Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Fatiga en CFRP: Caracterización y Método Óptico para la Estimación del Daño

El desarrollo de nuevas estructuras aeroespaciales optimizadas, utilizan materiales compuestos, para los componentes críticos y subsistemas, principalmente polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP). Un conocimiento profundo del estado de daño por fatiga de estructuras de CFRP avanzado, es esencial para predecir la vida residual y optimizar los intervalos de inspección estructural, reparaciones y/o sustitución de componentes. Las técnicas actuales se basan principalmente en la medición de cargas estructurales a lo largo de la vida útil de la estructura mediante galgas extensométricas eléctricas. Con esos datos, se estima la vida a fatiga utilizando modelos de acumulación de daño. En la presente tesis, se evalúa la metodología convencional para la estimación de la vida a fatiga de un CFRP aeronáutico. Esta metodología está basada en la regla de acumulación de daño lineal de Palmgren-Miner, y es aplicada para determinar la vida a fatiga de estructuras sometidas a cargas de amplitud variable. Se ha realizado una campaña de ensayos con cargas de amplitud constante para caracterizar un CFRP aeronáutico a fatiga, obteniendo las curvas clásicas S-N, en diferentes relaciones de esfuerzo. Se determinaron los diagramas de vida constante, (CLD), también conocidos como diagramas de Goodman, utilizando redes neuronales artificiales debido a la ausencia de modelos coherentes para materiales compuestos. Se ha caracterizado la degradación de la rigidez debido al daño por fatiga. Se ha ensayado un segundo grupo de probetas con secuencias estandarizadas de cargas de amplitud variable, para obtener la vida a fatiga y la degradación de rigidez en condiciones realistas. Las cargas aplicadas son representativas de misiones de aviones de combate (Falstaff), y de aviones de transporte (Twist). La vida a fatiga de las probetas cicladas con cargas de amplitud variable, se comparó con el índice de daño teórico calculado en base a la regla de acumulación de daño lineal convencional. Los resultados obtenidos muestran predicciones no conservativas. Esta tesis también presenta el estudio y desarrollo, de una nueva técnica de no contacto para evaluar el estado de daño por fatiga de estructuras de CFRP por medio de cambios de los parámetros de rugosidad. La rugosidad superficial se puede medir fácilmente en campo con métodos sin contacto, mediante técnicas ópticas tales como speckle y perfilómetros ópticos. En el presente estudio, se han medido parámetros de rugosidad superficial, y el factor de irregularidad de la superficie, a lo largo de la vida de las probetas cicladas con cargas de amplitud constante y variable, Se ha obtenido una buena tendencia de ajuste al correlacionar la magnitud de la rugosidad y el factor de irregularidad de la superficie con la degradación de la rigidez de las probetas fatigadas. Estos resultados sugieren que los cambios en la rugosidad superficial medida en zonas estratégicas de componentes y estructuras hechas de CFRP, podrían ser indicativas del nivel de daño interno debido a cargas de fatiga. Los resultados también sugieren que el método es independiente del tipo de carga de fatiga que ha causado el daño. Esto último hace que esta técnica de medición sea aplicable como inspección para una amplia gama de estructuras de materiales compuestos, desde tanques presurizados con cargas de amplitud constante, estructuras aeronáuticas como alas y colas de aeronaves cicladas con cargas de amplitud variable, hasta aplicaciones industriales como automoción, entre otros. ABSTRACT New optimized aerospace structures use composite materials, mainly carbon fiber reinforced polymer composite (CFRP), for critical components and subsystems. A strong knowledge of the fatigue state of highly advanced (CFRP) structures is essential to predict the residual life and optimize intervals of structural inspection, repairs, and/or replacements. Current techniques are based mostly on measurement of structural loads throughout the service life by electric strain gauge sensors. These sensors are affected by extreme environmental conditions and by fatigue loads in such a way that the sensors and their systems require exhaustive maintenance throughout system life. In the present thesis, the conventional methodology based on linear damage accumulation rules, applied to determine the fatigue life of structures subjected to variable amplitude loads was evaluated for an aeronautical CFRP. A test program with constant amplitude loads has been performed to obtain the classical S-N curves at different stress ratios. Constant life diagrams, CLDs, where determined by means of Artificial Neural Networks due to the absence of consistent models for composites. The stiffness degradation due to fatigue damage has been characterized for coupons under cyclic tensile loads. A second group of coupons have been tested until failure with a standardized sequence of variable amplitude loads, representative of missions for combat aircraft (Falstaff), and representative of commercial flights (Twist), to obtain the fatigue life and the stiffness degradation under realistic conditions. The fatigue life of the coupons cycled with variable amplitude loads were compared to the theoretical damage index calculated based on the conventional linear damage accumulation rule. The obtained results show non-conservative predictions. This thesis also presents the evaluation of a new non-contact technique to evaluate the fatigue damage state of CFRP structures by means of measuring roughness parameters to evaluate changes in the surface topography. Surface roughness can be measured easily on field with non-contact methods by optical techniques such as speckle and optical perfilometers. In the present study, surface roughness parameters, and the surface irregularity factor, have been measured along the life of the coupons cycled with constant and variable amplitude loads of different magnitude. A good agreement has been obtained when correlating the magnitude of the roughness and the surface irregularity factor with the stiffness degradation. These results suggest that the changes on the surface roughness measured in strategic zones of components and structures made of CFRP, could be indicative of the level of internal damage due to fatigue loads. The results also suggest that the method is independent of the type of fatigue load that have caused the damage. It makes this measurement technique applicable for a wide range of inspections of composite materials structures, from pressurized tanks with constant amplitude loads, to variable amplitude loaded aeronautical structures like wings and empennages, up to automotive and other industrial applications.

