Tesis Doctorales

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Diseño e implementación de algoritmos de navegación restringida y visualización háptica para la exploración y análisis de estructuras filiformes complejas
(Universidad Rey Juan Carlos, 2014) Raya González, Laura
Gracias a la rápida evolución de la tecnología, científicos de distintas áreas tiene a su disposición cada vez mayor número de información, siendo ésta más detallada y completa. Un ejemplo de esta tecnología son las simulaciones in silico, cada vez más usadas en distintos ámbitos como la medicina. Este tipo de tecnología permite obtener grandes volúmenes de datos de forma rápida, rentable y segura. También cabe destacar el desarrollo que están teniendo otras técnicas de adquisición de datos como son la microscopía electrónica y confocal. Frente a las ventajas obvias de tener información más detallada y fiable, la comunidad científica debe enfrentarse al tratamiento de volúmenes de datos cada vez grandes y complejos, lo que dificulta enormemente su análisis. El ser humano se relaciona con el entorno, principalmente, mediante el sentido de la vista. Eso se debe a que dicho sentido permite analizar datos de forma rápida y global. Este hecho, junto con la necesidad de analizar grandes volúmenes de datos y el desarrollo de las tecnologías de generación de imagen 3D, está provocando un creciente interés en la comunidad científica en el desarrollo de técnicas de visualización científica. A pesar de esto, dada la complejidad y el tamaño de algunos volúmenes de datos, no siempre resulta fácil mostrar todos los datos de una forma inteligible. Por otro lado, y como es obvio, en el caso de usuarios con alguna discapacidad visual estas técnicas no proporcionan una solución. En esta tesis se propone el uso de otros canales sensoriales para representar información ya sea como refuerzo del canal visual o como sustituto del mismo. En concreto, esta tesis estudia la capacidad del canal táctil, tanto para representar información geométrica y topológica como abstracta. Una estructura filiforme es un elemento unidimensional con forma de hilo. Dichas estructuras pueden presentar ramificaciones y suelen aparecer en conjuntos densos y de gran tamaño, dificultando su visualización. El interés de las formas filiformes nace de su presencia en una amplia variedad de ámbitos científicos, como en el caso de las neuronales, donde tanto el elevado número de neuronas como sus interconexiones hace que realizar un análisis de una porción del cerebro sea extremadamente complejo. Por todo lo mencionado, la primera contribución de esta tesis es el diseño de un algoritmo de navegación háptica restringida a través de estructuras filiformes. Este algoritmo permite explorar y entender la geometría y la topología de este tipo particular de estructuras y sus interconexiones, infiriendo las intenciones del usuario y posibilitando la interacción con los datos. Además, es común que las estructuras tengan asociadas diferentes variables que indiquen características y propiedades de las mismas. Sin embargo, las oclusiones y el número elevado de estos valores dificultan el análisis. El uso de iconos hápticos puede ser una alternativa o un apoyo a la visión. Sin embargo, una de las principales limitaciones de representar el valor de variables mediante el canal háptico es la alta dependencia con la memoria a corto plazo. En esta tesis se propone una nueva señal, denominada diapasón háptico, que se utiliza como valor de referencia. Esta señal de referencia se repite antes de mostrar el valor, ayudando a interpretar los estímulos a través del canal háptico. Diversos experimentos realizados indican que el uso del diapasón háptico mejora la precisión y exactitud a la hora de discriminar el estímulo háptico percibido. Ambas propuestas pueden combinarse para ofrecer al usuario una nueva manera de analizar datos a través de los dispositivos hápticos. Con el objetivo de evaluar la viabilidad en escenarios reales de las contribuciones aquí realizadas, se han desarrollado dos aplicaciones diferentes: una orientada a neurocientíficos y otra a estudiantes con discapacidad visual. Con esta investigación se ha pretendido, no solo ofrecer nuevas alternativas que alivien los problemas de la exploración y análisis de datos complejos, sino que los avances realizados puedan abrir nuevas líneas de investigación que poco a poco permitan seguir avanzando en la utilización intuitiva de los dispositivos hápticos como una herramienta de apoyo en el mundo del análisis de datos científicos.
