TecnoLógicas

Nanobioingeniería: Historia y futuro

Control GPI-repetitivo para sistemas lineales con incertidumbre/variación en los parámetros

El problema de control de sistemas lineales para seguimiento o rechazo de señales periódicas con incertidumbre / variación paramétrica ha sido considerado desde varias perspectivas. Este trabajo presenta una propuesta de combinación de la técnica de control repetitivo con la técnica de control Proporcional Integral Generalizado (GPI). La adecuación y combinación de estas técnicas se realiza en un contexto de tiempo discreto. El control repetitivo se presenta como una técnica, basada en el principio del modelo interno, apta para el rechazo o seguimiento de señales periódicas. Por otra parte, la técnica de control GPI es una estrategia de diseño de controladores robustos lineales capaces de gestionar adecuadamente tanto perturbaciones exógenas de tipo estructurado así como la incertidumbre / variación de planta. Se plantea que el control GPI garantice unas condiciones de estabilidad y desempeño adecuadas para el correcto funcionamiento del control repetitivo sobre plantas lineales que refieran incertidumbre / variación paramétrica. Se presentan adicionalmente análisis de estabilidad y desempeño en términos de la respuesta en frecuencia tomando diferentes escenarios de incertidumbre en los parámetros y graficando las condiciones de estabilidad. Complementariamente, se realizan comparaciones con estrategias clásicas a nivel del control complementario, que han resultado efectivas para problemas de control similares, y se ilustran los análisis por medio de simulaciones.

Robust repetitive control problems for uncertain linear systems have been considered by different approaches. This article proposes the use of Repetitive Control and Generalized Proportional Integral (GPI) Control in a complementary fashion. The conditioning and coupling of these techniques has been done in a time discrete context. Repetitive control is a control technique, based on the internal model principle, which yields perfect asymptotic tracking and rejection of periodic signals. On the other hand, GPI control is established as a robust linear control system design technique that is able to reject structured time polynomial additive perturbation, in particular, parameter uncertainty that can be locally approximated by time polynomial signal. GPI control provides a suitable stability and robustness conditions for the proper Repetitive Control operation. A stability analysis is presented under the frequency response framework using plant samples for different parameter uncertainty conditions. We carry out some comparative stability analysis with other complementary control approaches that has been effective for this kind of task, enhancing a better robustness and an improved performance for the GPI case. Illustrative simulation examples are presented which validate the proposed approach.

Comparación de métodos de filtro de Kalman robustos para corrección de artefactos en el análisis de la variabilidad de la frecuencia cardiaca

Heart rate variability (HRV) has received considerable attention for many years, since it provides a quantitative marker for examining the sinus rhythm modulated by the autonomic nervous system (ANS). The ANS plays an important role in clinical and physiological fields. HRV analysis can be performed by computing several time and frequency domain measurements. However, the computation of such measurements can be affected by the presence of artifacts or ectopic beats in the electrocardiogram (ECG) recording. This is particularly true for ECG recordings from Holter monitors. The aim of this work was to study the performance of several robust Kalman filters for artifact correction in Inter-beat (RR) interval time series. For our experiments, two data sets were used: the first data set included 10 RR interval time series from a realistic RR interval time series generator. The second database contains 10 sets of RR interval series from five healthy patients and five patients suffering from congestive heart failure. The standard deviation of the RR interval was computed over the filtered signals. Results were compared with a state of the art processing software, showing similar values and behavior. In addition, the proposed methods offer satisfactory results in contrast to standard Kalman filtering.