Aplicación Android para el aprendizaje de inglés nivel B2 : extensión del ILLLab

Desde el inicio de la globalización, el aprendizaje de la lengua inglesa se ha instaurado como una necesidad. Hoy en día, con la adopción del Espacio Europeo de Educación Superior este lenguaje no sólo se impone como un requisito para los estudiantes sino que se exige un nivel B2, lo cual significa un esfuerzo mayor tanto como para el alumno como para el profesor a la hora de hacer de este ejercicio un hábito y lograr la evaluación continua de los mismos. Este proyecto intenta extender las funcionalidades de una aplicación existente llamada Illlab con ejercicios que se adapten al nivel B2 y permitan la interacción entre alumnos durante la realización de estos ejercicios. El objetivo de esta aplicación es el de desarrollar ejercicios extra en la aplicación Illlab que añadan complejidad para el aprendizaje de inglés de un nivel B2 y que además se puedan realizar actividades entre los alumnos. La idea es hacer una aplicación de preguntas y respuestas “multiple choice” con cuatro opciones por pregunta. El fuerte de este juego está en presentar material variado sobre uso de la lengua y además permitir el juego entre varios alumnos. La extensión de ILLLab se plantea como un proyecto para desarrollar interfaces y funcionalidades adicionales en la antigua aplicación. La principal funcionalidad que se añade es un juego de preguntas y respuestas con opciones múltiples para un nivel B2 y las interfaces responden a necesidades de intercambio y manejo de contenido por Internet mediante estándares aceptados en el mundo del aprendizaje digital tales como Common Cartridge o SCORM. Este proyecto simplemente adapta la aplicación para su uso en un entorno de evaluación de actividades en el cual el profesor tiene acceso a las actividades que realizan los alumnos de un curso para su posterior evaluación. Antiguamente ILLLab sólo contenía ejercicios que se llevaban a cabo en el dispositivo móvil por lo que el control de estas actividades no era posible. La mejora se presenta como una interfaz Common Cartridge para el manejo del contenido, una interfaz de comunicación sobre servicios web tipo REST y el manejo de base de datos mediante Hibernate que agrupa una serie de librerías Java para la persistencia de objetos de la base de datos. ABSTRACT. Since the onset of globalization, the learning of the English language has become as a necessity. Today, with the adoption of the European Higher Education Area this language is not only imposed as a requirement for students but a B2 level is required, which means a greater effort both to the student and teacher when it comes to make the learning exercise a habit and achieve continuous evaluation of students. This project aims to extend the functionality of an existing application called Illlab with an exercise that suits the B2 level and allow interaction between students while performing these exercises. The purpose of this application is to develop an additional exercise in the application Illlab that adds complexity for learning English at B2 level and also enables the interaction among students. The main idea is to make an application in multiple choices style with four options. The strength of this game is to present varied material on use of Enlgish and also allow play between two students. ILLLab extension is conceived as a project to develop interfaces and additional functionalities in the old application. The main functionalities added are a game of questions and answers with multiple choices for a B2 level and interfaces that meet information exchange requirements and content management over the Internet using standards adopted in the world of digital learning such as Common Cartridge or SCORM. This project simply adapts the application for its use in an activities evaluation environment in which the teacher has access to the activities performed by students in a course for further evaluation. The former versión of ILLLab contained only exercises that were carried out on the mobile device so that the evaluation of these activities was not possible. The improvement comes as a Common Cartridge interface for content management, a communication interface with REST web services and a database access using Hibernate which groups a number of Java libraries for object persistence in the database.

