Snow height on sea ice and sea ice drift from autonomous measurements from buoy 2014S15, deployed during POLARSTERN cruise ARK-XXVIII/4 (PS87)

Snow height was measured by the Snow Depth Buoy 2014S15, an autonomous platform, drifting on Arctic sea ice, deployed during POLARSTERN cruise ARK-XXVIII/4 (PS87). The resulting time series describes the evolution of snow depth as a function of place and time between 2014-08-29 and 2014-12-31 in sample intervals of 1 hour. The Snow Depth Buoy consists of four independent sonar measurements representing the area (approx. 10 m**2) around the buoy. The measurements describe the position of the sea ice surface relative to the original snow-ice interface. Differences between single sensors indicate small-scale variability of the snow pack around the buoy. The data set has been processed, including the removal of obvious inconsistencies (missing values). The buoy was installed on multi year ice. In addition to snow depth, geographic position (GPS), barometric pressure, air temperature, and ice surface temperature were measured. Records without any snow depth may still be used for sea ice drift analyses. Note: This data set contains only relative changes in snow depth, because no initial readings of absolute snow depth are available.

Snow height on sea ice and sea ice drift from autonomous measurements from buoy 2014S17, deployed during POLARSTERN cruise ANT-XXX/2 (PS89)

Snow height was measured by the Snow Depth Buoy 2014S17, an autonomous platform, drifting on Antarctic sea ice, deployed during POLARSTERN cruise ANT-XXX/2 (PS89). The resulting time series describes the evolution of snow depth as a function of place and time between 2014-12-20 and 2015-02-01 in sample intervals of 1 hour. The Snow Depth Buoy consists of four independent sonar measurements representing the area (approx. 10 m**2) around the buoy. The buoy was installed on first year ice. In addition to snow depth, geographic position (GPS), barometric pressure, air temperature, and ice surface temperature were measured. Negative values of snow depth occur if surface ablation continues into the sea ice. Thus, these measurements describe the position of the sea ice surface relative to the original snow-ice interface. Differences between single sensors indicate small-scale variability of the snow pack around the buoy. The data set has been processed, including the removal of obvious inconsistencies (missing values). In this data set, diurnal variations occur in the data set, although the sonic readings were compensated for temperature changes. Records without any snow depth may still be used for sea ice drift analyses.

Snow height on sea ice and sea ice drift from autonomous measurements from buoy 2014S24, deployed during Antarctic Fast Ice Network 2014 (AFIN 2014)

Snow height was measured by the Snow Depth Buoy 2014S24, an autonomous platform, installed close to Neumayer III Base, Antarctic during Antarctic Fast Ice Network 2014 (AFIN 2014). The resulting time series describes the evolution of snow depth as a function of place and time between 2014-03-07 and 2014-05-16 in sample intervals of 1 hour. The Snow Depth Buoy consists of four independent sonar measurements representing the area (approx. 10 m**2) around the buoy. The buoy was installed on the ice shelf. In addition to snow depth, geographic position (GPS), barometric pressure, air temperature, and ice surface temperature were measured. Negative values of snow depth occur if surface ablation continues into the sea ice. Thus, these measurements describe the position of the sea ice surface relative to the original snow-ice interface. Differences between single sensors indicate small-scale variability of the snow pack around the buoy. The data set has been processed, including the removal of obvious inconsistencies (missing values). Records without any snow depth may still be used for sea ice drift analyses. Note: This data set contains only relative changes in snow depth, because no initial readings of absolute snow depth are available.

Influence of Current Pulse Shape on Directly Modulated Systems Performance in Metro Area Optical Networks

Due to the fact that a metro network market is very cost sensitive, direct modulated schemes appear attractive. In this paper a CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) system is studied in detail by means of an Optical Communication System Design Software; a detailed study of the modulated current shape (exponential, sine and gaussian) for 2.5 Gb/s CWDM Metropolitan Area Networks is performed to evaluate its tolerance to linear impairments such as signal-to-noise-ratio degradation and dispersion. Point-to-point links are investigated and optimum design parameters are obtained. Through extensive sets of simulation results, it is shown that some of these shape pulses are more tolerant to dispersion when compared with conventional gaussian shape pulses. In order to achieve a low Bit Error Rate (BER), different types of optical transmitters are considered including strongly adiabatic and transient chirp dominated Directly Modulated Lasers (DMLs). We have used fibers with different dispersion characteristics, showing that the system performance depends, strongly, on the chosen DML?fiber couple.