Un enfoque matheurístico para la resoluci on del problema de los caminos disjuntos
(Universidad Rey Juan Carlos, 2018) Martín Navas, Bernardo Manuel
The Edge-disjoint Paths Problem has the objective of maximizing the number of terminal pairs connected in a network by means of paths with disjoint arcs. This is a classic problem NP-complete with wide applications in diverse areas, such as the telecommunications networks or the design of integrated circuits, among others. In order to solve optimization problems, we can nd exact and metaheuristic resolution methods, both of them with di erent strengths and associated weaknesses. To take advantage of the use of these techniques, matheuristics were developed, which aim to encompass the merits of both methods by means of a hybrid resolution procedure. In this thesis, it is proposed a two-phase matheuristic which solves the aforementioned problem: in the rst step, an integer linear programming model is developed; in the second one, it is executed a population metaheuristic, which aims to improve the solution reached by the rst step. This two-step hybrid algorithm improves the results calculated by previous resolution methods found in the state of the art. On the one hand, the original procedure proposed in this document connects a greater number of pairs; and on the other hand, it consumes a smaller amount of computing time than the rest of the methods found in the literature.
Guidance Navigation and Control Algorithms for High Dynamics Vehicles
(Universidad Rey Juan Carlos, 2017) Celis Fernández, Raúl de
Accuracy and precision are the cornerstone for ballistic projectiles from the earliest days of this discipline. In the beginnings, impact point precision in artillery devices deteriorated when range was extended, particularly for ballistic artillery rockets and shells, which are not propelled except during the launch. Later, inertial navigation and guidance systems were introduced and precision was unlinked from range increases. In the last thirty years, hybridization between inertial systems and GNSS devices has improved precision enormously. Unfortunately, during the last stages of ight, inertial and GNSS methods (hybridized or not) feature big errors in attitude and position determination. Low cost devices, which are precise on terminal guidance and do not feature accumulative error, such as quadrant photo-detector, seem to be appropriate to be included in the guidance systems. Hybrid algorithms, which combine GNSSs, IMUs and photo-detectors, are required to implement these novel techniques. The acceleration autopilot with a rate loop is the most commonly implemented autopilot, which has been extensively applied to high-performance missiles. Nevertheless, for high speed spinning rockets, the design of the guidance and control modules is a challenging task because the rapid spinning of the body creates a heavy coupling between the normal and lateral rocket dynamics. Hybridized measurements are implemented in modi ed proportional navigation law and a rotatory force control method. A realistic non-linear ight dynamics model, particularized for a high spinning ballistic rocket, has been developed to perform simulations to prove the accuracy of the presented algorithms. The research process developed to obtain the nal results implied the following steps: 1. The development of a ight model in order to simulate the dynamics of a highly spinning rocket which features a decoupled fuse. 2. The development of a novel 3D guidance law, based on a modular rotatory force, for gyroscopically stabilized artillery rockets (i.e., spin rates in the hundreds of rotations per second during the launch), which is derived from proportional navigation. 3. A model for a quadrant photo-detector based on a real-time area intersection algorithm was developed and the subsequent development of a novel algorithm which improves the precision of spot center determination for a Semi-active Laser quadrant detector in the terminal guidance of artillery rockets. 4. The integration of this photo-detector spot center determination algorithm and the hybridization with GNSS/IMU in order to improve the precision of the line of sight. 5. The development of an algorithm, based on an estimation method in order to obtain the gravity and velocity vectors in a di erent pair of triads, which aims at avoiding gyroscopes for attitude determination. 6. The integration of these attitude determination methods together with the aid of ltering techniques, into the previously photo-detector, GNSS, IMU, and control rotatory force, developed algorithms. Finally, nonlinear simulations based on ballistic rocket launches were performed to demonstrate the applicability of the proposed solution for ight navigation, guidance and control, for ballistic rocket terminal guidance.
