca filtros wavelet candidatos a través de un proceso de optimización paramétrica desarrollado específicamente para sistemas caracterizados por recursos de procesamiento limitados • un nuevo operador de mutación simplificado para el algoritmo evolutivo utilizado, que junto con un mecanismo de evaluación rápida de filtros wavelet candidatos derivado de la literatura actual, asegura la viabilidad de la búsqueda evolutiva asociada a la adaptación de wavelets. En el caso de adaptación estructural, la plataforma propuesta toma la forma de: • un CE basado en una plantilla de array sistólico reconfigurable de 2 dimensiones compuesto de nodos de procesamiento reconfigurables • un algoritmo evolutivo como AE que busca configuraciones candidatas del array usando un conjunto de funcionalidades de procesamiento para los nodos disponible en una biblioteca accesible en tiempo de ejecución • un RE hardware que explota la capacidad de reconfiguración nativa de las FPGAs haciendo un uso eficiente de los recursos reconfigurables del dispositivo para cambiar el comportamiento del CE en tiempo de ejecución • una biblioteca de elementos de procesamiento reconfigurables caracterizada por bitstreams parciales independientes de la posición, usados como el conjunto de configuraciones disponibles para los nodos de procesamiento del array Las contribuciones principales de esta tesis se pueden resumir en la siguiente lista: • Una plataforma evolutiva basada en FPGA para la auto-adaptación paramétrica y estructural de sistemas empotrados compuesta por un motor computacional (CE), un motor de adaptación (AE) evolutivo y un motor de reconfiguración (RE). Esta plataforma se ha desarrollado y particularizado para los casos de auto-adaptación paramétrica y estructural. • En cuanto a la auto-adaptación paramétrica, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante registros que permite la adaptación paramétrica de los coeficientes de una implementación hardware adaptativa de un núcleo de DWT. – Un motor de adaptación basado en un algoritmo evolutivo desarrollado específicamente para optimización numérica, aplicada a los coeficientes de filtros wavelet en sistemas empotrados con recursos limitados. – Un núcleo IP de DWT auto-adaptativo en tiempo de ejecución para sistemas empotrados que permite la optimización online del rendimiento de la transformada para compresión de imágenes en entornos específicos de despliegue, caracterizados por tipos diferentes de señal de entrada. – Un modelo software y una implementación hardware de una herramienta para la construcción evolutiva automática de transformadas wavelet específicas. • Por último, en cuanto a la auto-adaptación estructural, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante reconfiguración nativa de FPGAs caracterizado por una plantilla de array sistólico en dos dimensiones de nodos de procesamiento reconfigurables. Es posible mapear diferentes tareas de cómputo en el array usando una biblioteca de elementos sencillos de procesamiento reconfigurables. – Definición de una biblioteca de elementos de procesamiento apropiada para la síntesis autónoma en tiempo de ejecución de diferentes tareas de procesamiento de imagen. – Incorporación eficiente de la reconfiguración parcial dinámica (DPR) en sistemas de hardware evolutivo, superando los principales inconvenientes de propuestas previas como los circuitos reconfigurables virtuales (VRCs). En este trabajo también se comparan originalmente los detalles de implementación de ambas propuestas. – Una plataforma tolerante a fallos, auto-curativa, que permite la recuperación funcional online en entornos peligrosos. La plataforma ha sido caracterizada desde una perspectiva de tolerancia a fallos: se proponen modelos de fallo a nivel de CLB y de elemento de procesamiento, y usando el motor de reconfiguración, se hace un análisis sistemático de fallos para un fallo en cada elemento de procesamiento y para dos fallos acumulados. – Una plataforma con calidad de filtrado dinámica que permite la adaptación online a tipos de ruido diferentes y diferentes comportamientos computacionales teniendo en cuenta los recursos de procesamiento disponibles. Por un lado, se evolucionan filtros con comportamientos no destructivos, que permiten esquemas de filtrado en cascada escalables; y por otro, también se evolucionan filtros escalables teniendo en cuenta requisitos computacionales de filtrado cambiantes dinámicamente. Este documento está organizado en cuatro partes y nueve capítulos. La primera parte contiene el capítulo 1, una introducción y motivación sobre este trabajo de tesis. A continuación, el marco de referencia en el que se enmarca esta tesis se analiza en la segunda parte: el capítulo 2 contiene una introducción a los conceptos de auto-adaptación y computación autonómica (autonomic computing) como un campo de investigación más general que el muy específico de este trabajo; el capítulo 3 introduce la computación evolutiva como la técnica para dirigir la adaptación; el capítulo 4 analiza las plataformas de computación reconfigurables como la tecnología para albergar hardware auto-adaptativo; y finalmente, el capítulo 5 define, clasifica y hace un sondeo del campo del hardware evolutivo. Seguidamente, la tercera parte de este trabajo contiene la propuesta, desarrollo y resultados obtenidos: mientras que el capítulo 6 contiene una declaración de los objetivos de la tesis y la descripción de la propuesta en su conjunto, los capítulos 7 y 8 abordan la auto-adaptación paramétrica y estructural, respectivamente. Finalmente, el capítulo 9 de la parte 4 concluye el trabajo y describe caminos de investigación futuros. ABSTRACT Embedded systems have traditionally been conceived to be specific-purpose computers with one, fixed computational task for their whole lifetime. Stringent requirements in terms of cost, size and weight forced designers to highly optimise their operation for very specific conditions. However, demands for versatility, more intelligent behaviour and, in summary, an increased computing capability began to clash with these limitations, intensified by the uncertainty associated to the more dynamic operating environments where they were progressively being deployed. This brought as a result an increasing need for systems to respond by themselves to unexpected events at design time, such as: changes in input data characteristics and system environment in general; changes in the computing platform itself, e.g., due to faults and fabrication defects; and changes in functional specifications caused by dynamically changing system objectives. As a