Self-validating technique for the measurement of the linewidth enhancement factor in semiconductor lasers

A new method for measuring the linewidth enhancement factor (α-parameter) of semiconductor lasers is proposed and discussed. The method itself provides an estimation of the measurement error, thus self-validating the entire procedure. The α-parameter is obtained from the temporal profile and the instantaneous frequency (chirp) of the pulses generated by gain switching. The time resolved chirp is measured with a polarization based optical differentiator. The accuracy of the obtained values of the α-parameter is estimated from the comparison between the directly measured pulse spectrum and the spectrum reconstructed from the chirp and the temporal profile of the pulse. The method is applied to a VCSEL and to a DFB laser emitting around 1550 nm at different temperatures, obtaining a measurement error lower than ± 8%.

Generic multisensor multitarget bias estimation architecture

Current bias estimation algorithms for air traffic control (ATC) surveillance are focused on radar sensors, but the integration of new sensors (especially automatic dependent surveillance-broadcast and wide area multilateration) demands the extension of traditional procedures. This study describes a generic architecture for bias estimation applicable to multisensor multitarget surveillance systems. It consists on first performing bias estimations using measurements from each target, of a subset of sensors, assumed to be reliable, forming track bias estimations. All track bias estimations are combined to obtain, for each of those sensors, the corresponding sensor bias. Then, sensor bias terms are corrected, to subsequently calculate the target or sensor-target pair specific biases. Once these target-specific biases are corrected, the process is repeated recursively for other sets of less reliable sensors, assuming bias corrected measures from previous iterations are unbiased. This study describes the architecture and outlines the methodology for the estimation and the bias estimation design processes. Then the approach is validated through simulation, and compared with previous methods in the literature. Finally, the study describes the application of the methodology to the design of the bias estimation procedures for a modern ATC surveillance application, specifically for off-line assessment of ATC surveillance performance.

A Case Study of Geometric Modelling via 3-D Point Interpolation for the Bathymetry of the Rabasa Lakes (Alicante, Spain)

The interpolation of points by means of Information Technology programs appears as a technical tool of some relevancy in the hydrogeology in general and in the study of the humid zones in particular. Our approach has been the determination of the 3-D geometry of the humid zones of major depth of the Rabasa Lakes. To estimate the topography of the lake bed, we proceed to acquire information in the field by means of sonar and GPS equipment. A total of 335 points were measured both on the perimeter and in the lake bed. In a second stage, this information was used in a kriging program to obtain the bathymetry of the wetland. This methodology is demonstrated as one of the most reliable and cost-efficient for the 3-D analysis of this type of water masses. The bathymetric study of the zone allows us to characterize the mid- and long-term hydrological evolution of the lakes by means of depth-area-volume curves.

Web based interactive educational software introducing semiconductor laser dynamics: Sound Of Lasers (SOL)

In this work, educational software for intuitive understanding of the basic dynamic processes of semiconductor lasers is presented. The proposed tool is addressed to the students of optical communication courses, encouraging self consolidation of the subjects learned in lectures. The semiconductor laser model is based on the well known rate equations for the carrier density, photon density and optical phase. The direct modulation of the laser is considered with input parameters which can be selected by the user. Different options for the waveform, amplitude and frequency of thpoint. Simulation results are plotted for carrier density and output power versus time. Instantaneous frequency variations of the laser output are numerically shifted to the audible frequency range and sent to the computer loudspeakers. This results in an intuitive description of the “chirp” phenomenon due to amplitude-phase coupling, typical of directly modulated semiconductor lasers. In this way, the student can actually listen to the time resolved spectral content of the laser output. By changing the laser parameters and/or the modulation parameters,consequent variation of the laser output can be appreciated in intuitive manner. The proposed educational tool has been previously implemented by the same authors with locally executable software. In the present manuscript, we extend our previous work to a web based platform, offering improved distribution and allowing its use to the wide audience of the web.

Processing of ultra-wideband low-frequency signals, for application in Foliage Penetration (FOPEN) Synthetic Aperture Radar (SAR) systems

