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Introducción

El Trabajo Fin de Máster (TFM) es un requisito imprescindible para la obtención de los títulos oficiales de posgrado (Másteres Oficiales), y ofrecen al alumnado del máster SIEAV la ocasión de aplicar y consolidar los conocimientos adquiridos durante el periodo de aprendizaje según su plan formativo personalizado. Además, durante el desarrollo del TFM el alumnado tiene la oportunidad de integrarse en la dinámica de trabajo de alguna de nuestras empresas colaboradoras y/o de los Grupos de Investigación implicados en la docencia de este máster. En muchos casos el TFM es el germen del trabajo de investigación que los egresados de este posgrado desarrollan posteriormente para la consecución de su Tesis Doctoral (fase de investigación).
En esta página se resumen algunos TFM presentados en cursos anteriores. Se han seleccionado trabajos representativos de las distintas líneas de investigación integradas en el mismo.


Monitorización y control de microfonías en cavidades RF

Autor: Ander Elejaga Estiballes, Director: Josu Jugo García (UPV/EHU)

Los aceleradores de partículas de última generación hacen uso de cavidades resonantes superconductoras como etapa de aceleración. Debido al estrecho ancho de banda de estos dispositivos, ligeras desviaciones en la frecuencia de resonancia de la cavidad pueden generar importantes pérdidas de eficiencia energética en el proceso de aceleración. De esta manera, efectos como la desintonización por microfonías toman especial relevancia en este tipo de dispositivos. Este fenómeno no es más que la variación de la frecuencia de resonancia electromagnética de la cavidad como consecuencia de vibraciones mecánicas sufridas por su estructura. De esta manera, uno de los objetivos de este trabajo es analizar el efecto de las microfonías sobre un prototipo de cavidad (no superconductora), disponible en el laboratorio de aceleradores de partículas Izpilab de la UPV/EHU, para de este modo poder extrapolar los resultados a las cavidades superconductoras más modernas. A partir de ahí, el objetivo principal es implementar un prototipo de controlador funcional capaz de controlar la desintonización por microfonías mediante el uso de un actuador piezoeléctrico.

Montaje experimental

El primer paso en el desarrollo del TFM es caracterizar la respuesta tanto mecánica como electromagnética (EM) de la cavidad frente a perturbaciones por microfonías. De este modo, es posible localizar los modos de resonancia mecánica de la cavidad y analizar el efecto de estos sobre los campos EM del interior del dispositivo. Para ello, se han diseñado sobre tecnología PXI y CompactRIO sendos sistemas de generación y adquisición capaces de excitar mecánicamente la cavidad y adquirir su respuesta tanto mecánica como EM. Todo este proceso se ha llevado a cabo en entorno LabVIEW. Una vez caracterizada la respuesta de la cavidad, se procede a calcular mediante el algoritmo "vector fitting" los modelos matemáticos sobre los que más adelante validar en simulación los algoritmos de control. Así pues, el siguiente paso ha sido el de diseñar un algoritmo de control "feedforward" adaptativo (FFA) capaz de minimizar el efecto de las microfonías sobre los campos EM del interior del dispositivo. Una vez validado el algoritmo en simulación, se procede a diseñar sobre tecnología PXI el prototipo de controlador e implementar en él el algoritmo FFA. Para finalizar con el trabajo, se comprueba la validez del controlador sobre el sistema real del que se dispone, consiguiendo una reducción del efecto de la microfonía aplicada de hasta un 95%.

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Desarrollo de una Contribución de Inteligencia Computacional Basada en PSoC para ADAS

Autor: Óscar Mata Carballeira, Directoras: Inés del Campo Hagelström (UPV/EHU) y María Victoria Martínez (UPV/EHU)