consequence, systems complexity is increasing, but in turn, autonomous lifetime adaptation without human intervention is being progressively enabled, allowing them to take their own decisions at run-time. This type of systems is known, in general, as selfadaptive, and are able, among others, of self-configuration, self-optimisation and self-repair. Traditionally, the soft part of a system has mostly been so far the only place to provide systems with some degree of adaptation capabilities. However, the performance to power ratios of software driven devices like microprocessors are not adequate for embedded systems in many situations. In this scenario, the resulting rise in applications complexity is being partly addressed by rising devices complexity in the form of multi and many core devices; but sadly, this keeps on increasing power consumption. Besides, design methodologies have not been improved accordingly to completely leverage the available computational power from all these cores. Altogether, these factors make that the computing demands new applications pose are not being wholly satisfied. The traditional solution to improve performance to power ratios has been the switch to hardware driven specifications, mainly using ASICs. However, their costs are highly prohibitive except for some mass production cases and besidesthe static nature of its structure complicates the solution to the adaptation needs. The advancements in fabrication technologies have made that the once slow, small FPGA used as glue logic in bigger systems, had grown to be a very powerful, reconfigurable computing device with a vast amount of computational logic resources and embedded, hardened signal and general purpose processing cores. Its reconfiguration capabilities have enabled software-like flexibility to be combined with hardware-like computing performance, which has the potential to cause a paradigm shift in computer architecture since hardware cannot be considered as static anymore. This is so, since, as is the case with SRAMbased FPGAs, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) is possible. This means that subsets of the FPGA computational resources can now be changed (reconfigured) at run-time while the rest remains active. Besides, this reconfiguration process can be triggered internally by the device itself. This technological boost in reconfigurable hardware devices is actually covered under the field known as Reconfigurable Computing. One of the most exotic fields of application that Reconfigurable Computing has enabled is the known as Evolvable Hardware (EHW), in which this dissertation is framed. The main idea behind the concept is turning hardware that is adaptable through reconfiguration into an evolvable entity subject to the forces of an evolutionary process, inspired by that of natural, biological species, that guides the direction of change. It is yet another application of the field of Evolutionary Computation (EC), which comprises a set of global optimisation algorithms known as Evolutionary Algorithms (EAs), considered as universal problem solvers. In analogy to the biological process of evolution, in EHW the subject of evolution is a population of circuits that tries to get adapted to its surrounding environment by progressively getting better fitted to it generation after generation. Individuals become circuit configurations representing bitstreams that feature reconfigurable circuit descriptions. By selecting those that behave better, i.e., with a higher fitness value after being evaluated, and using them as parents of the following generation, the EA creates a new offspring population by using so called genetic operators like mutation and recombination. As generations succeed one another, the whole population is expected to approach to the optimum solution to the problem of finding an adequate circuit configuration that fulfils system objectives. The state of reconfiguration technology after Xilinx XC6200 FPGA family was discontinued and replaced by Virtex families in the late 90s, was a major obstacle for advancements in EHW; closed (non publicly known) bitstream formats; dependence on manufacturer tools with highly limiting support of DPR; slow speed of reconfiguration; and random bitstream modifications being potentially hazardous for device integrity, are some of these reasons. However, a proposal in the first 2000s allowed to keep investigating in this field while DPR technology kept maturing, the Virtual Reconfigurable Circuit (VRC). In essence, a VRC in an FPGA is a virtual layer acting as an application specific reconfigurable circuit on top of an FPGA fabric that reduces the complexity of the reconfiguration process and increases its speed (compared to native reconfiguration). It is an array of computational nodes specified using standard HDL descriptions that define ad-hoc reconfigurable resources; routing multiplexers and a set of configurable processing elements, each one containing all the required functions, which are selectable through functionality multiplexers as in microprocessor ALUs. A large register acts as configuration memory, so VRC reconfiguration is very fast given it only involves writing this register, which drives the selection signals of the set of multiplexers. However, large overheads are introduced by this virtual layer; an area overhead due to the simultaneous implementation of every function in every node of the array plus the multiplexers, and a delay overhead due to the multiplexers, which also reduces maximum frequency of operation. The very nature of Evolvable Hardware, able to optimise its own computational behaviour, makes it a good candidate to advance research in self-adaptive systems. Combining a selfreconfigurable computing substrate able to be dynamically changed at run-time with an embedded algorithm that provides a direction for change, can help fulfilling requirements for autonomous lifetime adaptation of FPGA-based embedded systems. The main proposal of this thesis is hence directed to contribute to autonomous self-adaptation of the underlying computational hardware of FPGA-based embedded systems by means of Evolvable Hardware. This is tackled by considering that the computational behaviour of a system can be modified by changing any of its two constituent parts: an underlying hard structure and a set of soft parameters. Two main lines of work derive from this distinction. On one side, parametric self-adaptation and, on the other side, structural self-adaptation. The goal pursued in the case of parametric self-adaptation is the implementation of