Desarrollo de software de control y medida para goniofotómetro de tipo B

El proyecto trata del desarrollo de un software para realizar el control de la medida de la distribución de intensidad luminosa en luminarias LED. En el trascurso del proyecto se expondrán fundamentos teóricos sobre fotometría básica, de los cuales se extraen las condiciones básicas para realizar dicha medida. Además se realiza una breve descripción del hardware utilizado en el desarrollo de la máquina, el cual se basa en una placa de desarrollo Arduino Mega 2560, que, gracias al paquete de Labview “LIFA” (Labview Interface For Arduino”), será posible utilizarla como tarjeta de adquisición de datos mediante la cual poder manejar tanto sensores como actuadores, para las tareas de control. El instrumento de medida utilizado en este proyecto es el BTS256 de la casa GigaHerzt-Optik, del cual se dispone de un kit de desarrollo tanto en lenguaje C++ como en Labview, haciendo posible programar aplicaciones basadas en este software para realizar cualquier tipo de adaptación a las necesidades del proyecto. El software está desarrollado en la plataforma Labview 2013, esto es gracias a que se dispone del kit de desarrollo del instrumento de medida, y del paquete LIFA. El objetivo global del proyecto es realizar la caracterización de luminarias LED, de forma que se obtengan medidas suficientes de la distribución de intensidad luminosa. Los datos se recogerán en un archivo fotométrico específico, siguiendo la normativa IESNA 2002 sobre formato de archivos fotométricos, que posteriormente será utilizado en la simulación y estudio de instalaciones reales de la luminaria. El sistema propuesto en este proyecto, es un sistema basado en fotometría tipo B, utilizando coordenadas VH, desarrollando un algoritmo de medida que la luminaria describa un ángulo de 180º en ambos ejes, con una resolución de 5º para el eje Vertical y 22.5º para el eje Horizontal, almacenando los datos en un array que será escrito en el formato exigido por la normativa. Una vez obtenidos los datos con el instrumento desarrollado, el fichero generado por la medida, es simulado con el software DIALux, obteniendo unas medidas de iluminación en la simulación que serán comparadas con las medidas reales, intentando reproducir en la simulación las condiciones reales de medida. ABSTRACT. The project involves the development of software for controlling the measurement of light intensity distribution in LEDs. In the course of the project theoretical foundations on basic photometry, of which the basic conditions for such action are extracted will be presented. Besides a brief description of the hardware used in the development of the machine, which is based on a Mega Arduino plate 2560 is made, that through the package Labview "LIFA" (Interface For Arduino Labview "), it is possible to use as data acquisition card by which to handle both sensors and actuators for control tasks. The instrument used in this project is the BTS256 of GigaHerzt-Optik house, which is available a development kit in both C ++ language as LabView, making it possible to program based on this software applications for any kind of adaptation to project needs. The software is developed in Labview 2013 platform, this is thanks to the availability of the SDK of the measuring instrument and the LIFA package. The overall objective of the project is the characterization of LED lights, so that sufficient measures the light intensity distribution are obtained. Data will be collected on a specific photometric file, following the rules IESNA 2002 on photometric format files, which will then be used in the simulation and study of actual installations of the luminaire. The proposed in this project is a system based on photometry type B system using VH coordinates, developing an algorithm as the fixture describe an angle of 180 ° in both axes, with a resolution of 5 ° to the vertical axis and 22.5º for the Horizontal axis, storing data in an array to be written in the format required by the regulations. After obtaining the data with the instrument developed, the file generated by the measure, is simulated with DIALux software, obtaining measures of lighting in the simulation will be compared with the actual measurements, trying to play in the simulation the actual measurement conditions .