Stochastic Schemes for Dynamic Network Resource Allocation
(Universidad Rey Juan Carlos, 2016) López Ramos, Luis Miguel
Wireless networks and power distribution grids are experiencing increasing demands on their efficiency and reliability. Judicious methods for allocating scarce resources such as power and bandwidth are of paramount importance. As a result, nonlinear optimization and signal processing tools have been incorporated into the design of contemporary networks. This thesis develops schemes for efficient resource allocation (RA) in such dynamic networks, with an emphasis in stochasticity, which is accounted for in the problem formulation as well as in the algorithms and schemes to solve those problems. Stochastic optimization and decomposition techniques are investigated to develop low-complexity algorithms with specific applications in cross-layer design of wireless communications, cognitive radio (CR) networks and smart power distribution systems. The costs and constraints on the availability of network resources, together with diverse quality of service (QoS) requirements, render network design, management and operation challenging tasks. Moreover, when the available network state information (NSI) is time-varying, nodes must be capable of adapting their operation parameters to the those variations. While traditional schemes only exploited local information, or did not take into account uncertainty in system parameters and future events, the methodology proposed in this thesis aims at designing schemes through the solution of rigorously formulated mathematical problems involving random variables. The three basic elements when formulating an optimization problem are the design variables (mainly corresponding to resources to be allocated, and sensing and control information), system and QoS constraints, and the objective function (usually formulated as weighted sums of utility functions). Equilibrium between problem tractability and realistic modeling is also sought. Previous works on dynamic RA for wireless networks that take into account cross-layer information rely on convex optimization and dual decomposition techniques, while exploiting instantaneous fading; whereas others build upon dynamic backpressure policies based on adaptive control tools and aim to stabilize queues of the network. Based on such a background, our first contribution is the design of a stochastic scheme that uses instantaneous fading and queue length information to optimally allocate resources at the transport, link and physical layers. Theoretical results allow to establish links between the transmit queue lengths and Lagrange multipliers; these links can be used to estimate and control queuing delays and establish delay priorities among users. Experimental results confirm that RA feasibility and optimality are preserved when the scheme employs window averages of multipliers and queue lengths. In the last years, CRs have emerged as the next-generation solution to the perceived spectrum underutilization, thanks to their capability to limit the interference inflicted to coexisting primary users (PUs). To do so CRs must sense the spectrum and dynamically adapt their transmission parameters according to the available resources and sensed information. Existing works limit CR-inflicted interference either through short- and long-term transmit-power constraints; or, by controlling the probability of interfering with PU transmissions. As the sensed information may be imperfect (due to errors or quantization) and get outdated, implementation of stochastic RA algorithms offers the possibility of adapting the operation of the network to varying channel conditions and PU behaviour. Motivated by these facts, we develop stochastic RA algorithms that optimize sum-rate performance of a CR network, limit the probability of interfering with PUs, and jointly account for outdated and noisy NSI. Additional works in this context point out the tradeoff between the sensing and RA and deal with their joint design. Hence, we also develop a jointly optimal sensing and RA algorithm that additionally takes into account the temporal correlation of the primary NSI and the sensing cost by means of stochastic dynamic programming (SDP). The proposed schemes obtain optimal performance, account for imperfections in the acquired state information, and are able to adapt to varying channel conditions. A two-step strategy significantly reduces the computational solution complexity without loss of optimality, and its formulation allows developing adaptive stochastic schemes. Numerical