La variabilidad de la frecuencia cardiaca (HRV) ha recibido una atención considerable por mucho años, ya que esta proporciona un valor cuantitativo para examinar el ritmo sinusal modulado para el sistema nervioso autónomo (SNA). El SNA juega un papel importante en campos clínicos y fisiológicos. El análisis de la HRV se puede realizar calculando varias medidas tanto en el domino del tiempo como en la frecuencia. Sin embargo, el cálculo de estas medidas se puede ver afectado por la presencia de artefactos o latidos ectópicos en registros de electrocardiogramas (ECG). Esto es particularmente cierto para registros ECG desde un monitor Holter. El objetivo de este trabajo fue estudiar el rendimiento de varios filtros de Kalman robustos para la corrección de artefactos. Para nuestros experimentos, se usaron dos bases de datos reales: el primer conjunto de datos incluye 10 series de tiempo de intervalos RR a partir de un generador de series de tiempo de intervalos RR realista. La segunda base de datos contiene 10 conjuntos de series de intervalos RR de cinco pacientes sanos y cinco pacientes que sufren una insuficiencia cardiaca congestiva. Se calculó la desviación estándar de los intervalos RR a partir de las señales filtradas. Los resultados se compararon con un reconocido software de procesamiento, mostrando comportamientos y valores similares. Adicionalmente, los métodos propuestos ofrecen resultados satisfactorios en comparación con el filtro de Kalman estándar.

Planeación de trayectorias para cuadricópteros en ambientes dinámicos tridimensionales

Un tema de interés sobre los vehículos aéreos no tripulados es la determinación de trayectorias apropiadas que le permitan moverse de una posición inicial a una posición objetivo, garantizando que la trayectoria sea segura, es decir, que no existan riesgos de colisión. En este artículo se presentan dos técnicas de planificación de trayectorias y una estrategia de evasión de obstáculos para cuadricópteros, ambas técnicas funcionales sobre ambientes tridimensionales con obstáculos estáticos o dinámicos restringidos a velocidades constantes. Las técnicas funcionan sobre un ambiente modelado con planos que generan un campo de potencial artificial. La primera técnica está basada en puntos móviles que interconectan la posición inicial con la meta, posteriormente cada punto se mueve hacia zonas libres de la influencia de los obstáculos siguiendo el campo potencial, lo que hace que se encuentren caminos libres de obstáculos. La segunda técnica usa el concepto de zonas seguras, el cual se utiliza como criterio para actualizar la posición de los puntos. Adicionalmente, se propone una metodología de evasión de obstáculos dinámicos, que consiste en transformar el problema de planeación de trayectorias con obstáculos dinámicos al caso de planeación de trayectorias con obstáculos estáticos mediante un proceso de análisis de las posibilidades de colisión. Los resultados muestran que estas técnicas superan los inconvenientes de los algoritmos basados en gradiente descendente como mínimos locales y oscilaciones inestables.

A topic of interest on unmanned aerial vehicles is determining appropriate paths that allow them to move from an initial position to a target position, ensuring that the path is safe, in other words, that there is no risk of collision. In this article, two techniques of path planning and an obstacle avoidance strategy for quadricopters are presented. Both techniques are functional on three-dimensional environments with static or dynamic obstacles restricted to constant speeds. The techniques work on an environment modeling with planes which generate an artificial potential field. The first technique is based on moving points that connect the initial position to the goal, and then every point moves towards free zones of influence of obstacles along the potential field, which makes unobstructed paths. The second technique uses the concept of safe areas, which is used as a criterion for updating the position of the points. Additionally, a methodology of dynamic obstacles avoidance is proposed, which is to transform the problem of trajectory planning with dynamic obstacles to the case of path planning with static obstacles through a process of analyzing the possibility of a collision. The results show that these techniques overcome the drawbacks of the gradient descent-based algorithms as local minima and unstable oscillations problems.

Influencia de la temperatura de compactación sobre la resistencia de un material granular estabilizado con asfalto en caliente tipo MGEA_A