Complexidade, Espiritualidade e Educação: por uma educabilidade do espírito humano

O tema desta pesquisa, Complexidade, Espiritualidade e Educação: por uma educabilidade do espírito humano, sugere que a problemática do conhecimento sobre o espírito e a espiritualidade humanos está enraizada não apenas nos redutos religiosos, mas também no próprio interstício da ciência e também no coração da sociedade moderna. Apostamos neste tema não apenas pela sua atualidade, mas porque vem assumindo nestes últimos anos o status de indispensável no conjunto dos saberes, das realizações e do ethos humanos. Mas, para nos infiltrarmos neste assunto, é preciso uma nova lente epistemológica capaz de fazer uma leitura crítica, complexa e multidimensional a respeito da espiritualidade humana. A gênese do problema levantada para esta pesquisa parte do conflito entre as várias percepções sobre a condição humana, que ocorre a partir mesmo da crise experimentada hoje por muitos matizes científicos. A aproximação entre a teoria da complexidade, a espiritualidade humana com a educação, nos permite criar um cenário enriquecedor que acrescenta qualidade aos discursos e práticas educacionais na escola, na família, nas pastorais, na educação religiosa e ainda, em outras atividades afins. A nossa pergunta nuclear e que servirá de norte para o esforço desta pesquisa, é a seguinte: o espírito humano existe e, se existe, é educável? Para um melhor aproveitamento e compreensão desta dissertação, a pesquisa foi dividida em três capítulos, sistematizados da seguinte forma: No primeiro capítulo fizemos a exposição de algumas dificuldades de infiltração na temática sobre o espírito e da espiritualidade humanos. Essa exposição foi feita em dois momentos: o primeiro discute alguns pressupostos conceituais e semânticos sobre o espírito humano e, em seguida, aponta a necessidade de superar o conhecimento fragmentado em favor da recomposição do cariz humano. No segundo momento, discorremos sobre a rasoura científica que tem deixado de lado algumas dimensões humanas, sob pesado ônus para a existência humana como um todo. No segundo capítulo discutimos a atualidade do tema, que também pode ser visto em duas partes: na primeira dialogamos com algumas teorias sobre a complexidade e a multidimensionalidade da condição humana. Em seguida, focamos a partir dos novos humores antropológicos a dimensão simbólica e espiritual do humano. Na segunda parte, pontuamos sobre o desencantamento e crise da sociedade prometéica e a emergência e interfaces dos assuntos sobre a espiritualidade humana nestas últimas décadas. No terceiro e último capítulo, discorremos sobre as funções do espírito e as possibilidades reais de uma educação para o espírito humano. Semelhantemente, dividimos o capítulo em dois momentos de discussão: no primeiro, fazemos uma abordagem sobre a dimensão do espírito e a expressão da consciência como função de sentido. No segundo e último momento, levantamos a questão da educação do espírito humano. Seguindo este raciocínio, propomos uma pedagogia voltada também para o espírito humano. Deixamos por fim algumas sugestões que sinalizam uma educação para a ecologia do humano.