experiments confirm a significant performance improvement with respect to low-complexity alternatives and allow to trace sensing-decision maps. The last part of the thesis addresses the design of RA algorithms for smart grids, where increasing penetration of renewable energy sources (RESs) pose new challenges related to variability and uncertainty. Previous works formulate security-constrained and risk-limiting dispatch schemes based on stochastic optimization tools, whereas recent works demonstrate that power inverters can be controlled to effect voltage regulation. More recent works deal with smart grid operation schemes in different timescales, or capitalize on stochastic approximation to limit the magnitude of sporadic component overloads. Based on this background, we consider joint dispatch of slowand fast- timescale distribution grid resources under average or probabilistic constraints over fasttimescale decisions. Using an approximate grid model, the expected network operation cost is minimized under inverter and voltage constraints, and the two-stage dispatch is formulated as a stochastic saddle-point problem. The developed dispatch algorithms account for conventional and alternative energy resources at different timescales, which are coupled across time in a stochastic manner. Average and probabilistic voltage constraints are tackled using dual decomposition and convex optimization. The resulting schemes rely on random samples of stochastic generation and demand, and converge to optimal dispatch decisions. The experimental results throughout the thesis confirm that the proposed stochastic RA schemes achieve optimal or near-optimal performance, are robust against non-stationary NSI, fulfill instantaneous constraints and asymptotically fulfill long-term constraints. Average power consumption constraints and their treatment by means of dual stochastic gradients are common ground for the cross-layer and CRs designs undertaken. A similar strategy is followed to deal with (nonconvex) probability of interference constraints in CRs and voltage probabilistic constraints in smart grids with manageable complexity.
The collision avoidance problem: methods and algorithms
(Universidad Rey Juan Carlos, 2010-11) Martín Campo, Francisco Javier
La detección y resolución de conflictos aéreos es actualmente un tema de gran interés para muchas compañías de servicios aéreos que se preocupan por dar respuesta a la siguiente cuestión: Dado un conjunto de aeronaves y sus trayectorias previstas, ¿qué estrategia debería llevarse a cabo por medio de los pilotos y controladores aéreos para prevenir que los aviones entren en conflicto debido a que las trayectorias de los mismos intersequen entre si? Se han elaborado varios métodos para mantener la separación entre aviones en el espacio aéreo actual a partir de las características de rutas estructuradas y procedimientos desarrollados. El factor humano es un elemento esencial en este proceso debido a la habilidad de integrar información, analizarla y tomar las decisiones oportunas. No obstante, debido a que pueden producirse errores operacionales, los sistemas autómatas han empezado a tomar posesión tanto en la cabina de pilotos como en las bases de control aéreo para ofrecer una decisión y servir como sistemas de alerta de conflictos. Estos sistemas usan un sensor de datos para predecir conflictos entre aviones, alertar de ellos al factor humano y ofrecer un conjunto de instrucciones a seguir para resolver dichos conflictos. Los métodos de prevención de conflictos relativamente sencillos han formado parte del control automático de tráfico aéreo varios años, y el sistema de prevención de colisiones ha tomado lugar en el transporte aéreo, dentro de las cabinas de las aeronaves, desde principios de los 90. Juntos, estos sistemas automáticos ofrecen una red de procedimientos y acciones entre controlador y piloto que hacen mantener las separaciones mínimas establecidas. Recientemente, ha crecido el interés hacia el desarrollo de sistemas automáticos más avanzados para detectar conflictos en tráfico aéreo y poder ofrecer asistencia a su resolución. Estos sistemas podrían hacer uso de tecnologías futuras, tales como información sobre planes actuales de vuelo, para mejorar así la seguridad y permitir nuevos procedimientos para aumentar la eficiencia del flujo de tráfico aéreo. Con el incremento de la demanda en el campo aéreo, hay una necesidad urgente de implementar este tipo de sistemas para asistir a los controladores aéreos en el manejo de las cargas de tráfico y mejorar la eficiencia del flujo aéreo. En la