En el artículo se presentan los resultados de una fase experimental cuyo principal objetivo fue evaluar la influencia de la temperatura de compactación sobre la resistencia mecánica y la susceptibilidad al agua de un material granular estabilizado con asfalto en caliente (MGEA). Lo anterior, debido a que en climas templados o de baja temperatura, se ha reportado en obra disminución de la temperatura de compactación con respecto a la óptima de laboratorio de hasta 30°C. Adicionalmente, las especificaciones técnicas de construcción no recomiendan un rango de temperaturas de compactación para el control de este material en proyecto viales. Lo anterior genera, que en muchas ocasiones, estos materiales sean compactados de manera empírica con temperaturas que tal vez no sean las adecuadas. Las mezclas fueron fabricadas utilizando dos cementos asfálticos (CA 60-70 y CA 80-100) y fueron compactadas bajo temperaturas de 90, 100, 110 y 120°C, siendo esta última la óptima de referencia. Los ensayos ejecutados fueron el Marshall, módulo resiliente, deformación permanente y tracción indirecta sobre muestras secas y sumergidas en agua. Como conclusión general se reporta, que la disminución de la temperatura de compactación de la mezcla MGEA, genera una disminución notable en su resistencia bajo carga monotónica y cíclica e incrementa el daño por humedad.

The influence of compaction temperature on the mechanical resistance and susceptibility to water of a bound granular material with asphalt cement (called MGEA) was evaluated in laboratory. The above, because in temperate climates or low temperature, has been reported in some road projects, lowering the temperature of compaction with respect to the laboratory optimum to 30°C. Additionally, the technical construction specifications not recommend a range of compaction temperatures for the control of this material in road projects. This generates, that these materials are compacted empirically with temperatures that may not be appropriate. Two asphalt cements (AC 60-70 and AC 80-100) were used to prepare the MGEA mixtures. The compaction temperatures used were 105, 115, 125 and 135°C. Marshall, resilient modulus, permanent deformation and indirect traction tests were performed. The decrease of the compaction temperature produces a remarkable decrease in resistance under monotonic and cyclic loading, and increases moisture damage of the MGEA mixture tested.

Algoritmos bioinspirados para optimizar el contenido de armónicos de un inversor de potencia PWM

This paper deals with the evaluation of different bio-inspired algorithms techniques for reduction of harmonic distortion (THD) in pulse width modulation (PWM) of power inverters. A comprehensive study is performed, that identifies and develops biologically inspired optimization algorithms based mainly on tabu search, genetic algorithms (GA), particle swarm optimization (PSO), and ant colony optimization (ACO). These bio-inspired optimization methods were used to find the best operational parameters of a PWM applied to a power inverter. The best results were achieved when the pulse position is near to the middle position (Pp=0.5) or symmetry of the pulse. For the four methods analyzed he best result was obtained using ACO method based on the lowest THD content and less 5th and 7th harmonics magnitude with fewer pulses (Np=38), almost 5 times lower than the result of PSO (Np=179). It was achieved to reduce losses considerably with a reduction in the switching frequency of the power devices (4560 Hz). The algorithms developed can be easily adapted to any minimization problem, only making changes in the number of variables and selection (or elimination) criteria to obtain better results in complex problems.

Este trabajo se centra en la evaluación de diferentes técnicas de algoritmos bio-inspirados, que permitan reducir la distorsión armónica (THD) de la modulación de ancho de pulso (PWM) en inversores de potencia. Se realizó un amplio estudio que identifica y desarrolla algoritmos de optimización de inspiración biológica basados principalmente en la búsqueda tabú, algoritmos genéticos, optimización por enjambre de partículas y colonia de hormigas. Los métodos de optimización bio-inspirados son usados principalmente para encontrar los mejores parámetros operacionales de un PWM aplicado a inversores de potencia. Los mejores resultados fueron obtenidos cuando la posición de pulso (Pp) se localiza cerca a la posición central (Pp=0.5) o a la simetría del pulso. Dentro de los cuatro métodos estudiados el mejor resultado se encontró usando la técnica de optimización por colonia de hormigas, debido al valor de THD más bajo encontrado e igualmente con el 5 y 7 armónico con menos impulsos (Np= 38), casi 5 veces menor que el resultado usando la técnica optimización por enjambre de partículas, logrando reducir considerablemente las pérdidas bajando la frecuencia de conmutación (4560 Hz) de los dispositivos de potencia. Los algoritmos desarrollados pueden fácilmente adaptarse a cualquier problema de optimización, solo haciendo cambios en el número de variables y en la selección (o eliminación) de los criterios y así de esta manera obtener mejores resultados en problemas complejos.