Complexidade, Espiritualidade e Educação: por uma educabilidade do espírito humano

O tema desta pesquisa, Complexidade, Espiritualidade e Educação: por uma educabilidade do espírito humano, sugere que a problemática do conhecimento sobre o espírito e a espiritualidade humanos está enraizada não apenas nos redutos religiosos, mas também no próprio interstício da ciência e também no coração da sociedade moderna. Apostamos neste tema não apenas pela sua atualidade, mas porque vem assumindo nestes últimos anos o status de indispensável no conjunto dos saberes, das realizações e do ethos humanos. Mas, para nos infiltrarmos neste assunto, é preciso uma nova lente epistemológica capaz de fazer uma leitura crítica, complexa e multidimensional a respeito da espiritualidade humana. A gênese do problema levantada para esta pesquisa parte do conflito entre as várias percepções sobre a condição humana, que ocorre a partir mesmo da crise experimentada hoje por muitos matizes científicos. A aproximação entre a teoria da complexidade, a espiritualidade humana com a educação, nos permite criar um cenário enriquecedor que acrescenta qualidade aos discursos e práticas educacionais na escola, na família, nas pastorais, na educação religiosa e ainda, em outras atividades afins. A nossa pergunta nuclear e que servirá de norte para o esforço desta pesquisa, é a seguinte: o espírito humano existe e, se existe, é educável? Para um melhor aproveitamento e compreensão desta dissertação, a pesquisa foi dividida em três capítulos, sistematizados da seguinte forma: No primeiro capítulo fizemos a exposição de algumas dificuldades de infiltração na temática sobre o espírito e da espiritualidade humanos. Essa exposição foi feita em dois momentos: o primeiro discute alguns pressupostos conceituais e semânticos sobre o espírito humano e, em seguida, aponta a necessidade de superar o conhecimento fragmentado em favor da recomposição do cariz humano. No segundo momento, discorremos sobre a rasoura científica que tem deixado de lado algumas dimensões humanas, sob pesado ônus para a existência humana como um todo. No segundo capítulo discutimos a atualidade do tema, que também pode ser visto em duas partes: na primeira dialogamos com algumas teorias sobre a complexidade e a multidimensionalidade da condição humana. Em seguida, focamos a partir dos novos humores antropológicos a dimensão simbólica e espiritual do humano. Na segunda parte, pontuamos sobre o desencantamento e crise da sociedade prometéica e a emergência e interfaces dos assuntos sobre a espiritualidade humana nestas últimas décadas. No terceiro e último capítulo, discorremos sobre as funções do espírito e as possibilidades reais de uma educação para o espírito humano. Semelhantemente, dividimos o capítulo em dois momentos de discussão: no primeiro, fazemos uma abordagem sobre a dimensão do espírito e a expressão da consciência como função de sentido. No segundo e último momento, levantamos a questão da educação do espírito humano. Seguindo este raciocínio, propomos uma pedagogia voltada também para o espírito humano. Deixamos por fim algumas sugestões que sinalizam uma educação para a ecologia do humano.

Arquitetura computacional para redes orgânicas e heterogêneas: plano de controle do sistema operacional swarm.