Foliage Penetration (FOPEN) radar systems were introduced in 1960, and have been constantly improved by several organizations since that time. The use of Synthetic Aperture Radar (SAR) approaches for this application has important advantages, due to the need for high resolution in two dimensions. The design of this type of systems, however, includes some complications that are not present in standard SAR systems. FOPEN SAR systems need to operate with a low central frequency (VHF or UHF bands) in order to be able to penetrate the foliage. High bandwidth is also required to obtain high resolution. Due to the low central frequency, large integration angles are required during SAR image formation, and therefore the Range Migration Algorithm (RMA) is used. This project thesis identifies the three main complications that arise due to these requirements. First, a high fractional bandwidth makes narrowband propagation models no longer valid. Second, the VHF and UHF bands are used by many communications systems. The transmitted signal spectrum needs to be notched to avoid interfering them. Third, those communications systems cause Radio Frequency Interference (RFI) on the received signal. The thesis carries out a thorough analysis of the three problems, their degrading effects and possible solutions to compensate them. The UWB model is applied to the SAR signal, and the degradation induced by it is derived. The result is tested through simulation of both a single pulse stretch processor and the complete RMA image formation. Both methods show that the degradation is negligible, and therefore the UWB propagation effect does not need compensation. A technique is derived to design a notched transmitted signal. Then, its effect on the SAR image formation is evaluated analytically. It is shown that the stretch processor introduces a processing gain that reduces the degrading effects of the notches. The remaining degrading effect after processing gain is assessed through simulation, and an experimental graph of degradation as a function of percentage of nulled frequencies is obtained. The RFI is characterized and its effect on the SAR processor is derived. Once again, a processing gain is found to be introduced by the receiver. As the RFI power can be much higher than that of the desired signal, an algorithm is proposed to remove the RFI from the received signal before RMA processing. This algorithm is a modification of the Chirp Least Squares Algorithm (CLSA) explained in [4], which adapts it to deramped signals. The algorithm is derived analytically and then its performance is evaluated through simulation, showing that it is effective in removing the RFI and reducing the degradation caused by both RFI and notching. Finally, conclusions are drawn as to the importance of each one of the problems in SAR system design.

Gestión de ideas innovadoras

El trabajo de fin de grado que se va a definir detalladamente en esta memoria, trata de poner de manifiesto muchos de los conocimientos que he adquirido a lo largo de la carrera, aplicándolos en un proyecto real. Se ha desarrollado una plataforma capaz de albergar ideas, escritas por personas de todo el mundo que buscan compartirlas con los demás, para que estas sean comentadas, valoradas y entre todos poder mejorarlas. Estas ideas pueden ser de cualquier ámbito, por tanto, se da la posibilidad de clasificarlas en las categorías que mejor encajen con la idea. La aplicación ofrece una API RESTful muy descriptiva, en la que se ha identificado y estructurado cada recurso, para que a través de los “verbos http” se puedan gestionar todos los elementos de una forma fácil y sencilla, independientemente del cliente que la utilice. La arquitectura está montada siguiendo el patrón de diseño modelo vista-controlador, utilizando las últimas tecnologías del mercado como Spring, Liferay, SmartGWT y MongoDB (entre muchas otras) con el objetivo de crear una aplicación segura, escalable y modulada, por lo que se ha tenido que integrar todos estos frameworks. Los datos de la aplicación se hacen persistentes en dos tipos de bases de datos, una relacional (MySQL) y otra no relacional (MongoDB), aprovechando al máximo las características que ofrecen cada una de ellas. El cliente propuesto es accesible mediante un navegador web, se basa en el portal de Liferay. Se han desarrollado varios “Portlets o Widgets”, que componen la estructura de contenido que ve el usuario final. A través de ellos se puede acceder al contenido de la aplicación, ideas, comentarios y demás contenidos sociales, de una forma agradable para el usuario, ya que estos “Portlets” se comunican entre sí y hacen peticiones asíncronas a la API RESTful sin necesidad de recargar toda la estructura de la página. Además, los usuarios pueden registrarse en el sistema para aportar más contenidos u obtener roles que les dan permisos para realizar acciones de administración. Se ha seguido una metodología “Scrum” para la realización del proyecto, con el objetivo de dividir el proyecto en tareas pequeñas y desarrollarlas de una forma ágil. Herramientas como “Jenkins” me han ayudado a una integración continua y asegurando mediante la ejecución de los test de prueba, que todos los componentes funcionan. La calidad ha sido un aspecto principal en el proyecto, se han seguido metodologías software y patrones de diseño para garantizar un diseño de calidad, reutilizable, óptimo y modulado. El uso de la herramienta “Sonar” ha ayudado a este cometido. Además, se ha implementado un sistema de pruebas muy completo de todos los componentes de la aplicación. En definitiva, se ha diseñado una aplicación innovadora de código abierto, que establece unas bases muy definidas para que si algún día se pone en producción, sirva a las personas para compartir pensamientos o ideas ayudando a mejorar el mundo en el que vivimos. ---ABSTRACT---The Final Degree Project, described in detail in this report, attempts to cover a lot of the knowledge I have acquired during my studies, applying it to a real project. The objective of the project has been to develop a platform capable of hosting ideas from people all over the world, where users can share their ideas, comment on and rate the ideas of others and together help improving them. Since these ideas can be of any kind, it is possible to classify them into suitable categories. The application offers a very descriptive API RESTful, where each resource has been identified and organized in a way that makes it possible to easily manage all the elements using the HTTP verbs, regardless of the client using it. The architecture has been built following the design pattern model-view-controller, using the latest market technologies such as Spring, Liferay, Smart GWT and MongoDB (among others) with the purpose of creating a safe, scalable and adjustable application. The data of the application are persistent in two different kinds of databases, one relational (MySQL) and the other non-relational (MongoDB), taking advantage of all the different features each one of them provides. The suggested client is accessible through a web browser and it is based in Liferay. Various “Portlets" or "Widgets” make up the final content of the page. Thanks to these Portlets, the user can access the application content (ideas, comments and categories) in a pleasant way as the Portlets communicate with each other making asynchronous requests to the API RESTful without the necessity to refresh the whole page. Furthermore, users can log on to the system to contribute with more contents or to obtain administrator privileges. The Project has been developed following a “Scrum” methodology, with the main objective being that of dividing the Project into smaller tasks making it possible to develop each task in a more agile and ultimately faster way. Tools like “Jenkins” have been used to guarantee a continuous integration and to ensure that all the components work correctly thanks to the execution of test runs. Quality has been one of the main aspects in this project, why design patterns and software methodologies have been used to guarantee a high quality, reusable, modular and optimized design. The “Sonar” technology has helped in the achievement of this goal. Furthermore, a comprehensive proofing system of all the application's components has been implemented. In conclusion, this Project has consisted in developing an innovative, free source application that establishes a clearly defined basis so that, if it someday will be put in production, it will allow people to share thoughts and ideas, and by doing so, help them to improve the World we live in.