Implementación de filtro digital en tiempo real para detección de la onda R

La cuantificación de la frecuencia cardiaca instantánea está basada en la detección de la onda R de la señal electrocardiográfica. Este proceso requiere la implementación de estrategias de filtrado digital en tiempo real para obtener el tiempo de ocurrencia de cada onda R. Diferentes técnicas matemáticas se han implementado para la detección de la onda R, pero requieren sistemas digitales con gran capacidad de cómputo. En la actualidad, existen oportunidades para la implementación de estrategias de filtrado en dispositivos de bajo costo y en tiempo real. El objetivo de este trabajo es presentar los resultados obtenidos al implementar un filtro digital en tiempo real orientado a la detección de la onda R de la señal electrocardiográfica. La estrategia implementada está basada en la teoría de filtros promediadores y derivadores, los cuales han sido implementados en un dispositivo programable tipo ARM y de uso abierto. El sistema de filtrado proporciona una señal binaria que indica la ocurrencia de la onda R y es la entrada para un sistema de cuantificación de la frecuencia cardiaca instantánea. Los resultados contenidos en este artículo son la base para la implementación de un sistema para la cuantificación de la frecuencia cardiaca en tiempo real, por lo cual es presentada la etapa de detección de la onda R.

Quantification of the instantaneous heart rate is based on the detection of the R wave of the electrocardiographic signal. This process requires the implementation of strategies for real-time filtering for the time of occurrence of each R wave. Various mathematical techniques have been implemented for the detection of the R wave and these require digital systems with high performance computing. At present, there are opportunities to implement filtering strategies in low-cost devices in real time. The principal goal of this paper is to present the results obtained by implementing a real-time digital filter for the detection of the R wave of the ECG signal. The implemented strategy is based on the averaging and derived filters theory, which have been implemented on an ARM programmable device and open hardware. The filtering system provides a binary signal indicating the occurrence of the R wave and is input to a system for quantifying the instantaneous heart rate. The results in this paper are the basis for the implementation of a system for the quantification of heart rate in real time, which is presented the step of detecting R-wave.

Desempeño de redes inalámbricas y redes industriales inalámbricas en procesos de control en tiempo real bajo ambientes industriales

El uso creciente de las redes Ethernet en el piso de la pirámide de automatización ha hecho que muchas compañías desarrollen dispositivos para operar bajo los requerimientos característicos de este nivel, en la actualidad denominada red Industrial Ethernet. A nivel industrial se encuentra en el mercado variedad de sensores y actuadores que incorporan esta tecnología, muchos de estos equipos se venden a muy alto costo, por eso en este artículo se evaluó el desempeño de dos redes inalámbricas, una con dispositivos del Ethernet convencional, y otra con dispositivos de Industrial Ethernet variando cuatro parámetros que son: distancia, número de bytes, relación señal a ruido y la tasa de error de paquetes, midiendo los retardos y comparando con métricas estadísticas los resultados, para ello se usaron gráficas Box Plot. Al final, se concluye que bajo los parámetros y condiciones evaluados, las redes inalámbricas pueden servir como sistema de comunicación en aplicaciones de control con retardos permisibles de hasta 50 ms, además, los resultados demuestran un mejor desempeño de las redes Industrial Ethernet con respecto a las convencionales, con diferencias en los RTT de milisegundos. Por lo tanto, se recomienda establecer qué riesgo representa para el proceso a controlar estos retardos y así determinar si los equipos convencionales aplican, ya que bajo ciertas características, como condiciones de humedad y temperatura, pueden operar adecuadamente durante un tiempo considerable y a un menor costo que los dispositivos de Industrial Ethernet.