complex evolutionary optimisation techniques in resource constrained embedded systems for online parameter adaptation of signal processing circuits. The application selected as proof of concept is the optimisation of Discrete Wavelet Transforms (DWT) filters coefficients for very specific types of images, oriented to image compression. Hence, adaptive and improved compression efficiency, as compared to standard techniques, is the required goal of evolution. The main quest lies in reducing the supercomputing resources reported in previous works for the optimisation process in order to make it suitable for embedded systems. Regarding structural self-adaptation, the thesis goal is the implementation of self-adaptive circuits in FPGA-based evolvable systems through an efficient use of native reconfiguration capabilities. In this case, evolution of image processing tasks such as filtering of unknown and changing types of noise and edge detection are the selected proofs of concept. In general, evolving unknown image processing behaviours (within a certain complexity range) at design time is the required goal. In this case, the mission of the proposal is the incorporation of DPR in EHW to evolve a systolic array architecture adaptable through reconfiguration whose evolvability had not been previously checked. In order to achieve the two stated goals, this thesis originally proposes an evolvable platform that integrates an Adaptation Engine (AE), a Reconfiguration Engine (RE) and an adaptable Computing Engine (CE). In the case of parametric adaptation, the proposed platform is characterised by: • a CE featuring a DWT hardware processing core adaptable through reconfigurable registers that holds wavelet filters coefficients • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate wavelet filters through a parametric optimisation process specifically developed for systems featured by scarce computing resources • a new, simplified mutation operator for the selected EA, that together with a fast evaluation mechanism of candidate wavelet filters derived from existing literature, assures the feasibility of the evolutionary search involved in wavelets adaptation In the case of structural adaptation, the platform proposal takes the form of: • a CE based on a reconfigurable 2D systolic array template composed of reconfigurable processing nodes • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate configurations of the array using a set of computational functionalities for the nodes available in a run time accessible library • a hardware RE that exploits native DPR capabilities of FPGAs and makes an efficient use of the available reconfigurable resources of the device to change the behaviour of the CE at run time • a library of reconfigurable processing elements featured by position-independent partial bitstreams used as the set of available configurations for the processing nodes of the array Main contributions of this thesis can be summarised in the following list. • An FPGA-based evolvable platform for parametric and structural self-adaptation of embedded systems composed of a Computing Engine, an evolutionary Adaptation Engine and a Reconfiguration Engine. This platform is further developed and tailored for both parametric and structural self-adaptation. • Regarding parametric self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through reconfigurable registers that enables parametric adaptation of the coefficients of an adaptive hardware implementation of a DWT core. – An AE based on an Evolutionary Algorithm specifically developed for numerical optimisation applied to wavelet filter coefficients in resource constrained embedded systems. – A run-time self-adaptive DWT IP core for embedded systems that allows for online optimisation of transform performance for image compression for specific deployment environments characterised by different types of input signals. – A software model and hardware implementation of a tool for the automatic, evolutionary construction of custom wavelet transforms. • Lastly, regarding structural self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through native FPGA fabric reconfiguration featured by a two dimensional systolic array template of reconfigurable processing nodes. Different processing behaviours can be automatically mapped in the array by using a library of simple reconfigurable processing elements. – Definition of a library of such processing elements suited for autonomous runtime synthesis of different image processing tasks. – Efficient incorporation of DPR in EHW systems, overcoming main drawbacks from the previous approach of virtual reconfigurable circuits. Implementation details for both approaches are also originally compared in this work. – A fault tolerant, self-healing platform that enables online functional recovery in hazardous environments. The platform has been characterised from a fault tolerance perspective: fault models at FPGA CLB level and processing elements level are proposed, and using the RE, a systematic fault analysis for one fault in every processing element and for two accumulated faults is done. – A dynamic filtering quality platform that permits on-line adaptation to different types of noise and different computing behaviours considering the available computing resources. On one side, non-destructive filters are evolved, enabling scalable cascaded filtering schemes; and on the other, size-scalable filters are also evolved considering dynamically changing computational filtering requirements. This dissertation is organized in four parts and nine chapters. First part contains chapter 1, the introduction to and motivation of this PhD work. Following, the reference framework in which this dissertation is framed is analysed in the second part: chapter 2 features an introduction to the notions of self-adaptation and autonomic computing as a more general research field to the very specific one of this work; chapter 3 introduces evolutionary computation as the technique to drive adaptation; chapter 4 analyses platforms for reconfigurable computing as the technology to hold self-adaptive hardware; and finally chapter 5 defines, classifies and surveys the field of Evolvable Hardware. Third part of the work follows, which contains the proposal, development and results obtained: while chapter 6 contains an statement of the thesis goals and the description of the proposal as a whole, chapters 7 and 8 address parametric and structural self-adaptation, respectively. Finally, chapter 9 in part 4 concludes the work and describes future research paths.

