Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial

Controlador cuadrático lineal con acción de control por adelanto y estabilidad robusta para hornos solares

Igor M. L. Pataro — 2024-05-30

La energía solar representa una fuente renovable, versátil y confiable que puede emplearse en experimentos de resistencia de materiales mediante el uso de hornos solares. En este artículo se examina la aplicación de controladores óptimos basados en seguimiento cuadrático lineal con acción de control por adelanto (LQT-FF, por sus siglas en inglés, Linear Quadratic Tracking-FeedForward) para el control de hornos solares utilizados en pruebas de estrés térmico de materiales. El controlador LQT-FF propuesto se fundamenta en estudios previos que ofrecen una solución analítica basada en un modelo lineal del horno solar, reduciendo en este caso el coste computacional del algoritmo de control óptimo. La contribución principal de este trabajo radica en la formulación incremental de este modelo, incorporando un integrador artificial a los estados originales. Además, se utiliza el análisis de estabilidad robusta para sintonizar el LQT-FF considerando el estimador de estados en lazo cerrado. El correcto funcionamiento del controlador propuesto se ha verificado sobre un modelo no lineal del horno solar SF60 de la Plataforma Solar de Almería. Los resultados obtenidos suponen un avance significativo en los controladores óptimos existentes en la literatura, ya que el controlador LQT-FF resulta en una ley de control óptima con rechazo de perturbaciones formulada mediante una forma incremental de las entradas, la cual elimina el error de seguimiento de referencia con una sintonía estable para todo el rango de operación de la planta. Por otro lado, esta ley de control se puede implementar eficientemente y con menor esfuerzo computacional, lo que resulta crucial para su implementación.

Una década de experiencias enseñando electrónica y control con un levitador magnético

Édgar Ramírez Laboreo — 2024-06-14

Los sistemas de levitación magnética han sido utilizados en la enseñanza de determinados conceptos de electrónica y control automático. Son dispositivos con un evidente atractivo para los estudiantes, que permiten ilustrar los efectos de las no linealidades presentes en la realidad, tanto aquellas debidas a la física del problema como las asociadas al uso de hardware electrónico. En la Universidad de Zaragoza utilizamos uno de estos sistemas en una asignatura multidisciplinar de máster, en la que trabajamos coordinadamente profesores del área de Tecnología Electrónica y de Ingeniería de Sistemas y Automática. Aunque el levitador magnético se ha mostrado como una herramienta muy útil en el proceso de aprendizaje del estudiantado, su uso como hilo conductor de una asignatura presenta numerosos desafíos, especialmente en lo relativo a la carga de trabajo y el sistema de evaluación. En este artículo plasmamos nuestras experiencias tras una década, describiendo en detalle el sistema y sus componentes, el modelo dinámico que utilizamos en la asignatura, los problemas encontrados en su uso como herramienta docente, las soluciones que hemos adoptado y las lecciones aprendidas.

Optimización Bayesiana no miope POMDP para procesos con restricciones de operación y presupuesto finito

José Luis Pitarch — 2024-07-09

Mejorar la toma de decisiones a partir de los resultados observados tras la experimentación es una tarea habitual en muchas aplicaciones, tanto a nivel de investigación en laboratorio como en procesos de producción industriales. Sin embargo, realizar experimentos suele acarrear un coste no despreciable, por lo que una excesiva exploración es perjudicial. La optimización bayesiana es una técnica muy utilizada en este contexto, decidiendo la siguiente experimentación en base a un modelo estadístico.
No obstante, está técnica no tiene en cuenta explícitamente el coste real de realizar un experimento, ni si existe un presupuesto (o número de experimentos, tiempo, etc.) máximo. El problema de toma de decisiones bajo incertidumbre y presupuesto finito puede plantear como un Proceso de Decisión de Márkov Parcialmente observable (POMDP, por sus siglas en inglés). Este trabajo aborda el problema de optimización experimental sujeta a restricciones de operación con un enfoque POMDP, donde las posibles decisiones vienen proporcionadas por heurísticas de la optimización bayesiana, o de otra índole definida por el usuario. La estrategia consiste en construir un árbol de posibles escenarios partir del conocimiento (incierto) acerca del proceso/sistema aprendido a partir de experimentos previos. Dicho conocimiento se modela mediante procesos Gaussianos, que se actualizan con cada nueva observación. La evaluación sobre la mejor decisión a tomar se realiza mediante programación dinámica. El algoritmo desarrollado ha sido evaluado mediante comparación con otras opciones de la literatura en un banco de pruebas sintético, y para optimizar un proceso químico de producción por lotes.

Sutura automatizada para una plataforma robótica de asistencia a la cirugía laparoscópica

Álvaro Galán-Cuenca — 2024-06-13

La cirugía laparoscópica es una cirugía mínimamente invasiva que hace reducidas incisiones en el tejido del paciente durante el procedimiento. Una de las tareas más desafiantes dentro de este campo es la sutura realizada con robots. Este artículo se centra en el algoritmo de sutura automatizada por medio de visión y un controlador fuerza-posición para manejar la herramienta dentro del paciente. El algoritmo recoge una primera aproximación donde la herramienta se sitúa en el punto de sutura, pero no ejecuta la entrada y posterior salida de la aguja en la piel. Se usa una plataforma robótica formada por dos brazos manipuladores, uno para manipular un instrumento quirúrgico a través del punto de fulcro y otro intra-abdominal con cámara con dos grados de libertad, para realizar los experimentos de dicho algoritmo. El artículo se compone de un algoritmo de visión para detectar heridas y localizar la ubicación de los puntos de sutura por medio de imágenes de profundidad, un módulo de navegación para generar la trayectoria de la sutura, y un controlador para ubicar la herramienta en dichos puntos sin dañar la pared abdominal del paciente. Por último, tanto el sistema de navegación como el de control se validaron mediante pruebas in vitro.

