2. Maestría
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Tesis de la Escuela de Posgrado
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Item Desarrollo de un sistema de control avanzado para un vehículo submarino autónomo tipo planeador con actuadores internos(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-01-14) Quiroz Velásquez, Diego Eduardo; Cuéllar Córdova, Francisco FabiánEn los últimos años, la ingeniería marina ha desarrollado una serie de vehículos submarinos con el fin de observar y caracterizar los ecosistemas marinos ante la creciente demanda por sus recursos como fuente de energía y alimento. Estos vehículos, denominados vehículos submarinos autónomos (AUVs), son capaces de recorrer el ambiente submarino y recolectar información medida por un arreglo de sensores que llevan a bordo. En particular, los planeadores submarinos pueden realizar exploraciones por periodos de tiempos extensos, por lo cual son un gran beneficio para la ingeniería marina. Debido a la naturaleza de dichos vehículos, y la dificultad de transmitir datos de forma inalámbrica en un ambiente submarino, se han desarrollado algoritmos de navegación autónoma empleando varias técnicas de control, mejorando el desempeño de dichos vehículos ante entornos desconocidos y el seguimiento de trayectorias deseadas. Sin embargo, en muchos casos, la investigación se ha enfocado en el desarrollo de algoritmos clásicos empleando modelos simplificados que no consideran, o minimizan los efectos hidrodinámicos sobre la dinámica del vehículo en movimiento. Es por ello, que se desea desarrollar un algoritmo de control que permita que un planeador submarino permanezca en una trayectoria predefinida considerando los efectos de las fuerzas hidrodinámicas sobre el movimiento. El presente trabajo considera la aplicación de algoritmos avanzados que garanticen la estabilidad del vehículo durante todo su recorrido, en particular en los cambios de planeado descendiente a ascendiente donde los puntos críticos deseados varían según el ángulo de planeado y dirección, así como los limitantes físicos de posición y velocidad para los actuadores internos del vehículo. Durante el desarrollo de la investigación se obtuvo un modelo del planeador submarino que relacione el estado de los actuadores internos del vehículo con su posición, orientación y velocidad durante el planeado. A partir de ello se desarrolla un total de tres controladores, primero un controlador MIMO (múltiple entrada, múltiple salida) empleando la ley de control proporcional-integrativo debido a la naturaleza intrínseca multivariable del planeador submarino. Segundo, se desarrolló un sistema óptimo basado en un regulador cuadrático lineal, el cual permite optimizar el consumo energético con el fin de extender el tiempo de recorrido. Finalmente se obtuvo un controlador no lineal basado en la técnica backstepping adaptativo, el cual considera la naturaleza desconocida de los parámetros hidrodinámicos para estimar su efecto sobre el vehículo y obtener la señal de control que lo estabiliza. El desempeño de los tres algoritmos es comparado mediante simulaciones, determinando que el algoritmo no lineal basado en backstepping adaptativo presenta un mejor comportamiento. Finalmente, se procede a implementar un planeador submarino basado en tecnologías de prototipado rápido, para evaluar el funcionamiento del algoritmo desarrollado en un sistema real. Los resultados de las pruebas realizadas demuestran que efectivamente, el sistema de control es capaz de estabilizar el vehículo sin tener conocimiento previo sobre los parámetros hidrodinámicos y la magnitud de su efecto sobre la dinámica del vehículo.Item Desarrollo de un robot móvil y una plataforma de interacción tangible para la inducción a la programación en ciencias de la computación de niños en edad pre-escolar(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-02-20) Cárdenas Cáceres, Pablo; Cuéllar Córdova, Francisco FabiánEn el campo de la programación, la interacción hombre-máquina está dominada por interfaces visuales que generalmente usan un teclado, un ratón y una pantalla haciendo que, para poder programar, se deban tener conocimientos previos de informática. La necesidad de aprender a programar en un mundo profesional cada vez más dependiente de la tecnología se ha incrementado y, por ello, en diferentes países su enseñanza se da desde edades tempranas. En contraste, en el Perú, el primer contacto con el campo de la programación se inicia mayormente en la etapa universitaria con dificultades en su aprendizaje. Se han planteado diferentes iniciativas como “Programa Una Laptop por Niño” en el que se distribuyeron kits de robótica Wedo de la marca LEGO Education; sin embargo, estos no son fabricados en la