Influencia de un fluido en las características dinámicas de placas circulares y casicirculares

La influencia de un fluido en las características dinámicas de estructuras se ha estudiado desde hace tiempo. Sin embargo muchos estudios se refieren a aplicaciones bajo el agua, como es el caso del sonar de un submarino por lo que el fluido circundante se considera líquido (sin efectos de compresibilidad). Más recientemente en aplicaciones acústicas y espaciales tales como antenas o paneles muy ligeros, ha sido estudiada la influencia en las características dinámicas de una estructura rodeada por un fluido de baja densidad. Por ejemplo se ha mostrado que el efecto del aire en el transmisor-reflector del Intelsat VI C-B con un diámetro de 3,2 metros y con un peso de sólo 34,7 kg disminuye la primera frecuencia en torno a un 20% con respecto a su valor en vacío. Por tanto es importante en el desarrollo de estas grandes y ligeras estructuras disponer de un método con el que estimar el efecto del fluido circundante sobre las frecuencias naturales de éstas. De esta manera se puede evitar el ensayo de la estructura en una cámara de vacío que para el caso de una gran antena o panel puede ser difícil y costoso. Se ha desarrollado un método de elementos de contorno (BEM) para la determinación del efecto del fluido en las características dinámicas de una placa circular. Una vez calculados analíticamente los modos de vibración de la placa en vacío, la matriz de masa añadida debido a la carga del fluido se determina por el método de elementos de contorno. Este método utiliza anillos circulares de manera que el número de elementos para obtener unos resultados precisos es muy bajo. Se utiliza un procedimiento de iteración para el cálculo de las frecuencias naturales del acoplamiento fluido-estructura para el caso de fluido compresible. Los resultados del método se comparan con datos experimentales y otros modelos teóricos mostrando la precisión y exactitud para distintas condiciones de contorno de la placa. Por otro lado, a veces la geometría de la placa no es circular sino casi-circular y se ha desarrollado un método de perturbaciones para determinar la influencia de un fluido incompresible en las características dinámicas de placas casi-circulares. El método se aplica a placas con forma elíptica y pequeña excentricidad. Por una parte se obtienen las frecuencias naturales y los modos de deformación de la placa vibrando en vacío. A continuación, se calculan los coeficientes adimensionales de masa virtual añadida (factores NAVMI). Se presentan los resultados de estos factores y el efecto del fluido en las frecuencias naturales. ABSTRACT The influence of the surrounding fluid on the dynamic characteristics of structures has been well known for many years. However most of these works were more concerned with underwater applications, such as the sonar of a submarine and therefore the surrounding fluid was considered a liquid (negligible compressibility effects). Recently for acoustical and spatial applications such as antennas or very light panels the influence on the dynamic characteristics of a structure surrounded by a fluid of low density has been studied. Thus it has been shown that the air effect for the Intelsat VI C-B transmit reflector with a diameter of 3,2 meters and weighting only 34,7 kg decreases the first modal frequency by 20% with respect to the value in vacuum. It is important then, in the development of these light and large structures to have a method that estimates the effect that the surrounding fluid will have on the natural frequencies of the structure. In this way it can be avoided to test the structure in a vacuum chamber which for a large antenna or panel can be difficult and expensive A BEM method for the determination of the effect of the surrounding fluid on the dynamic characteristics of a circular plate has been developed. After the modes of the plate in vacuum are calculated in an analytical form, the added mass matrix due to the fluid loading is determined by a boundary element method. This method uses circular rings so the number of elements to obtain an accurate result is very low. An iteration procedure for the computation of the natural frequencies of the couple fluid-structure system is presented for the case of the compressibility effect of air. Comparisons of the present method with various experimental data and other theories show the efficiency and accuracy of the method for any support condition of the plate. On the other hand, sometimes the geometry of the plate is not circular but almost-circular, so a perturbation method is developed to determine the influence of an incompressible fluid on the dynamic characteristics of almost-circular plates. The method is applied to plates of elliptical shape with low eccentricity. First, the natural frequencies and the mode shapes of the plate vibrating in vacuum are obtained. Next, the nondimensional added virtual mass coefficients (NAVMI factors) are calculated. Results of this factors and the effect of the fluid on the natural frequencies are presented.