La seguridad en el automóvil, así como el confort de conductores y ocupantes, ha evolucionado drásticamente en los últimos años debido a la implantación de Sistemas de Asistencia a la Conducción (DAS). Estos sistemas se están volviendo cada vez más automatizados y complejos, convirtiéndose en DAS-Avanzados (ADAS). Debido a que los ADAS se vuelven más sofisticados, necesitan de técnicas más complejas para alcanzar resultados adecuados de rendimiento y precisión. Esta es la principal motivación para incorporar soluciones de Aprendizaje Automático (Machine Learning) e Inteligencia Computacional. en la implementación de estos sistemas. Así, en este proyecto se plantean nuevas soluciones para ADAS basadas en técnicas de Machine Learning y su implementación en PSoC Programmable System-on-Chip).
Esquema de SoC para ADAS

Con este objetivo, en este trabajo se han explorado diferentes tipos de ADAS y técnicas de Machine Learning, y se ha estudiado la manera de combinar ambos campos para proponer dos soluciones de ADAS basadas en dichas técnicas: La primera es una solución de Reconocimiento de Señales de Límite de Velocidad basada en señales de vídeo que pretende mejorar la exactitud de los sistemas ya existentes. La segunda es un sistema de Reconocimiento de Estilos de Conducciónbasado basada en la fusión de señales obtenidas de varios sensores para aconsejar a los conductores cómo mejorar el confort de marcha. Finalmente, se ha implementadoun un prototipo del sistema de Reconocimiento de Estilos de Conducción en un PSoC de la familia Zynq-7000 de Xilinx, verificando su funcionalidad y caracterizando su rendimineto.

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Reducción de Chatter con Model Predictive Control: Diseño e implementación mediante simulación Hardware-in-the-loop

Autor: Alexander Peña Sevillano, Directores: Rafael Bárcena (UPV/EHU), Iker Mancisidor (IK4-Ideko) y Xavier Beudaert (IK4-Ideko)

El chatter es un fenómeno vibratorio autoexcitado producido durante el mecanizado debido a la vibración relativa entre la herramienta de corte y la pieza. Este fenómeno es considerado como uno de los principales límites de la productividad de las máquinas herramienta, ya que puede producir un acabado indeseado de la pieza además de reducir la vida de los componentes mecánicos de la máquina. Una de las soluciones propuestas en la literatura es el empleo de amortiguadores activos, cuyo objetivo es aumentar el amortiguamiento del modo o modos críticos de manera que se reduzca la vibración. Las técnicas de control activo, independientemente de su modo de aplicación o uso, necesitan de un algoritmo de control que convierta la señal de vibración medida en una referencia de fuerza para el actuador. El algoritmo más extendido en el mundo de la máquina herramienta es el Direct Velocity Feedback (DVF), debido a su sencillez y efectividad. La razón principal por la que estrategias de control más avanzadas no estén aún implantadas en estos sistemas es la complejidad de la dinámica de las máquinas, que además varía durante el proceso de corte. Así, en este proyecto se plantea el estudio de la aplicación del control predictivo basado en modelo (MPC) a este problema.

Banco HIL para experimentación de chatter
Banco HIL para experimentación de chatter

Este proyecto es una primera aproximación a la aplicación del MPC en sustitución del DVF como algoritmo de control para el amortiguamiento activo del chatter. El trabajo realizado para lograr este objetivo se puede dividier en tres fases: Primero se han ajustado diferentes variantes del MPC usando la herramienta Matlab. Mediante la simulación de dichos ccontroladores se ha evaluado la capacidad del MPC para reducir el chatter en herramientas de mecanizado. A continuación se ha desarrollado un banco de pruebas Hardware-in -the-loop (HIL) que reproduce la aparición del chatter en tiempo real y permite, al mismo tiempo, la utilización de equipos fíísicos tales como acelerómetros, etapas de potencia y actuadores inerciales como los utilizados e la industria. Finalmenete se ha implementado un control MPC en tiempo real sobre PC utilizando Simulink Real Time, lo que ha permitido demostrar experimentalmente que mediante el MPC es posible aumentar la estabilidad del sistema controlado hasta en un 20% más que meidante DVF.