literatura se han propuesto varios métodos para tratar la detección y resolución de conflictos en el espacio aéreo. Estos métodos se han estudiado no solamente para fines aeroespaciales, sino también para vehículos de tierra, en robótica y aplicaciones marítimas, dado que las cuestiones fundamentales de prevención de conflictos son similares a otros medios de transporte. Un resumen de la investigación reciente sobre el problema de detección y resolución de conflictos aéreos, sugiere que el entorno actual debe ser tal que en él debe darse una solución aproximada al problema y ejecutada, normalmente a través de un conjunto de ejemplos simplificados. No obstante, en este trabajo se presenta una modelización y algoritmia que permite avanzar en el estado-del-arte de la investigación en el problema. Para comenzar, es necesario tener una definición clara y concisa de un conflicto. Un conflicto es una situación en la cual dos o más aviones experimentan una pérdida de separación mínima. En otras palabras, la distancia entre los aviones viola un criterio de separación establecido. Un criterio frecuentemente utilizado es una distancia mínima de 5 millas náuticas respecto a la distancia horizontal y al menos 1000 pies de separación vertical. El resultado es una zona protegida o un volumen de espacio alrededor de cada avión que no debe ser infringido en ningún instante de tiempo por cualquier otro vehículo. El espacio protegido podría ser definido también como una región más pequeña (por ejemplo, una esfera de 500 pies de diámetro) en el caso de sistemas de alerta de conflictos en entornos más tácticos, o incluso en términos de otros parámetros que no sean distancias (como por ejemplo, el tiempo). En cualquier caso, las funciones subyacentes del problema son similares, aunque los modelos específicos y los umbrales de alerta serían diferentes. El objetivo de los sistemas automáticos es predecir la ocurrencia de un conflicto en el futuro, asistir en la resolución del mismo y, en algunos casos, comunicar el conflicto detectado a un operador humano. Se requiere un modelo dinámico en el cual se tenga en cuenta el tiempo para ayudar a predecir las diferentes posiciones de los aviones en el futuro y así poder deducir si tendrá lugar un conflicto o no. Esta predicción debería estar basada únicamente en la información del estado actual del avión (una extrapolación a través de una línea recta del vector de velocidad actual) o en información adicional tal como un plan de vuelo, ya que, con la información del estado actual del avión, puede no ser del todo fiable la estimación de la trayectoria futura debido a la incertidumbre que rodea al modelo. La información, en lo que respecta a los estados actual y futuro del avión, puede ser analizada conjuntamente para una mejor toma de decisiones finales. Algunos análisis incluyen una mínima separación pronosticada o el tiempo estimado al punto más cercano propuesto. Mientras que los estados actual y futuro pueden generalmente ser estimados independientemente de cada avión, el análisis del conflicto requiere el estudio conjunto de los distintos vehículos envueltos en él. Son muchos los medios que se han estudiado para la resolución de este problema en el campo de la aviación. Un resumen de gran parte de la bibliografía existente en el tema que nos concierne, puede ser estudiada en el primer capítulo de esta memoria. Sin embargo, el trabajo presentado utiliza como herramienta principal la optimización matemática, definida dentro del campo de la Investigación Operativa. La razón principal para tomar esta decisión, ha sido la estructura que posee un modelo de optimización matemática, en el que forman parte una o varias funciones objetivo y un conjunto de restricciones. En este problema, la función objetivo pierde protagonismo frente al conjunto de restricciones que es la parte más importante del modelo matemático en este trabajo. Si se consigue modelar matemáticamente las restricciones que envuelven a cada aeronave (distancia que deben mantener, tanto horizontal como vertical, velocidades y alturas dentro de sus cotas, etc.), ofreciendo en segundo plano un objetivo a conseguir, que se verá reflejado en la función objetivo del modelo, el problema podría abordarse usando las algoritmias de optimización matemática desarrolladas hasta el momento, clasificando previamente el modelo en las subcategorías establecidas dentro de la optimización matemática (lineal, no lineal, entera, continua, etc.)

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Examinando Tesis Doctorales por Materia "1206.01 Construcción de Algoritmos"