Computational Swarms (enxames computacionais), consistindo da integração de sensores e atuadores inteligentes no nosso mundo conectado, possibilitam uma extensão da info-esfera no mundo físico. Nós chamamos esta info-esfera extendida, cíber-física, de Swarm. Este trabalho propõe uma visão de Swarm onde dispositivos computacionais cooperam dinâmica e oportunisticamente, gerando redes orgânicas e heterogêneas. A tese apresenta uma arquitetura computacional do Plano de Controle do Sistema Operacional do Swarm, que é uma camada de software distribuída embarcada em todos os dispositivos que fazem parte do Swarm, responsável por gerenciar recursos, definindo atores, como descrever e utilizar serviços e recursos (como divulgá-los e descobrí-los, como realizar transações, adaptações de conteúdos e cooperação multiagentes). O projeto da arquitetura foi iniciado com uma revisão da caracterização do conceito de Swarm, revisitando a definição de termos e estabelecendo uma terminologia para ser utilizada. Requisitos e desafios foram identificados e uma visão operacional foi proposta. Esta visão operacional foi exercitada com casos de uso e os elementos arquiteturais foram extraídos dela e organizados em uma arquitetura. A arquitetura foi testada com os casos de uso, gerando revisões do sistema. Cada um dos elementos arquiteturais requereram revisões do estado da arte. Uma prova de conceito do Plano de Controle foi implementada e uma demonstração foi proposta e implementada. A demonstração selecionada foi o Smart Jukebox, que exercita os aspectos distribuídos e a dinamicidade do sistema proposto. Este trabalho apresenta a visão do Swarm computacional e apresenta uma plataforma aplicável na prática. A evolução desta arquitetura pode ser a base de uma rede global, heterogênea e orgânica de redes de dispositivos computacionais alavancando a integração de sistemas cíber-físicos na núvem permitindo a cooperação de sistemas escaláveis e flexíveis, interoperando para alcançar objetivos comuns.

Modeling a mobile robot using a grammatical model

Virtual Worlds Generator is a grammatical model that is proposed to define virtual worlds. It integrates the diversity of sensors and interaction devices, multimodality and a virtual simulation system. Its grammar allows the definition and abstraction in symbols strings of the scenes of the virtual world, independently of the hardware that is used to represent the world or to interact with it. A case study is presented to explain how to use the proposed model to formalize a robot navigation system with multimodal perception and a hybrid control scheme of the robot.

A grammatical approach to the modeling of an autonomous robot

Virtual Worlds Generator is a grammatical model that is proposed to define virtual worlds. It integrates the diversity of sensors and interaction devices, multimodality and a virtual simulation system. Its grammar allows the definition and abstraction in symbols strings of the scenes of the virtual world, independently of the hardware that is used to represent the world or to interact with it. A case study is presented to explain how to use the proposed model to formalize a robot navigation system with multimodal perception and a hybrid control scheme of the robot. The result is an instance of the model grammar that implements the robotic system and is independent of the sensing devices used for perception and interaction. As a conclusion the Virtual Worlds Generator adds value in the simulation of virtual worlds since the definition can be done formally and independently of the peculiarities of the supporting devices.

Colossal anisotropy in diluted magnetic topological insulators

We consider dilute magnetic doping in the surface of a three dimensional topological insulator where a two dimensional Dirac electron gas resides. We find that exchange coupling between magnetic atoms and the Dirac electrons has a strong and peculiar effect on both. First, the exchange-induced single ion magnetic anisotropy is very large and favors off-plane orientation. In the case of a ferromagnetically ordered phase, we find a colossal magnetic anisotropy energy, of the order of the critical temperature. Second, a persistent electronic current circulates around the magnetic atom and, in the case of a ferromagnetic phase, around the edges of the surface.

3D visual sensing of human hand for remote operation of a robotic hand

New low cost sensors and open free libraries for 3D image processing are making important advances in robot vision applications possible, such as three-dimensional object recognition, semantic mapping, navigation and localization of robots, human detection and/or gesture recognition for human-machine interaction. In this paper, a novel method for recognizing and tracking the fingers of a human hand is presented. This method is based on point clouds from range images captured by a RGBD sensor. It works in real time and it does not require visual marks, camera calibration or previous knowledge of the environment. Moreover, it works successfully even when multiple objects appear in the scene or when the ambient light is changed. Furthermore, this method was designed to develop a human interface to control domestic or industrial devices, remotely. In this paper, the method was tested by operating a robotic hand. Firstly, the human hand was recognized and the fingers were detected. Secondly, the movement of the fingers was analysed and mapped to be imitated by a robotic hand.