región por lo que los costos de adquisición son altos y que, además, por la complejidad de su uso, está orientado a niños de secundaria. Todo ello se refleja en un bajo índice de introducción a la programación de niños menores en el Perú. En otros países existen diferentes investigaciones que proponen el uso de la programación tangible, esto es, que el código sea palpable en lugar de ser parte de un mundo virtual en una pantalla de computadora, pero en muchos casos omiten alguna de las etapas de la programación computacional: el análisis del problema, el diseño del algoritmo, la codificación, la prueba y la etapa de depuración. La presente tesis hace una revisión teórica de las investigaciones previas en el campo de programación tangible y presenta el desarrollo de una plataforma mecatrónica de bajo costo en comparación a las alternativas ya existentes. Esta plataforma está conformada por un tablero de programación (que se usa la electrónica más elemental posible), y un robot móvil (que utiliza algoritmos de control avanzado para garantizar la exactitud de sus movimientos). Finalmente se valida el funcionamiento del prototipo mecatrónico mediante la comparación de datos obtenidos en el modelo simulado y el real.Item Studies on obstacle detection and path planning for a quadrotor system(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-11-06) Valencia Mamani, Dalthon Abel; Cuéllar Córdova, Francisco FabiánAutonomous systems are one interesting topic recently investigated; for land and aerial vehicles; however, the main limitation of aerial vehicles is the weight to carry on-board, since the power consumed depends on this and hardware like sensors and processor is limited. The present thesis develops an application of digital image processing to detect obstacles using only a monocamera, there are some approaches but the present report wants to focus on the distance estimation approach that, in future works, can be combined with other methods since this approach is more general. The distance estimation approach uses feature detection algorithms in two consecutive images, matching them and thus estimate the obstacle position. The estimation is computed through a mathematical model of the camera and projections between those two images. There are many parameters to improve final results and the best parameters are found and tested with consecutive images, which were captured every 0.5m along a straight path of 5m. Fraunhofer position modules are tested with the entire algorithm. Finally, in order to establish the new path without obstacles, an optimal binary integer programming problem is proposed, adapting the approach using results obtained from the distance estimation and obstacle detection. Resulting data is suitable for combining them with information obtained from conventional sensors, such as ultrasonic sensors. The obtained mean error is between 1% and 12% in short distances (less than 2.5 m) and greater with longer distances. The complexity of this study lies in the use of a single camera for the capture of frontal images and obtaining 3D information of the environment, the computation of the obstacle detection algorithm is tested off-line and the path-planning algorithm is proposed with detected keypoints in the background.Item Modelling and essential control of an oceanographic monitoring remotely operated underwater vehicle(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-10-14) Rojas Mendoza, Jorge Enrique; Cuéllar Córdova, Francisco FabiánOcean pollution and contamination of the water are serious problems because of its rapid increase and spread, having a negative effect on people, animals and the environment. Due to this, new technologies to monitor and measure environmental parameters are being developed. Remotely Operated Underwater Vehicles (ROVs) have become a commonly used robotic platform in oceanographic monitoring and analysis. The ROVBWSTI, designed by Fraunhofer IOSB-AST Institute, is an underwater modular vehicle capable of fulfilling numerous tasks, especially in the area of environmental sensoring. The motion of the ROV is commanded through a joypad controller, and functional requirements of autonomy are not implemented yet. Motivated by this fact, this master thesis focuses on the modelling of the dynamics of the remotely operated vehicle, considering its motion, existing ocean currents, effects of gravitation and buoyancy. Moreover, the concrete effect of the thrusters on the ROV is analysed and identified. Furthermore, the detailed identification of the dynamic and hydrodynamic parameters required in the model is considered, based on empirical estimations, computational methods and experimental tests. The obtained approach is simulated and optimized, using