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

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

Sistema de orientación en espacios interiores mediante balizas digitales

El planteamiento inicial de este proyecto surge debido a que hay personas con discapacidad cognitiva que se desorientan con mucha facilidad en espacios interiores. Para guiar a esas personas no se pueden usar los sistemas basados en GPS que se utilizan hoy en día en vehículos, ya que estos sistemas no funcionan en lugares cerrados porque no reciben la señal de los satélites. Por consiguiente se ha propuesto una solución basada en otra tecnología para que estas personas, a través de su dispositivo móvil, puedan guiarse en un sitio cerrado. Este Trabajo de Fin de Grado parte inicialmente de un Practicum realizado en el semestre anterior, donde se investigó sobre posibles soluciones de balizas digitales (iBeacons) y se estudió la tecnología iBeacon para conocer la posición del móvil en un espacio cerrado. El principal problema que se encontró fue la falta de precisión a la hora de estimar la distancia (en metros) que hay entre baliza y dispositivo móvil. El objetivo para este trabajo de fin de grado ha sido primeramente resolver el problema comentado anteriormente y una vez resuelto, implementar un prototipo móvil para el sistema operativo Android de un sistema de orientación en espacios interiores para personas con discapacidad cognitiva. Este prototipo ha sido implementado ayudándose de balizas digitales (iBeacons) y utilizando el método de trilateración para conocer la posición del usuario en un sitio cerrado. Además se han aprovechado los sensores (acelerómetro y sensor magnético terrestre) del dispositivo móvil como refuerzo de posicionamiento y para seguir de forma más precisa el movimiento del usuario. En el prototipo actual no se han dedicado recursos a diseñar una interacción fácil para personas con discapacidad cognitiva, debido a que su principal objetivo ha sido evaluar el funcionamiento de las balizas y las posibilidades del sistema de orientación. El resultado final de este TFG es incorporar una serie de luces asociadas a cada una de las balizas que ayuden al usuario a orientarse con mayor facilidad.---ABSTRACT---The initial approach of this project arises because there are people with cognitive disabilities who become disoriented in closed sites. To guide these people it cannot be used GPS, because this system does not work in closed sites because it does not receive the satellite signals. Therefore, it has proposed a solution based on another technology so that these people, through their smartphone, can be guided in a closed site. This final degree project comes from a Practicum made in the previous semester, where possible solutions about iBeacons were investigated and the iBeacon technology was studied too. All this, to know the mobile position in a closed site. The main problem encountered was the lack of precision to calculate the distance between a mobile phone and a beacon. The first objective has been to solve distance problem mentioned above, once resolved it has implemented a prototype, which consists in a guidance system in closed sites for a people with cognitive disabilities. This prototype has been implemented with beacons and trilateration to know user position in a closed site. In addition, mobile phone sensors have been used to follow user movement. In the current prototype, the main objective has been evaluate iBeacons performance and the guidance system. The result of this TFG is to incorporate a series of lights associated with each of the beacons to make easier the orientation.

Soluciones de control para el Hogar Digital Accesible

En este proyecto, se pretende obtener la solución óptima para el control del hogar digital accesible. Para ello, comenzaremos explicando el funcionamiento básico de un sistema dómotico, enumeraremos los diversos dispositivos que se utilizan en este tipo de automatizaciones, y comentaremos las diferentes posibilidades con respecto a la arquitectura del sistema. Para elegir la opción más adecuada, se realizará un pequeño estudio a acerca de cada una de las tecnologías existentes, protocolos cerrados, y abiertos, así como tecnologías inalámbricas o de bus. Se realizará un estudio con mayor profundidad del estándar KNX, ya que será una de las tecnologías elegidas finalmente para la realización del proyecto. Una vez elegido el estándar, hemos de centrarnos en las necesidades del recinto, para así poder empezar a definir cada uno de los elementos que incluiremos en nuestra instalación, sensores, actuadores, elementos de intercomunicación, procesadores y dispositivos de control. El siguiente paso consistiría en la programación de la vivienda, para ello hemos de tener previamente estructurados y definidos tanto el número de circuitos eléctricos, como la función que estos desempeñan dentro del recinto inteligente, es decir, accionamiento, regulación etc, para así poder asignar cada circuito a la salida correspondiente de su propio actuador. La vivienda se programará a través de ETS, software asociado a la marca KNX. Mediante este protocolo controlaremos, iluminación, motores, climatización y seguridad. Debido a los recursos limitados que ofrece KNX con respecto a la programación lógica de eventos y secuencias de acciones, y la necesidad de visualizar la interfaz gráfica de la vivienda se ha integrado un procesador. Considerando el deseo de integrar el control de un televisor en la vivienda, futuras ampliaciones y otros aspectos, el procesador integrado será de Crestron Electronics, marca correspondiente a un protocolo cerrado de automatización de sistemas, que cuenta con grandes avances en el control multimedia. Por tanto, la segunda parte de la programación se realizará mediante otros dos softwares diferentes, pertenecientes a la marca, Simple Windows se encargará de la programación lógica del sistema, mientras que Vision Tools creará la visualización. Por último, obtendremos las conclusiones necesarias, adjuntaremos un diagrama de conexionado, presupuesto de la instalación, planos y un pequeño manual de usuario. ABSTRACT. The aim of this project is to optimize the environment control of the Accesible Digital Home unit located in ETSIST - UPM, through different essays, valuing the domestic possibilities and the current interfaces. The tests will be carried out comparing different protocols and the possibilities of optimization that they offer to a Digital Home. Aspects such as: ease the communications with other systems, reliability, costs, long term maintenance of the installation, etc. After conducting trials protocol or most appropriate technology for the automation of the enclosure shall be elected. One Chosen the standard, we have to focus on the needs of the enclosure, so, to begin defining each of the elements included in our installation, sensors, actuators, elements intercom, processors and control devices. The next step is the programing of housing, for that we have previously structured and defined both the number of electrical circuits, as the role they play in the intelligent enclosure, that is, switching, dimming etc., in order to assign each circuit to the corresponding output of its own actuator. The house will be scheduled through ETS, software associated with the brand KNX. Through this protocol we will control, lighting, motors, air conditioning and security. Due to the limited resources available in KNX with respect logic programming of events and sequences of actions, and the need to display the graphical interface housing has been integrated processor belonging to the closed protocol or Crestron electronics brand. Finally, when we get the necessary conclusions, enclose a diagram of wiring, installation budget, planes and a small manual.

