1,985 research outputs found
Robust Image-Based Visual Servo Control of an Uncertain Missile Airframe
A nonlinear vision-based guidance law is presented for a missile-target scenario in the presence of model uncertainty and unknown target evasive maneuvers. To ease the readability of this thesis, detailed explanations of any relevant mathematical tools are provided, including stability definitions, the procedure of Lyapunov-based stability analysis, sliding mode control fundamentals, basics on visual servo control, and other basic nonlinear control tools. To develop the vision-based guidance law, projective geometric relationships are utilized to combine the image kinematics with the missile dynamics in an integrated visual dynamic system. The guidance law is designed using an image-based visual servo control method in conjunction with a sliding-mode control strategy, which is shown to achieve asymptotic target interception in the presence of the aforementioned uncertainties. A Lyapunov-based stability analysis is presented to prove the theoretical result, and numerical simulation results are provided to demonstrate the performance of the proposed robust controller for both stationary and non-stationary targets
Comparative assessment of a mountain river flow resistance – 1D-: sensitivity and prediction using data-based approaches
Los rĂos de montaña son, con distancia, el caso más difĂcil de modelaciĂłn hidráulica debido a las caracterĂsticas
de su lecho y sus mecanismos de disipaciĂłn de energĂa en funciĂłn de su morfologĂa irregular. La resistencia,
llamada también rugosidad o fricción juega un papel importante en los modelos de canal abierto 1-D para estimar
diferentes variables. El parámetro de resistencia contiene todos los procesos disipativos en un rĂo de montaña y
suele valorarse mediante mediciones de campo, existiendo diferentes metodologĂas para estimarlo. En
consecuencia, es fundamental determinar quĂ© metodologĂa es la más adecuada para predecirla. El parámetro de
resistencia determinado en campo no siempre es el mismo que el utilizado en un modelo hidrodinámico. En la
presente investigaciĂłn diferentes morfologĂas han sido estudiadas en el rĂo Quinuas (Ecuador): grada, lecho plano,
y cascada. Los resultados muestran que las ecuaciones denominadas “Non-dimensional hydraulic geometry
equations” (NDHG) son la mejor opciĂłn para predecir la velocidad en todos los tramos de rĂos de montaña, además
se ha desarrollado una metodologĂa para encontrar sus parámetros. Las diferencias entre la rugosidad usada por el
modelo matemático y la medida en campo dependen de la morfologĂa y la magnitud de flujo. Finalmente, se
implementĂł la tĂ©cnica de “machine learning” que utiliza la fĂsica del sistema (Physics Informed Neural Network), con resultados satisfactorios para encontrar los niveles de agua y para la calibraciĂłn del parámetro de resistencia.Mountain -rivers are, by far, the most challenging case to model because of its bed characteristics and their energy
dissipation mechanisms depending on its irregular morphology. Resistance, roughness, or friction parameter are
equivalent terms. It plays an important role in 1-D open channel models to estimate different variables. Moreover,
this parameter contains all the dissipative processes in a mountain river, and it is usually valued through field
measurements, existing different methodologies to estimate it. Consequently, it is essential to determine which
methodology is the most adequate to predict it. The resistance parameter determined in field is not always the
same as the one used in a hydrodynamic model. In this thesis; cascades, plane bed, and step-pool has been studied
in the Quinuas river (Ecuador). “Non-dimensional hydraulic geometry equations” (NDHG) were the best option
to predict velocity in all the mountain river reaches. The parameters of NDHG varies depending on the author,
therefore a methodology based on some field measurements to estimate the NDHG parameters was developed.
The differences between model and field resistance coefficient depends on the morphology and flow magnitude.