Mixed-Critically Execution Environments for Embedded Control Systems

Autora: Irune Yarza Pérez, Directores: Mikel Azkarate-askasua (IK4-IKERLAN) y Koldo Basterretxea (UPV/EHU)

Debido a la gran expansión y evolución del mercado de los sistemas embebidos, las industrias que los desarrollan afrontan la demanda de requisitos cada vez más estrictos. La nueva generación de sistemas embebidos debe proporcionar una solución energéticamente eficiente, con un mejor rendimiento y mayor confiabilidad (dependability) y seguridad (security) a la vez que reducen los costes y el time-to-market. Con el fin de cumplir con dichos requisitos, en este proyecto desarrollado en colaboración con el centro tecnológico IK4-IKERLAN, se presenta la selección e implementación de un entorno de ejecución integrado para sistemas embebidos de criticidad-mixta (mixed-criticality) sobre un procesador multicore.

Esquema general

Un entorno de ejecución integrado permite que aplicaciones de distintos niveles de criticidad interactúen y coexistan en la misma plataforma computacional. Este tipo de arquitectura presenta grandes ventajas frente a la arquitectura federada que se emplea tradicionalmente: reducción de costes, tamaño, peso y consumo energético; aumento de la confiabilidad; y adaptabilidad y competitividad. En cambio, en lo que a certificación respecta, la arquitectura integrada presenta un gran reto, ya que se debe demostrar que existe un aislamiento temporal y espacial entre componentes. En este proyecto se ha estudiado el estado del arte en esta materia, analizándose las características de diferentes técnicas de aislamiento y seleccionado finalmente el uso de hipervisores (hypervisor) como mejor opción para la consecución del sistema objeto de diseño: un demostrador de sistemas de criticidad mixta en el ámbito del transporte ferroviario. Un hipervisor es una capa de software que implementa particiones aisladas entre sí tanto en el dominio temporal como en el espacial, permitiendo la aplicación de diversas técnicas de virtualización. El demostrador ha sido desarrollado siguiendo una metodología de diseño basado en modelos o MBD (Model-Based Design) que permite reducir considerablemente los errores, costes y el time-to-market.


Desarrollo de un sistema de medida para la caracterización de materiales ferromagnéticos mediante ensayos no destructivos

Autor: Itsaso Artetxe Querejeta, Directores: Iñigo Oleagordia (UPV/EHU) y Ane Martínez de Guereñu (Ceit-IK4)

El proyecto se enmarca dentro de la línea de investigación de ensayos no destructivos del centro tecnológico CEIT-IK4. El objetivo de este trabajo era diseñar un sistema de medida digital que implementara una metodología NDT (Non Destructive Testing) para la caracterización de distintos materiales ferromagnéticos independientemente de sus dimensiones y sin la necesidad del uso de probetas.

esquema general

En primer lugar se estudiaron en profundidad dos técnicas de caracterización en las que no es necesario medir la inducción magnética, evitando así el uso de bobinas: la técnica DAME (Distortion Analysis of Magnetic Excitation) y la técnica basada en los armónicos de la intensidad del campo magnético. Posteriormente se diseñó e implementó el hardware necesario para la excitación del electroimán. La siguiente fase del proyecto consistió en la programación de los algoritmos de adquisición de señal en el entorno  LabView y los de procesamiento de señal en el entorno Matlab. Para realizar la adquisición de las señales se emplearon dos tarjetas de adquisición de National Instruments (DAQ 4474 y DAQ6014). Con la técnica DAME se logró la caracterización experimental de muestras con distinto porcentaje de deformación, obteniéndose mejores resultados a los descritos en la bibliografía existente. Con la técnica de los armónicos se consiguió implementar un sistema con características similares al sistema de control industrial 3MA, lo que permitió caracterizar la capa endurecida de husillos en el sector aeronáutico.


Scalable parallel fixed-point processor for hardware acceleration of the singular value decomposition (SVD) of large matrices

Autor: Unai Martinez Corral, Director: Koldo Basterretxea (UPV/EHU)

En este trabajo se presenta una arquitectura de procesamiento escalable para la ejecución eficiente de una versión modificada del algoritmo Hestenes-Jacobi, el cual se utiliza en el cálculo paralelizado de la descomposición en valores singulares (SVD) de matrices de grandes dimensiones. Se realiza la descripción hardware del procesador (VHDL) y se implementa el diseño en una FPGA para su test y validación.