La casa industrializada : seis propuestas para este milenio

La Casa Industrializada supone el ideal de realizar la casa unifamiliar a través de la potencia y los procedimientos de la industria. Como tal, la casa supone un producto industrial más sujeto a la lógica de la reproducción y del consumo. Como producto de consumo la casa debe establecerse como objeto de deseo, accesible al grupo de usuarios-consumidores al que va dirigido. El sueño de la Casa Industrializada se origina en la primera Revolución Industrial y se consolida en la segunda tras la producción del Ford T y la adhesión de los padres del movimiento moderno. A lo largo de su historia se han sucedido casos de éxito y fracaso, los primeros con la realización de un producto de imagen convencional y los segundos la mayor parte de las veces dirigidos por arquitectos. El sueño de la Casa Industrializada de la mano de arquitectos está comenzando a ser una realidad en Japón, Suecia y Estados Unidos a través de marcas como MUJI, Arkitekthus y Living Homes, pero aún dista de ser un hecho extendido en nuestra sociedad. Para que este ideal se cumpla deberá ofrecer valores que permita a la sociedad hacerlo suyo. La Tesis busca analizar la historia y la metodología de la Casa Industrializada, desde el diseño a la comercialización con el fin de ofrecer esos valores en forma de propuestas para la Casa Industrializada en este milenio. La casa como producto industrial-producto de consumo supera las lógicas tradicionales de la arquitectura para operar dentro del contexto de la producción industrial y la reproducción de los objetos. En este sentido es necesario establecer no solo la forma y construcción de la casa sino los mecanismos de reproducción con sus pertinentes eficiencias. La Casa industrializada no se construye, se monta, y para ello utiliza las estrategias de la construcción en seco, la prefabricación, el uso de componentes y los materiales ligeros. Desde la lógica del consumo, la casa debe dirigirse a un determinado público, no es más la casa para todos, característica de las situaciones de crisis y de emergencia. La casa se enfrenta a un mercado segmentado, tanto en cultura, como en deseos y poderes adquisitivos. En la cuestión del diseño debe plantearse más como diseño de producto que como diseño arquitectónico. La Casa Industrializada no es el fruto de un encargo y de una acción singular, debe ofrecerse lista para adquirir y para ser reproducida. Esta reproducción se puede dar tanto en la forma de modelos cerrados o sistemas abiertos que permitan la personalización por parte de los usuarios. Desde el ámbito cultural es necesario entender que la casa es más que una máquina de habitar, es un receptor de emociones, forma parte de nuestra memoria y nuestra cultura. La casa como producto social es una imagen de nosotros mismos, define la manera en la que nos situamos en el mundo y por tanto supone una definición de estatus. En esto, la Tesis se apoya en los textos de Baudrillard y su análisis de la sociedad de consumo y el papel de los objetos y su valor como signo. La Tesis realiza un repaso de los procedimientos industriales con especial énfasis en la producción automovilística y sitúa la evolución de la Casa Industrializada en relación a la evolución de los avances en los sistemas de producción industrial y las transferencias desde las industrias del automóvil y aeronáutica. La tesis se completa con una serie de casos de estudio que parten de las primeras casas de venta por correo de principios del siglo XX, pasando por las propuestas de Gropius, Fuller, el Case Study House Program, Prouvé, Sota y acaban con la situación actual. La Casa Industrializada ha mantenido una serie de valores a lo largo de su historia, como ideal, forma un cuerpo estable de propuestas que no se ha modificado a lo largo del tiempo. Con respecto a este nuevo milenio este ideal no debe ser cambiado sino simplemente actualizado y adaptado a los métodos de producción y las necesidades, sueños y exigencias de la sociedad de hoy. ABSTRACT The industrialized House provides an ideal to manufacture the house through the power and strategies of the industry. As such, the house becomes an industrial product that respond to the logic of reproduction and consumption. As a comodity, the house must become a desirable object, accessible to the group of the consumers to which is targeted The dream of the Industrialized home is originated in the First Industrial Revolution and it is consolidated in the second one after Ford´s production of Model T and the incorporation of the principal figures of the modern movement to the ideal of making houses at the factories. Throughout history there have been cases of success and failure, the first with the completion of a product of conventional image and the second most often led by architects. Industrialized dream house made by architects is starting to become a reality in Japan, Sweden and the United States through brands such as MUJI, Arkitekthus and Living Homes, but still far from beeing a widespread fact in our society. To fulfill this ideal, it should provide values that society could accept as of their own. The Thesis seeks to analyze the history and methodology of industrialized house, from design to marketing in order to offer these values in the form of proposals for industrialized house in this millennium. The house as an industrial-product-comodity extend beyond the traditional architectural logic to operate within the context of industrial production and the reproduction of objects. In this sense it is necessary to establish not only the shape and construction of the house but the mechanisms of reproduction with its relevant efficiencies. Industrialized house is not built it is assembled, and it uses the strategies of dry construction, prefabrication, using lightweight materials and components. From the logic of consumption, the house must go to a certain audience, it is no longer the home for all that is characteristic of crisis respond and emergency. The house faces a segmented market, both in culture and desires and purchasing power. On the question of design it must be considered more like product design than architectural design. Industrialized House is not the result of a commission and a singular action, it should be offered pret-a-porter and able to be reproduced. This reproduction can be given in form of closed or open systems models that allow its customization by users. From the cultural sphere is necessary to understand that the house is more than a machine for living, is a recipient of emotions, is part of our memory and our culture. The home as a social product is an image of ourselves, defines the way in which we place ourselves in the world and therefore represents a definition of status. In this aspect, the thesis is based on the texts of Baudrillard and his analysis of consumption society and the role of objects and its value as a sign in it. The thesis makes a review of the industrial processes with emphasis on automotive production and places the evolution of industrialized House in relation to the evolution of developments in industrial production systems and transfers from the automotive and aeronautics industries. The thesis is completed with a series of case studies that starts from the first mail order houses from the early twentieth century, going through the proposal of Gropius, Fuller, the Case Study House Program, Prouvé, Sota and end up with the current situation. Industrialized House has held a series of values throughout its history, as an ideal, forms a stable corps of proposals that has not changed over time. Regarding this new millennium this ideal should not be changed but simply be updated and adapted to production methods and needs, dreams and demands of today's society.