The growing use of Ethernet networks on the industrial automation pyramid has led many companies to develop new devices to operate in requirements of this level, nowadays it is called Industrial Ethernet network, on the market there are various sensors and actuators to industrial scale equipped with this technology, many of these devices are very expensive. In this paper, the performance of two wireless networks is evaluated, the first network has conventional Ethernet devices, and the second network has Industrial Ethernet devices. For the process we vary four parameters such as distance, number of bytes, the signal to noise ratio, and the packet error rate, and then we measure delays and compare with metric statistics results, Box Plot graphs were used for the analysis. Finally, we conclude that under the parameters and conditions tested, wireless networks can serve as a communication system in control applications with allowable delays of up to 50 ms, in addition, the results show a better performance of Industrial Ethernet networks over conventional networks, with differences in the RTT of milliseconds. Therefore, it is recommended to establish what risk is for the process to control these delays to determine if the equipment conventional applies, since under certain features like humidity and temperature can operate properly for a considerable time and at lower cost than devices to Industrial Ethernet.

Análisis de correlación entre la contaminación de aisladores cerámicos y emisiones acústicas

Most of the studies related to insulator pollution are normally performed based on individual analysis among leakage current, relative humidity and equivalent salt deposit density (ESDD). This paper presents a correlation analysis between the leakage current and the acoustic emissions measured in a 230 kV electrical substations in the city of Barranquilla, Colombia. Furthermore, atmospheric variables were considered to develop a characterization model of the insulator contamination process. This model was used to demonstrate that noise emission levels are a reliable indicator to detect and characterize pollution on high voltage insulators. The correlation found amount the atmospheric, electrical and sound variables allowed to determine the relations for the maintenance of ceramic insulators in high-polluted areas. In this article, the results on the behavior of the leakage current in ceramic insulators and the sound produced with different atmospheric conditions are shown, which allow evaluating the best time to clean the insulator at the substation. Furthermore, by experimentation on site and using statistical models, the correlation between ambient variables and the leakage current of insulators in an electrical substation was obtained. Some of the problems that bring the external noise were overcome using multiple microphones and specialized software that enabled properly filter the sound and better measure the variables.

La mayoría de los estudios relacionados con la contaminación de aisladores son desarrollados normalmente con base en un análisis individual entre la corriente de fuga, la humedad relativa y la densidad de los depósitos de sal equivalente (ESDD). Este trabajo presenta un análisis de correlación entre la corriente de fuga y las emisiones acústicas medidas en una subestación eléctrica de 230 kV, en la ciudad de Barranquilla, Colombia. Además, se consideraron variables atmosféricas para desarrollar un modelo de caracterización del proceso de la contaminación de los aisladores eléctricos. Este modelo fue utilizado para demostrar que los niveles de emisión de ruido son un indicador fiable para detectar y caracterizar la contaminación en aisladores de alta tensión. La correlación encontrada entre las variables atmosféricas, eléctricas y las de sonido permitieron determinar las relaciones para el mantenimiento de los aisladores cerámicos en zonas de alta contaminación. En este artículo se muestran los resultados de la investigación sobre el comportamiento de la corriente de fuga en aisladores cerámicos y el sonido que se producen ante diferentes condiciones atmosféricas, lo cual permite evaluar el mejor momento para limpiar el aislador en la subestación. Además, mediante experimentación in situ y utilizando modelos estadísticos, se obtuvo la correlación entre las variables ambientales y la corriente de fuga de aisladores en una subestación eléctrica. Algunos de los inconvenientes que trae el ruido externo en la medición fueron superados utilizando varios micrófonos y software especializado que permitían filtrar correctamente el sonido y lograr una mejor medición de las variables.

Adsorción de metales pesados en aguas residuales usando materiales de origen biológico