A machine learning technique using the system physics was develop providing optimal results to predict water
depths and to calibrate resistance parameter.Doctor (PhD) en Recursos HĂdricosCuenc
Recommended from our members
Women’s voice pitch lowers after pregnancy
Women’s voice pitch (the perceptual correlate of fundamental frequency, F0) varies across the menstrual cycle and lowers after menopause, and may represent a putative signal of women’s fertility and reproductive age. Yet, despite dramatic changes in women’s sex hormone levels and bodies during and after pregnancy, previous between-subject and case studies have not found systematic changes in F0 due to pregnancy. Here, we tracked within-individual variation in 20 mothers’ voices during their first pregnancy, as well as up to 5 years before conception and 5 years postpartum. Voice recordings from 20 age-matched nulliparous women were measured as a control. Linear Mixed Models indicated that F0 mean, range and variation changed significantly following pregnancy in mothers, controlling for age at time of recording, whereas we did not observe any F0 changes across corresponding timeframes in our sample of nulliparous controls. Mothers’ voices became significantly lower-pitched and more monotonous during the first year postpartum compared to during pregnancy or before. These F0 parameters did not decrease within-individuals over a 5-year period prior to conception above and beyond the effects of ageing. Although voice pitch decreased following pregnancy, mothers’ F0 parameters reverted after the first year postpartum, approaching pre-pregnancy levels. Our results demonstrate that pregnancy has a transient and perceptually salient masculinizing effect on women’s voices
The cognitive neuroscience of visual working memory
Visual working memory allows us to temporarily maintain and manipulate visual information in order to solve a task. The study of the brain mechanisms underlying this function began more than half a century ago, with Scoville and Milner’s (1957) seminal discoveries with amnesic patients. This timely collection of papers brings together diverse perspectives on the cognitive neuroscience of visual working memory from multiple fields that have traditionally been fairly disjointed: human neuroimaging, electrophysiological, behavioural and animal lesion studies, investigating both the developing and the adult brain
Sensory and methodological aspects in biomechanical research of postural control and clinical fields of application
The human senses constitute a highly complex system based on various sensory organs, afferent pathways, and central processing locations, which allow us to
interact with the environment, but also with ourselves. A further domain is important to achieve this interaction: the motor system, which allows linguistic communication
and locomotion, for example. It becomes evident that sensory receptors work as a source of information to initiate, optimize, or cease motor activity. One generic term
for such sensory sources is the somatosensory system, which is mainly based on receptors located in muscles, tendons, and the skin (cutaneous sensitivity). In this
regard, it has been shown that cutaneous sensitivity contributes to human balance regulation. However, there are still debates concerning the exact role of plantar (foot
sole) receptor inputs in particular, and how their isolated contribution to, e.g., balance regulation may be assessed accordingly.
To investigate the interaction between plantar cutaneous sensitivity and human balance capabilities, several aspects need to be considered which are still
controversial and inconclusive in the scientific community. For example, when assessing cutaneous vibration sensitivity, it is well-known that increasing vertical
forces of the contactor toward the skin usually result in improved sensitivity.
However, it has not been profoundly investigated whether assessing plantar vibratory sensitivity differs when comparing a standing or sitting posture, which obviously involves different contactor forces. In addition, many studies implementing cutaneous sensitivity show certain limitations with respect to adequate data analyses. A similar aspect also applies when assessing balance performance: devices allowing an investigation of dynamic balance performance (induced by unexpected platform perturbations while standing, for example) have only been partially investigated with regard to their biomechanical quality criteria, such as reliability.
With these considerations in mind, the present doctoral thesis is based on five published studies. Study 1 investigates if plantar sensitivity is influenced by different
body positions when collecting data. Study 2 asks how to appropriatly analze plantar sensitivity data. Study 3 examines the reliability of dynamic balance responses using the so-called Posturomed device, and Study 4 identifies the isolated role of plantar inputs on balance responses, when an acute sensory manipulation is induced that exclusively affects plantar aspects. Ultimately, clinical fields of application (based on the previous four studies) are highlighted in Study 5.