A depredação das áreas de preservação permanente e de reserva legal florestal do bioma Cerrado como causa de desapropriação da propriedade rural por interesse social

Inclui anexos: Distribuição das áreas dos cerrados do Brasil (mapa); árvores e arbustos identificados no bioma cerrado; espécies de animais descritos no bioma cerrado; ocupação das áreas do cerrado e projeção (em milhões de hectares); cobertura vegetal e uso do solo no Distrito Federal; perda de cobertura no Distrito Federal no período de 1954-1998

Sincronías entre ciclos educativos, métodos pedagógicos y arquitecturas escolares

I.- Enseñanza, pedagogía y arquitectura escolar. ¿Existe alguna relación entre ciclos de enseñanza, metodologías docentes y construcciones escolares? Esta parece ser la obsesión que ha guiado a los expertos de estos tres frentes en el siglo XX con el fin de definir la concreción física de los lugares para la transmisión de conocimientos y la formación de los alumnos. Y los tres frentes han ido cambiando: de la docencia informativa y dirigida a la formativa y participativa, del aprendizaje impositivo y memorístico al colaborativo y creativo, y de la construcción jerarquizada y cerrada a las arquitecturas libres y abiertas. Hoy los debates sobre la enseñanza del saber parecen centrarse menos en el ‘qué’ y más en el ‘cómo’ se enseña. A esta situación de consenso quizás se ha llegado tras décadas de experiencias docentes y estudios pedagógicos, cuestiones en las que los arquitectos intervienen poco. La administración de este ‘saber’ tiene varios límites que el poder regula, pero su escenificación en arquitecturas docentes ha quedado en manos de los profesionales para quienes la nueva tradición moderna ha señalado el método racional para proyectar. II.- Contenedores docentes: el aula como módulo base. Toda arquitectura responde a un programa de necesidades para cumplir su fin y todo contenedor escolar es materia abstracta antes de ser materia física, pero una materia normalizada en reglamentos. Contenidos del saber y métodos de aprendizaje se precipitan en los centros docentes. En el caso de España este proceso acusa cuatro hitos. Primero: en los años 30 la Constitución defiende la enseñanza pública, gratuita y laica. Segundo: en los años 50, se fija la edad de escolarización en los 10 años y se crea la formación profesional. Tercero: en los años 70 se aprueba la ley que eleva hasta los 14 años la enseñanza obligatoria. Y cuarto: en los 90 se promulga la ley que la amplía hasta los 16 años. ¿Qué relaciones mantienen, pues, ciclos de enseñanza, métodos pedagógicos y arquitecturas docentes? Todo comienza en el aula, donde tiene lugar la enseñanza. El jardín de infancia, la escuela, el colegio y el instituto resultan de la combinación modular de aulas genéricas y espacios específicos a los que se suman los recintos –cerrados o abiertos– para el deporte y el esparcimiento. Este es el relato de las modulaciones en la definición de tipos y soluciones de la arquitectura escolar a través de las combinaciones del módulo aula definido por la arquitectura moderna.