Seismic behavior of a masonry chimney with severe cracking condition: preliminary study

This paper presents a structural analysis of a masonry chimney built in the 1940s, which is currently being cataloged as local interest heritage. This structure has not served any industrial purpose for the last thirty years. The chimney is located in the town of Agost (Alicante - Spain) and directly exposed to the prevailing winds from the sea, as it is approximately 12 km away from the waterfront and there are not any significant barriers, which could protect the structure against the wind. There are longitudinal cracks and fissures all along the shaft because of the chimney’s geometrical characteristics, the effect of the masonry creep and especially the lack of maintenance. Moreover, there is also a permanent bending deformation in the upper 1/3 of the height due to the wind pressure. A numerical analysis for the static behavior against gravity and wind loads was performed using the structure’s current conditions after a detailed report of its geometry, its construction system and the cracking pattern. Afterwards, the dynamic behavior was studied, i.e. a seismic analysis using both response spectra and accelerograms in order to examine the structural stability. This work shows the pre-monitoring analysis before any experimental testing. Using the current results the future test conditions will be determined (e.g. number of sensors and monitoring point location, excitation systems, etc) prior to a possible structural reinforcement by applying composite material (fiber reinforced polymers).

RGBD Human-Hand recognition for the Interaction with Robot-Hand

New low cost sensors and the new open free libraries for 3D image processing are permitting to achieve important advances for robot vision applications such as tridimensional object recognition, semantic mapping, navigation and localization of robots, human detection and/or gesture recognition for human-machine interaction. In this paper, a method to recognize the human hand and to track the fingers is proposed. This new method is based on point clouds from range images, RGBD. It does not require visual marks, camera calibration, environment knowledge and complex expensive acquisition systems. Furthermore, this method has been implemented to create a human interface in order to move a robot hand. The human hand is recognized and the movement of the fingers is analyzed. Afterwards, it is imitated from a Barret hand, using communication events programmed from ROS.

Molecularly imprinted silica films prepared by electroassisted deposition for the selective detection of dopamine

Dopamine (DA) can be detected by electrochemical oxidation in conventional electrodes. However, the presence of other oxidizable species (interferents) usually present in physiological fluids at high concentrations (like ascorbic acid) makes very difficult its electrochemical detection. In the present work, glassy carbon electrodes have been modified with molecularly imprinted silica (MIS) films prepared by electroassisted deposition of sol–gel precursors. The production of MIS films was performed by adding the template molecule (DA) to the precursor sol. The molecular impression of silica was assessed showing a high coherency allowing a filtering capacity in the molecular scale. The MIS-modified electrodes present a high selectivity for the detection of DA in neutral or acidic solutions. The MIS-modified electrodes allow the amperometric determination of dopamine in solutions containing ascorbic acid with molar ratios lower than 1:50,000.

Evaluation of sampling method effects in 3D non-rigid registration

Since the beginning of 3D computer vision problems, the use of techniques to reduce the data to make it treatable preserving the important aspects of the scene has been necessary. Currently, with the new low-cost RGB-D sensors, which provide a stream of color and 3D data of approximately 30 frames per second, this is getting more relevance. Many applications make use of these sensors and need a preprocessing to downsample the data in order to either reduce the processing time or improve the data (e.g., reducing noise or enhancing the important features). In this paper, we present a comparison of different downsampling techniques which are based on different principles. Concretely, five different downsampling methods are included: a bilinear-based method, a normal-based, a color-based, a combination of the normal and color-based samplings, and a growing neural gas (GNG)-based approach. For the comparison, two different models have been used acquired with the Blensor software. Moreover, to evaluate the effect of the downsampling in a real application, a 3D non-rigid registration is performed with the data sampled. From the experimentation we can conclude that depending on the purpose of the application some kernels of the sampling methods can improve drastically the results. Bilinear- and GNG-based methods provide homogeneous point clouds, but color-based and normal-based provide datasets with higher density of points in areas with specific features. In the non-rigid application, if a color-based sampled point cloud is used, it is possible to properly register two datasets for cases where intensity data are relevant in the model and outperform the results if only a homogeneous sampling is used.