Arquitectura del procesador SVD

El SVD es una operación de álgebra lineal que puede resultar crítica en múltiples aplicaciones, científicas y de ingeniería, con requerimientos de respuesta en tiempo real en los que deben procesarse grandes conjuntos de datos de alta dimensionalidad. La aceleración de su computación en un procesador escalable diseñado específicamente para tal fin permitiría trasladar aplicaciones implementadas habitualmente en software sobre costosas computadoras de alto rendimiento a sistemas embebidos autónomos con recursos computacionales limitados.

El proyecto expone una arquitectura de procesador basada en un array lineal escalable de unidades de procesamiento (UPs). Asimismo, incluye dos flujos de datos, memorias FIFO y bus compartido, para minimizar el tiempo dedicado a la transferencia de información. Las unidades de procesamiento, responsables de  evaluar y rotar en paralelo parejas de columnas de una matriz, se han diseñado para un uso eficiente de los recursos disponibles en las FPGAs. La escalabilidad desde 2 UPs hasta un número igual a la mitad de las columnas de la matriz, así como el ajuste de los tamaños de palabra a la precisión deseada, permiten la implementación final tanto en dispositivos de bajo coste como en FPGAs de alta gama. El sistema se ha prototipado en FPGAs de las familias Spartan-6 y Kintex-7 para validación y comprobación de su rendimiento.


Frequency domain MIMO system identification with Vector Fitting. Application to the stability analysis of RF power amplifiers for satellite applications

Autora: Libe Mori Carrascal, Directores: Juan Mari Collantes Metola y Rafael Bárcena Ruiz (UPV/EHU)

En este trabajo se proponen una metodología y una herramienta para el análisis de estabilidad de amplificadores de potencia para comunicaciones basadas en la identificación polo-cero de respuestas en frecuencia MIMO (Multiple-Input Multiple-Output). Ello permite incrementar la fiabilidad en la detección de inestabilidades y, por tanto, es de gran utilidad en el diseño de amplificadores de potencia óptimos y más robustos.

Test experimental
Prototipo y test experimental

Los amplificadores de alta frecuencia son muy propensos a presentar oscilaciones espurias que degradan e invalidan su funcionamiento. Garantizar la estabilidad del amplificador es esencial en el diseño de amplificadores de potencia para radio-comunicaciones. Esto es particularmente crítico en las aplicaciones de comunicaciones satélite, en las que los márgenes de estabilidad del amplificador deben satisfacerse de manera robusta frente a amplias variaciones de los parámetros del circuito (temperatura, polarización, etc.). Para ello es necesario disponer de técnicas y herramientas CAD capaces de detectar de manera fiable el comportamiento inestable en la fase de simulación del circuito. El objetivo principal del proyecto es doble. Por un lado, desarrollar una estrategia de detección de posibles inestabilidades fiable y que proporcione la máxima información sobre la naturaleza y origen de la dinámica inestable que afecta al circuito. Por otra parte, a partir de esa información, es necesario diseñar técnicas de estabilización eficaces que garanticen el funcionamiento estable del amplificador de manera robusta frente a variaciones de los parámetros críticos. La estrategia completa (detección + estabilización) ha sido validada sobre un prototipo inestable diseñado para el proyecto.


Sistema compacto de captura y generación de nube de puntos en 3D mediante combinación de tecnología láser, servo eléctrico y Raspberry Pi

Autor: Borja Pozo Larrocha, Directores: Aitzol Zuloaga (UPV/EHU), Carlos Tubío (IK4-TEKNIKER) e Iñaki Maurtua (IK4-TEKNIKER)

Este proyecto ha sido desarrollado en colaboración con el  centro tecnológico IK4-TEKNIKER. El objetivo principal era implementar un sistema embebido de captura y generación de nubes de puntos en 3D. Se utiliza Raspberry Pi como elemento de control y procesamiento de bajo coste, mientras la captura de las superficies se realiza mediante un láser de tecnología infrarroja montado sobre un servo-motor que proporciona el movimiento angular necesario para obtener una visión 3D. Todos los elementos  se montan sobre una estructura mecánica fija y compacta.