Análise da variabilidade climática sobre a produtividade da soja no município de Bom Jesus (PI)

The climate is still main responsible for the variations soybean productivity (Glycine max (L.) Merrill), exerting a limiting action on these agricultural systems. The bomjesuense cerrado, this culture has proved, over the years, an increase of cultivated areas, however, productivity does not keep the same pace, going through periods of oscillations. Thus, although the crop is added to high technology, culture has great vulnerability to climatic adversities. Thus, the present study aims to analyze possible trends in meteorological variables, which can influence the soybean yield in Bom Jesus. For this purpose, different datasets were used, as follows: i) two periods of daily data (1984-2014 and 1974-2014), both obtained from the National Meteorological Institute (INMET); ii) climate normals from 1961-1990 as defined by INMET; iii) local agricultural production data of soybean-year (1997/1998 to 2012/2013) obtained from the Municipal Agricultural Production (PAM) dataset, which is management by Brazilian Institute of Geography and Statistics (IBGE). The analysis procedures included calculations of climate normals for 1984 to 2014 period and some statistical applications, as follows: i) the Wilcoxon test, used to evaluate differences between climate normals (1961 to 1990 and 1984 to 2014); ii) the Mann-Kendall nonparametric test, in order to analyze the linear trend of agrometeorological variables (rainfall, maximum temperature, minimum temperature and diurnal range of temperature; iii) cluster analysis by Ward method and the Spearman correlation test (rs) to identify the relationship between agrometeorological variable and soybean annual productivity. We adopted a statistical significance level of 5%. The results indicate changes in seasonality of the 1984-2014 climatology with respect to past climatology for all variables analyzed, except for insolation and precipitation. However, the monthly analysis of precipitation indicate negative trend during October and positive trend in December, causing a delay in start of rainy season. If this trend is persistent this result must be considered in futures definitions of the soybean crop sowing date over the region studied. With Mann-Kendall test was possible to identify positive trends with statistical significance in maximum temperature for all month forming part of soybean cycle (from November to April), which in turn tends to cause adverse effects on crop physiology, and consequently impacts on the final yield. Was identified a significant positive correlation between soybean yield and precipitation observed in March, thus precipitation deficit in this month is harmful to the soybean crop development. No statistically significant correlation was identified among maximum temperature, minimum temperature, and DTR with annual soybean productivity due these range of meteorological variables are not limiting factors in the final soybean yield in Bom Jesus (PI). It is expected that this study will contribute to propose planning strategies considering the role of climate variability on soybean crop final yield.

Propagação in vitro de barueiro (Dipteryx alata Vog.)

Savannah is the second biome in biodiversity in Brazil, presenting great vegetation endemism. Dipteryx alata Vog. (Fabaceae), native from this biome, is an economically important species, with an incipient market due to the lack of commercial plantations. This highlights the need to develop and provide the basis for the domestication of this species. Thus, this study determined the best conditions for in vitro establishment, multiplication, elongation and rooting of stem tips of D. alata plantlets grown vitro. Two culture media (MS and WPM) were evaluated in different salt concentrations (25, 50, 75 and 100%) for plantlet establishment. Four concentrations of 6– Benzylaminopurine (BAP) (0, 1, 2, 3 and 4 mg L-1) amended with 0.25 mg L-1 naphthalene-acetic acid (NAA) were studied for multiplication. Simultaneous elongation and rooting were studied with four concentrations of NAA (0, 1, 2, 3 and 4 mg L-1) together with 0.5 mg L-1 IBA. The variables analyzed were: shoot length (CPA), root length (CP), fresh matter (MF), dry matter (MSC), stem diameter (DC) and number of leaves (NF), 120 days after inoculation, with the exception of number of shoots, which was evaluated in the multiplication stage only. The medium MS at the original salt concentration (100%) was effective for the in vitro establishment of E. alata, resulting in greater root length (27.65 cm) and number of leaves per plantlet (26.0). The concentration of 4 mg L-1 BAP was the best one for multiplication; however, greater concentrations can boost multiplication. The effect of NAA and IBA were noticeable on in vitro elongation and rooting, with best CPA (3.14 cm) and CR (15.84 cm). Therefore, it is possible to state that the medium MS increases the success probability of in vitro establishment of stem tips of Dipteryx alata. NAA concentrations below 3 mg L-1 were favorable for in vitro development of the species, with essential characteristics for acclimatization success|.

Cidade média do agronegócio: os efeitos da reestruturação produtiva no município de Rio Verde/GO

The average cities inserted in the areas of the Brazilian Cerrado are restructuring in the rural and urban areas in recent decades as a result of agricultural investments. Representative of this process, we chose Rio Verde due to two processes: to develop socioeconomically depending on agricultural production restructuring Cerrado after 1970 and offer average city features regional centrality and intra-urban contradictions. So we have as the problem situation the fact of Rio Verde be inserted in an agricultural region, where the restructured field creates cooperation with the agricultural industry and the tertiary sector, structuring a regional agribusiness success. However, let us doubts about the effects of the restructuring process in socio-economic and environmental terms, in relation to the field and the city. Therefore, the aim of this thesis is to contribute to the discussion about the medium- sized Cerrado cities whose functions are linked to agribusiness, and understand the logic and the effects of the restructuring process in rural and urban areas, having Rio Verde – GO as the reference for studying. Regarding the methodological practice research, it is a qualitative research, developed based on three pillars: theoretical, documentary and field. We conclude the thesis stating that the modern field, the result of agricultural production restructuring, fomented an economy specialized in agribusiness, which led to the enrichment of the field, the formation of agro-industrial complex and the formation of an average city, specializing in agribusiness, whose centrality exceeds its micro-region. In terms of effects, we conclude that process agricultural production restructuring, generated positive impacts for the insertion of Savannahs in the national economy, and to the cities inserted in the modern field. On the other hand, country and city inserted in agricultural regions, masked under the agribusiness speech, perverse effects of socioeconomic and environmental order, is an inviting system to invest and exclusionary, when there is nothing to offer. Thus, the problems are choked on site, leaving only the speech of wealth to be disclosed in the national order.