Diseño y simulación de detectores de señales radar utilizando técnicas tiempo-frecuencia

El objetivo de este trabajo fin de grado (TFG) consiste en estudiar algunas técnicas de análisis tiempo-frecuencia y aplicarlas a la detección de señales radar. Estas técnicas se incorporan en los actuales equipos de guerra electrónica radar, tales como los interceptadores digitales. La principal motivación de estos equipos consiste en detectar y localizar las fuentes radiantes enemigas e intentar obtener cierta información de las señales interceptadas, tal como, la dirección de llegada (DOA, Direction Of Arrival), el tiempo de llegada (TOA, Time Of Arrival), amplitud de pulso (PA, Pulse Amplitude), anchura de pulso (PW, Pulse Width), frecuencia instantánea (IF, Instantaneous Frequency) o modulación intrapulso. Se comenzará con un estudio detallado de la Short-Time Fourier Transform (STFT),dado su carácter lineal es la técnica más explotada actualmente. Este algoritmo presenta una mala resolución conjunta tiempo-frecuencia. Este hecho provoca el estudio complementario de una segunda técnica de análisis basada en la distribución de Wigner-Ville (WVD). Mediante este método se logra una resolución optima tiempo-frecuencia. A cambio, se obtienen términos cruzados indeseados debido a su carácter cuadrático. Uno de los objetivos de este TFG reside en calcular la sensibilidad de los sistemas de detección analizados a partir de las técnicas tiempo-frecuencia. Se hará uso del método de Monte Carlo para estimar ciertos parámetros estadísticos del sistema tales como la probabilidad de falsa alarma y de detección. Así mismo, se llevará a cabo el estudio completo de un receptor digital de guerra electrónica a fin de comprender el funcionamiento de todos los subsistemas que componen el conjunto (STFT/WVD, medidor instantáneo de frecuencias, procesamiento no coherente y generación de descriptores de pulso). Por último, se analizará su comportamiento frente a diferentes señales Radar (FM-lineal, BPSK, chirp o Barker). Se utilizará para ello la herramienta Matlab.

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.

Photocleavable biotin derivatives: a versatile approach for the isolation of biomolecules.

While the strong biotin-avidin interaction has been widely used for the detection of biomolecules, its irreversibility complicates their isolation. We report the synthesis of a photocleavable biotin derivative (PCB) which eliminates many limitations of existing methods. This reagent contains a biotin moiety linked through a spacer arm to a photocleavable moiety, which reacts selectively with primary amino groups on any substrate. In experiments using [leucine]-enkephalin as a model substrate, we show that PCB retains its high affinity toward avidin/streptavidin and allows rapid (< 5 min) and efficient (> 99%) photorelease of the substrate in a completely unaltered form. Photocleavable biotins should be useful in numerous applications involving the isolation of proteins, nucleic acids, lipids, and cells.