The main findings of the first four studies can be summarized as follows. First, higher contact forces when standing compared to sitting did not influence plantar sensitivity. This is an important finding, as plantar sensitivity tests (often performed during sitting) may, hence, be brought into context with balance tests usually performed during standing. Second, plantar sensitivity data are shown to exhibit heteroscedasticity, meaning that the measurement error increases as the values increase. In Study 2, we provided an easy-to-follow example for how to account for
heteroscedasticity by logarithmizing the raw data, and how to control whether this approach was successful in eliminating heteroscedasticity. Third, dynamic balance
responses assessed via the Posturomed device exhibit an overall good reliability.
Occasional significant differences were shown to be clinically non-relevant, identified by root mean square error calculations. Fourth, a permanent plantar sensory
manipulation (hypothermia) was successfully achieved and maintained throughout data collection. Study 4 showed that the reduced plantar sensory input due to the
hypothermic manipulation was compensated during more unchallenging balance conditions (standing still). There was no full compensation during more challenging
balance conditions (unexpected platform perturbations during standing), however, with the body reacting with cautious motor behavior. This became evident by
decreased outcome measures following hypothermic plantar sensory manipulation.
These four studies shed further light onto investigations combining sensory and motor tests, especially with regard to physiological and methodological aspects that
should be considered when analyzing and interpreting associated data.
Finally, this doctoral thesis also provides an example of identifying clinical fields of application concerning sensory-focused research. In Study 5, we highlight the role of sensory research in the (early) diagnosis of diseases associated with cognitive decline. For this purpose, various instruments such as sensory tests or coordinative motor tests are implemented. Preliminary results suggest that not only classical cognitive parameters and questionnaires should be used to identify and better understand cognitive decline.Die menschlichen Sinne stellen ein sehr komplexes System dar, welches auf verschiedenen sensorischen Organen, afferenten Leitungsbahnen und zentralen Verarbeitungsstellen basiert und es uns ermöglicht, mit der Umwelt, aber auch mit uns selbst, zu interagieren. Dahingehend ist eine weitere wichtige Domäne wichtig, um diese Interaktion zu bewerkstelligen: das motorische System, welches etwa eine sprachliche Kommunikation oder auch die Fortbewegung ermöglicht. Es wird somit offensichtlich, dass sensorische Rezeptoren eine Informationsquelle darstellen, um motorische Aktivität zu initiieren, zu optimieren oder zu beenden. Ein grundlegender Terminus für solch sensorische Quellen ist das somatosensorische System, welches überwiegend auf Rezeptoren in Muskulatur, Sehnen und der Haut (kutane Sensibilität) beruht. Diesbezüglich wurde bereits aufgezeigt, dass die kutane Sensibilität einen Beitrag bei der menschlichen Gleichgewichtsregulation leistet.
Allerdings existieren dabei nachwievor Diskussionen in Bezug auf die genaue Bedeutung plantarer (die FuĂźsohle betreffend) Rezeptor-Inputs und inwieweit deren
isolierte Bedeutung bei der Gleichgewichtsregulation entsprechend ermittelt werden kann.
Um die Interaktion zwischen der kutanen Sensorik der Fußsohle und der menschlichen Gleichgewichtsfähigkeit zu erforschen, sollten verschiedene Aspekte
berücksichtigt werden, welche nachwievor kontrovers und nicht eindeutig in der Wissenschaft diskutiert werden. Bei Erhebungen der kutanen Vibrationssensibilität,
als Beispiel, ist bereits bekannt, dass erhöhte Vertikalkräfte, mit denen der Vibrationsstößel gegen die Haut appliziert ist, generell zu einer verbesserten Sensibilität/Sensorik führen. Allerdings wurde noch nicht klar erforscht, ob sich die plantare Vibrationssensibilität zwischen einer stehenden und sitzenden Haltung der Probanden/innen unterscheidet, wobei hier natürlich unterschiedliche Vertikalkräfte der Stößel wahrscheinlich sind. Darüber hinaus zeigen viele Studien, welche die Hautsensibilität untersuchen, gewisse Limitierungen in Bezug auf eine adäquate Datenanalyse. Ein sehr ähnlicher Aspekt trifft auch auf die Evaluierung der Gleichgewichtsfähigkeit zu: Messgeräte, welche dabei eine Erfassung der dynamischen Gleichgewichtsfähigkeit zulassen (z.B. eingeleitet durch unerwartete Plattform-Perturbationen während des Stehens), wurden bisher nur teilweise auf die biomechanischen Gütekriterien hin untersucht, wie etwa die Reliabilität.