prototipo
Prototipo y nube 3D

En primer lugar se realiza un estudio del estado del arte sobre la tecnología de nube de puntos tridimensionales, la Raspberry Pi, la tecnología láser infrarroja y del sistema de visión utilizado por el robot KTBOT de IK4-TEKNIKER. A continuación se procede con la selección de los elementos hardware y las comunicaciones que componen el sistema. Se establece un principio de medida y ubicación espacial de puntos para el sistema (obtención de las coordenadas X, Y, Z los puntos de la nube) mediante ecuaciones de transformación por traslación y rotación. Se continúa con el desarrollo de la estructura y el código del sistema de control y la implementación de diferentes algoritmos de funcionamiento. El sistema resultante es configurable, pudiéndose modificar el tipo de escaneo, el parámetro de velocidad y el rango de captura del láser. Una vez realizado el desarrollo software se procede a las pruebas de verificación y calibración del sistema.
El sistema final es totalmente autónomo, pudiéndose realizar el control y la recepción de datos tanto de forma local como vía Internet. Las potenciales aplicaciones del sistema son tan diversas como la visión robótica, los sistemas topográficos,  la obtención de modelos tridimensionales de edificios, etc.


Sistema de detección de grietas en estructuras metálicas por medio de ondas ultrasónicas

Autor: David Ramos Fernández, Directores: Guillermo Bosque (UPV/EHU) y Eduardo Moreno (Tecnalia)

Se presenta un sistema embarcado de inspección de grietas no destructivo. Este sistema es capaz de detectar la formación de grietas en estructuras o piezas metálicas de reducido espesor (1-7mm) mediante la técnica de ultrasonidos de "onda guiada". Esta novedosa técnica permite la propagación de las ondas ultrasónicas a lo largo de decenas de metros de cualquier estructura metálica con un pequeño consumo energético. De este modo, es posible el diagnóstico del estado estructural de una máquina utilizando unos pocos emisores y receptores ultrasónicos.
Prototipo
Prototipo del sistema embarcado

Los receptores y emisores ultrasónicos son pequeñas pastillas compuestas de un material piezoeléctrico denominado comúnmente como PZT. Los emisores  pueden hacerse vibrar mediante la aplicación de un tren de pulsos de alta tensión, produciéndose una emisión de ondas ultrasónicas. Inversamente, cuando el transductor se adhiere a la estructura y recibe una vibración, se comporta como un receptor capaz de transducir la vibración en una tensión eléctrica medible. Situando los transductores en lugares específicos de la estructura y aplicando diferentes métodos de excitación y escucha, pueden obtenerse patrones de eco que, tras ser analizados mediante distintas técnicas de computación (Signal Difference Coefficient, técnicas de IA, Redes Neuronales Artificiales etc.) permiten la detección de grietas y su caracterización.

En este proyecto se ha diseñado y construido un prototipo enteramente funcional para la monitorización de la salud estructural piezas críticas sometidas a fatiga en aerogeneradores. Este sistema de pequeño tamaño y bajo consumo va alojado permanentemente en la estructura del aerogenerador para "auscultar" su salud estructural cada pocas horas. El sistema está compuesto por un emisor y un receptor ultrasónicos, la electrónica de potencia necesaria para generar los pulsos,  la electrónica de acondicionamiento de la señal proveniente del receptor ultrasónico y por un controlador basado en un microcontrolador ARM Cortex-M4 de 32 bits para gestionar todo el conjunto.