real motion trials as a reference. After the successful modelling, the design of an essential control system that includes set-point regulation and waypoint tracking is performed and simulated. As a result, it obtains an accurate dynamic model of the remotely operated vehicle that was successfully simulated and compared with real motion tests. On the other hand, the proposed control system applied to the model adequately achieves its purpose of regulation and way point tracking that allows the autonomy of the vehicle.Item Design and implementation of a test bech system for transfer of pressure sensor data(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-06-20) Fiestas Ugás, Antonio Esteban; Witte, Hartmut; Cuéllar Córdova, Francisco FabiánNowadays, wireless sensor devices have received wide attention across medical application areas; among them, implantable sensing devices are between the most important because of the contribution they make to healthcare and investigations. Nevertheless, the implantable sensing devices must be tested before pre-clinical or in-vivo studies are initiated and test benches are used to perform this previous tests. For this reason, this thesis presents the design and implementation of a test bench to acquire the data from an implantable sensing device that is being developed and will be used to sense the pressure within the thoracic cavity of mammals. The test bench consists on: a sealed container with two connections to increase and sense the internal pressure and is the environment where the sensor will be tested, and a wireless communication system that will acquire and process the sensor’s signal and is consisted of two principal modules that will communicate between them via radio frequency at the biomedical admitted band of 433 MHz using an implemented communication protocol. Finally, the calibration and tests on a pizoresistive pressure sensor have been performed to prove the functionality of the system and the experiments results are presented.Item Diseño del sistema de control de un brazo robótico de asistencia a personas discapacitadas(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-06-20) Achic Alarcón, Fred Solio; Cuéllar Córdova, Francisco FabiánLa presente tesis tiene por finalidad el diseño de un sistema para comandar un brazo robótico de asistencia que estará montado sobre una silla de ruedas automatizada, y cuya operación será por medio de señales EEG, con el objetivo de asistir a pacientes postrados con limitaciones de discapacidad muscular en miembros superiores, esclerosis lateral amiotrófica, lesión de la médula espinal, entre otros. El trabajo se enfoca en la implementación de un sistema basado en el procesamiento de señales cerebrales producto de estímulos visuales modulados a frecuencias específicas, con las cuales será posible clasificar y definir comandos de movimientos básicos sobre el brazo robótico. Todo ello con el objetivo de reducir fatigas mentales producto del uso de otras técnicas, como las cognitivas, que requieren mayor esfuerzo de concentración y muchas horas de entrenamiento previo para su correcto funcionamiento. Así mismo, la investigación muestra los criterios para la implementación del sistema de generación de estímulos visuales y resultados de los experimentos durante la adquisición, el procesamiento y clasificación de las señales recolectadas a partir de un dispositivo BCI portátil, con características limitadas en precisión y ancho de banda.Item Diseño del sistema de comando de una silla de ruedas motorizada mediante movimientos cervicales(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-06-20) Montero Fernández, Jhon Ezrad; Cuéllar Córdova, Francisco FabiánEn el mundo existen alrededor de mil millones de personas con algún tipo de discapacidad según lo indica la Organización Mundial de la Salud (World Healt Organization - WHO). Como respuesta a esta necesidad existe una línea de investigación orientada a la salud (física y emocional) que cada vez cobra mayor interés. El presente trabajo sigue esta línea de investigación y propone una integración de un sistema mecatrónico que permita el libre traslado de un lugar a otro a personas que tengan impedimento para el uso de brazos y piernas, y sin necesidad de la ayuda de una segunda persona. Esta solución es basada en un algoritmo que interpreta los movimientos cervicales y los traduce a órdenes de movimiento para una silla de ruedas motorizada, que cuenta además con sensores de obstáculos para facilitar la navegación del usuario; y tiene como propósito generar un sentimiento de autosuficiencia que repercuta positivamente en su salud. Finalmente se presentarán los resultados obtenidos durante la etapa de experimentación que valide la propuesta planteada.