Respostas ecofisiológicas de Cybistax antisyphilitica Mart. (Ipê verde) em função das alterações na intensidade de luz

Light varies widely in both time and space in forest formation of “Bioma Cerrado”. Cybistax antisyphilitica occurs in areas typical of this biome, such as cerrado sensu stricto, “cerradões”, and altered areas. The aim of this study was to understand the morphological and physiological responses of C. antisyphilitica to alterations in light intensity. Juvenile plants (5 month of age) were taken to a fragment of semideciduous forest in Uberlândia-MG, and were divided into three treatments: 50 were maintained under the canopy (UC) 20 were kept in small gap (SG) and 20 were maintained under in full sun (FS). The daily courses of chlorophyll a fluorescence were made at the beginning, middle and end of dry season in 2015. At the end of the experiment measurements of chlorophyll content, gas exchange and growth were made. The plants showed dynamic photoinhibition as exhibited by reductions on Fv/Fm close to midday at the end of the dry season. Regarding the effective quantum yield (ΔF/Fm'), plants under FS showed reduced values that coincided with the higher values of electron transport rates (ETR). Plants under FS showed higher values of net CO2 assimilation rates, stomatal conductance, transpiration rates, water use efficiency and chlorophyll content compared to plants under UC. The stem diameter, dry mass of leaves and stem, total dry mass and relative growth rate were higher in plants under FS than plants under UC. On the other hand, plants under UC showed superior values of height, specific leaf area and leaf area ratio. Our results indicate that C. antisyphilitica has plasticity to survive in the contrasting light environments of the semideciduous forests, but this species was able to growth better under full sun conditions.

Sobre la Enseñanza y sus elementos

Si al aproximarnos al modelo teórico de la Educación Corporal encontramos que a lo Real uno solo puede acercarse infinitamente, no debemos preocuparnos sino ocuparnos del asunto de manera consecuente. Es decir, que no podamos contar con una cosa en sí, que no concibamos un Real prediscursivo nos coloca en un lugar bastante preciso. Ese posicionamiento puede admitir una fórmula que articule, por ejemplo, con la idea que se manifiesta cuando pensamos en la enseñanza, a saber, un proceso en que los productos acabados y cerrados no pueden ser otra cosa que ficciones. Para la EC el aprendizaje no puede garantizarlo el maestro, aunque si puede hacer más con la enseñanza, tampoco es todo. El todo no existe, a menos que todo sea abierto. La enseñanza es abierta e inacabada, no hay una manera como no hay algo concreto a trasmitir. Si bien podemos convenir en que, efectivamente, existe un fragmento (de cultura) a trasmitir

Sobre la Enseñanza y sus elementos

Si al aproximarnos al modelo teórico de la Educación Corporal encontramos que a lo Real uno solo puede acercarse infinitamente, no debemos preocuparnos sino ocuparnos del asunto de manera consecuente. Es decir, que no podamos contar con una cosa en sí, que no concibamos un Real prediscursivo nos coloca en un lugar bastante preciso. Ese posicionamiento puede admitir una fórmula que articule, por ejemplo, con la idea que se manifiesta cuando pensamos en la enseñanza, a saber, un proceso en que los productos acabados y cerrados no pueden ser otra cosa que ficciones. Para la EC el aprendizaje no puede garantizarlo el maestro, aunque si puede hacer más con la enseñanza, tampoco es todo. El todo no existe, a menos que todo sea abierto. La enseñanza es abierta e inacabada, no hay una manera como no hay algo concreto a trasmitir. Si bien podemos convenir en que, efectivamente, existe un fragmento (de cultura) a trasmitir

Sobre la Enseñanza y sus elementos

Si al aproximarnos al modelo teórico de la Educación Corporal encontramos que a lo Real uno solo puede acercarse infinitamente, no debemos preocuparnos sino ocuparnos del asunto de manera consecuente. Es decir, que no podamos contar con una cosa en sí, que no concibamos un Real prediscursivo nos coloca en un lugar bastante preciso. Ese posicionamiento puede admitir una fórmula que articule, por ejemplo, con la idea que se manifiesta cuando pensamos en la enseñanza, a saber, un proceso en que los productos acabados y cerrados no pueden ser otra cosa que ficciones. Para la EC el aprendizaje no puede garantizarlo el maestro, aunque si puede hacer más con la enseñanza, tampoco es todo. El todo no existe, a menos que todo sea abierto. La enseñanza es abierta e inacabada, no hay una manera como no hay algo concreto a trasmitir. Si bien podemos convenir en que, efectivamente, existe un fragmento (de cultura) a trasmitir