Diseño conceptual de un robot de rehabilitación de la marcha pseudoestacionario

Jaime Ramos-Rojas — 2024-06-05

Caminar es una tarea extraordinariamente compleja que requiere la intervención de todo el sistema nervioso, viéndose afectada por diversas patologías neurológicas. Los exoesqueletos de rehabilitación de la marcha actuales, aunque potencialmente evidencian una mejora tras la rehabilitación, aún no han mostrado su superioridad terapéutica respecto a la terapia convencional de manera concluyente. Además, los dispositivos robóticos y exoesqueletos de rehabilitación de la marcha actuales no permiten entrenar específicamente la transferencia de peso o requieren de un buen estado funcional para ser utilizados. En este artículo se presenta el modelo conceptual de un sistema robótico ambulatorio acoplado al exoesqueleto Exo-H3 para la rehabilitación de la marcha implementando estrategias de aprendizaje por refuerzo. Se espera que este sistema favorezca la plasticidad neuronal al aportar mayor libertad al usuario para explorar nuevos patrones de movimiento y aumentar su control motor voluntario y su participación activa, mientras el exoesqueleto se adapta y garantiza su equilibrio y estabilidad. Los pasos futuros contemplan el diseño y la fabricación de cada uno de los subsistemas robóticos, validando su funcionamiento individual y en conjunto, con la participación de sujetos sanos y patológicos.

Arquitectura para la monitorización de la frecuencia cardiaca en tiempo real desde un robot social

Arturo Martinez-Rodrigo — 2024-07-12

El cambio demográfico hacia una población de más edad ha aumentado la demanda de vigilancia y asistencia a distancia para las personas mayores, sobre todo las que viven en soledad y podrían sufrir estrés, miedo, depresión y aislamiento. Este trabajo presenta cómo el robot social Mini integra una arquitectura de software destinada a facilitar la vida independiente prolongada de las personas mayores. Para ello, el robot adquiere datos de un dispositivo wearable para la monitorización en tiempo real de la frecuencia cardiaca de personas mayores mediante señales de fotopletismografía. Estas señales se descodifican, analizan, procesan y clasifican para reconocer posibles anomalías de la frecuencia cardiaca y tratarlas adecuadamente. Ante mediciones de pulso anormalmente altas o bajas, el robot se pone en contacto con el usuario para reexaminar los síntomas mediante una secuencia de preguntas. Si el usuario confirma la presencia de algún síntoma o no responde, el robot transmite una alerta a los cuidadores empleando Telegram, un servicio de mensajería para dispositivos móviles, o una plataforma visual en línea específica. La plataforma en línea ofrece interfaces de monitorización designadas para que los cuidadores proporcionen datos históricos en un formato completo.

Comprensión automática de escenas en imágenes de entornos submarinos

Cesar Borja — 2024-05-09

La utilización de vehículos submarinos autónomos (AUV) representa un avance significativo en el campo de la monitorización del fondo marino. Sin embargo, el procesamiento de imágenes de datos adquiridos desde AUVs presenta un desafío único debido a las propiedades inherentes del entorno submarino, como la atenuación de la luz y la turbidez del agua. Este trabajo investiga técnicas para mejorar la comprensión automática del contenido de escenas submarinas a partir de imágenes monoculares. El sistema propuesto aprovecha modelos de aprendizaje profundo existentes junto con algoritmos simples de procesamiento de imágenes, eliminando la necesidad de entrenamiento supervisado adicional. El sistema estudia la combinación de un modelo de aprendizaje profundo pre-entrenado para la estimación de profundidad a partir de imágenes monoculares, con el algoritmo propuesto para distinguir regiones de agua del resto de elementos de la escena. El estudio presentado incluye una comparación detallada de la influencia en el resultado de varias alternativas y opciones de configuración del sistema. La validación experimental muestra cómo el sistema presentado obtiene resultados de segmentación más ricos en comparación con los algoritmos existentes utilizados como referencia. En particular, el sistema propuesto facilita la segmentación precisa de regiones de agua y facilita la detección de otros objetos de interés, incluyendo elementos suspendidos en el agua, que potencialmente pueden corresponder a peces u otros obstáculos móviles.

Juegos poblacionales y modelos dinámicos de pago: Un nuevo paradigma para control y optimización

Germán Obando — 2024-04-17

En la última década, se han venido desarrollando técnicas inspiradas por la naturaleza y la economía con el fin de resolver problemas de control y toma de decisiones. En este artículo, se presenta este nuevo paradigma que combina los juegos poblacionales y los modelos dinámicos de pago. Se introducen conceptos fundamentales en torno a estas áreas, incluyendo un desarrollo matemático formal (basado en teoría de pasividad para sistemas dinámicos, estabilidad de Lyapunov e invarianza de conjuntos) que valida su uso tanto para abordar problemas de optimización como para diseñar sistemas de control en lazo cerrado con restricciones (físicas y operacionales). Específicamente, nos enfocamos en problemas cuyos objetivos se alinean con la distribución dinámica de recursos y el alcance de equilibrios generalizados de Nash. La pertinencia del paradigma formulado se ilustra a través de diferentes problemas de ingeniería con aplicaciones en múltiples campos.

Presentación

José Manuel Andújar — 2024-09-27

Nota de Redacción

José Luis Calvo Rolle — 2024-09-27

Memorias

Pedro Albertos — 2024-09-27