La bioadsorción es un proceso que permite la captación activa o pasiva de iones metálicos, debido a la propiedad que diversas biomasas vivas o muertas poseen para enlazar y acumular este tipo de contaminantes por diferentes mecanismos. La aplicación de materiales de bajo costo obtenidos a partir de diferentes biomasas provenientes de la flora microbiana, algas y residuos agroindustriales ha sido investigada para reemplazar el uso de métodos convencionales en la remoción de contaminantes, tales como los metales pesados. Entre los metales de mayor impacto al ambiente por su alta toxicidad y difícil eliminación se encuentran el cromo, níquel, cadmio, plomo y mercurio. En el presente trabajo se estudian las generalidades de la adsorción como proceso alternativo para la remoción de contaminantes en solución y las biomasas comúnmente usadas en estos procesos, además de algunas de las modificaciones realizadas para la mejora de la eficiencia de adsorción de las mismas. Se concluye que el uso de la adsorción en la remoción de contaminantes en solución acuosa mediante el uso de biomasa residual es aplicable a estos procesos de descontaminación evitando problemas subsecuentes como la generación de lodos químicos, y generando un uso alternativo a materiales considerados como desechos. Se identifica además que factores como el pH de la solución, tamaño de partícula, temperatura y la concentración del metal influyen en el proceso.

Biosorption is a process that allows active or passive uptake of metal ions due to the property that different living or dead biomass have to bind and accumulate these pollutants by different mechanisms. The application of low-cost materials obtained from different biomass from microbial flora, agro-industrial waste and algae has been investigated to replace the use of conventional methods for the removal of contaminants such as heavy metals. Some of the metals of greatest impact to the environment due to its high toxicity and difficult to remove are chromium, nickel, cadmium, lead, and mercury. In this paper, an overview of adsorption as an alternative process for the removal of contaminants in solution and biomass commonly used in these processes, as well as some of the modifications made to improve the efficiency of adsorption of these materials is presented. It was concluded that the use of adsorption in the removal of pollutants in aqueous solution using waste biomass is applicable to these decontamination processes avoiding subsequent problems such as the generation of chemical sludge, and generating an alternative to use materials considered as waste. It is further identified that such factors as the pH of the solution, particle size, temperature, and concentration of metal effect on the process.

Redes elásticas del futuro: beneficios para la red interna de telecomunicaciones de Colombia

El continuo crecimiento de la demanda de datos está dirigiendo la investigación para dar luz a una red eficiente en el uso de la fibra óptica y el espectro radioeléctrico. La próxima generación de redes será el resultado de una convergencia entre el dominio óptico e inalámbrico para reunir cada una de sus virtudes en una vasta red de telecomunicaciones más resiliente y más simplificada. Colombia no estará marginada de estos avances ya que actualmente despliega fibra óptica por gran parte del territorio nacional y por tal motivo debe estar informada de los progresos actuales en lo referente a redes de telecomunicaciones de nueva generación y orientar de mejor forma los lineamientos legales del ministerio de TIC (Tecnologías de la Información y las Comunicaciones) para traer en consecuencia grandes beneficios a la regulación de la red interna de telecomunicaciones en cuanto a lo decretado acerca de los inmuebles de propiedad horizontal. En este trabajo se plasman los avances en investigación concernientes a transmisiones por fibra óptica, incluyendo el nuevo paradigma de redes híbridas de fibra óptica con redes inalámbricas que permitirán simplificar la red global de telecomunicaciones. Las redes elásticas del futuro sugieren que las redes internas de telecomunicaciones serán más reducidas, simples y versátiles, lo cual facilitará la libre competencia entre los proveedores de servicios de comunicaciones, evitando el monopolio de espacios dentro de edificios de propiedad horizontal.

The continuous growth in data demand is leading research to bring to light an efficient network using fiber optics and radioelectric spectrum. The next generation of networks will be the result of a convergence between the optical and wireless domain with the purpose to gather all of their virtues in a vast telecommunications network more resilient and more simplified. Colombia will not be marginalized of these advances because actually has deployed optical fiber in most of the country and therefore they must be informed of current progress in terms of new generation of telecommunications networks and guide in a better way the legal guidelines of the Ministry of ICT (Information and Communications Technology) to bring great benefits to the regulation of internal telecommunications network, concerning what was decreed about the immovable of horizontal property. In this paper, research advances are reflected concerning optical fiber transmission, including the new paradigm of hybrid fiber optic networks with wireless networks that will simplify the global telecommunications network. The elastic networks of the future suggest that internal telecommunications networks will be smaller, simple, and versatile, which will facilitate competition between communication service providers, avoiding the monopoly of spaces within horizontal property buildings.