Medida de parámetros de funcionamiento de una turbina

Autor: José Miguel Gil-García Leiva, Directores: Gerardo Aranguren Aramendia y Joseba Zubia Zabala (UPV/EHU)

El objetivo del proyecto es la obtención de un prototipo para realizar las medidas de dos parámetros del funcionamiento de un turborreactor.

prototipo
Prototipo y test de medida

Los parámetros en cuestión son la distancia de los álabes a la carcasa y la diferencia de tiempo entre el paso real y el esperado de los álabes por un punto de control (tip clearance y tip-timing). El  prototipo debe servir de base de pruebas para la utilización de un novedoso sensor basado en fibra óptica con el que se pretende medir los parámetros indicados. Las aplicaciones prácticas del sistema pueden ser el desarrollo de un sistema de control activo de la distancia entre partes móviles y la carcasa para asegurar una mayor eficiencia en todos los rangos de funcionamiento del motor Por otro lado, la medición precisa del tiempo de llegada de los álabes es el punto de partida para el estudio de vibraciones que analiza el buen funcionamiento del motor ante situaciones como daños por objetos extraños, fatiga, desequilibrado del rotor o falta de integridad del mismo. El sistema está basado en una FPGA que configura todos los elementos de la placa prototipo y analiza las muestras digitalizadas de los sensores.


Estrategia de control tolerante a fallos en la realimentación de posición y velocidad para accionamiento eléctrico

Autor: Roman Achirica Gordo, Director: Guillermo Bosque Pérez (UPV/EHU)

El presente trabajo se centra en el estudio, diseño e implementación de diversas estrategias de control para Máquinas Síncronas de Imanes Permanentes (MSIP), así como el diseño e implementación de un sistema de control tolerante a fallos en la realimentación de posición y velocidad, basado en un Filtro de Kalman Extendido (EKF).

esquema general
Esquema general y setup experimental

En una primera fase del proyecto, y tras realizar un análisis exhaustivo de las distintas estrategias de control existentes para MSIP, se procede al diseño y simulación de dichas estrategias de control en el entorno de Matlab/Simulink y su posterior implementación sobre la plataforma de prototipado rápido dSPACE, a fin de analizar tanto la respuesta dinámica de la MSIP, como los efectos de cada una de las estrategias de control sobre la eficiencia total del sistema. A su vez, se propone el diseño de un sistema de control tolerante a fallos en la realimentación de posición y velocidad, basado en un EKF. Se observa que minimizando el error de estimación de las señales de posición y velocidad, es posible realizar  una transición de un sistema sensorizado a un sistema sensorless sin aparentes perjuicios ni en la dinámica ni en la estabilidad del sistema. Una vez validado el sistema de control tolerante a fallos mediante la plataforma de prototipado rápido dSPACE, en una segunda fase del proyecto se realiza un prototipo del sistema de control sobre una plataforma basada en FPGA, obteniéndose resultados satisfactorios en simulación Hardware In the Loop (HIL).


Diseño e implementación de una RNA integrando la tecnología de "Reconfiguración Dinámica Parcial". Aplicación en entornos de Inteligencia Ambiental

Autor: Raúl Finker de la Iglesia, Directores: Inés del Campo y Koldo Basterretxea (UPV/EHU)

Se trata del diseño de una red neuronal artificial (RNA) en hardware con arquitectura paralela y de su implementación en un "System on Programmable Chip" (SoPC) basado en una FPGA. El ámbito de aplicación de dicha sistema es el de la Inteligencia Ambiental.

arquitectura
Arquitectura SoPC

Previo al diseño hardware se realiza un estudio midiendo la velocidad de ejecución de una RNA implementada por software en un microprocesador embebido (recursos aritméticos limitados). Los resultados indican que la RNA software es demasiado lenta para la aplicación objetivo, por lo que se procede al diseño de la red en hardware. Previo a su implementación, y dado que se trabaja en VHDL genérico, se simula el diseño hardware y se depuran los errores detectados. Tras verificar el correcto funcionamiento de la red se procede a su integración en un sistema embebido basado en un microprocesador Microblaze, con el cual la RNA se comunica utilizando los buses "Fast Simplex Link", IP de la casa Xilinx para la realización de SoPCs en las FPGAs de dicho fabricante. Tras haber implementado el sistema, se procede a la integración de la tecnología "Reconfiguración Dinámica Parcial". El objetivo es experimentar con dicha tecnología para explorar un posible ahorro de recursos y consumo en la FPGA, ya que se podría evitar la implementación simultánea de tantas redes como salidas requiera el sistema AmI.