Aufgrund dieser Überlegungen basiert die vorliegende Dissertation auf fünf publizierten Studien, welche folgende Aspekte untersuchten: Wird die plantare Sensibilität durch verschiedene Körperpositionen während der Datenaufnahme beeinflusst (Studie 1)? Wie können plantare Sensibilitätsdaten angemessen analysiert werden (Studie 2)? Darüber hinaus wurde ebenso untersucht, inwiefern das sogenannte 'Posturomed'-Messgerät bei der Beurteilung dynamischer Gleichgewichtsantworten reliable Messwerte liefert (Studie 3). Ferner wurde in Studie
4 untersucht, inwiefern isoliert plantare Inputsignale bei Gleichgewichtsantworten relevant sind (anhand einer akuten sensorischen Manipulation, welche ausschlieĂźlich
die FuĂźsohle betrifft). In Studie 5 werden konkrete klinische Anwendungsbeispiele aufgrund der vier hier vorgestellten Studien aufgezeigt.
Die Hauptergebnisse der ersten vier Studien können wie folgt zusammengefasst werden: Erstens, höhere vertikale Kontaktkräfte während des Stehens verglichen mit sitzenden Positionen führten zu keinen Unterschieden bzgl. der plantaren Sensibilität. Dies ist eine wichtige Erkenntnis, da plantare Sensorikmessungen (oft während des Sitzens durchgeführt) dadurch in Kontext mit Gleichgewichtstests gebracht werden können, welche normalerweise im Stehen erfolgen. Zweitens, Daten der plantaren Sensorik zeigten Heteroskedastizität, was bedeutet, dass sich der Messfehler mit Größenzunahme der Messwerte ebenso erhöht. Wir konnten in Studie 2 ein leicht zu erschließendes Beispiel aufzeigen, wie das Problem der Heteroskedastizität durch eine Logarithmierung der Rohdaten behandelt werden konnte und wie kontrolliert werden konnte, ob diese Behandlung erfolgreich war. Drittens, die dynamischen Gleichgewichtsantworten, welche
mittels des 'Posturomed' ermittelt wurden, zeigen insgesamt eine gute Reliabilität. Gelegentlich auftretende signifikante Unterschiede wurden anhand von Berechnungen der Wurzel
der mittleren Fehlerquadratsumme (root mean square error, RMSE) als klinisch nicht relevant eingestuft. Viertens, eine anhaltende plantar-sensorische Manipulation (Hypothermie) wurde erfolgreich eingeleitet und während der Datenerhebung aufrecht erhalten. Studie 4 zeigte ferner, dass die hypothermisch eingeleiteten reduzierten plantaren Sensorik-Inputs während der eher nicht herausfordernden quasi-statischen Gleichgewichtsbedingungen (einfaches aufrechtes Stehen) kompensiert werden konnten. Während der herausfordernden Gleichgewichtskonditionen (unerwartete Perturbationen der Plattform während des Stehens) hingegen wurde keine vollständige Kompensation erreicht. Allerdings reagierten die Probanden mit einem vorsichtigen motorischen Verhalten. Dies wurde durch die reduzierten Ergebnisparameter infolge der plantaren hypothermischen Manipulation ersichtlich. Die vier hier genannten Studien zeigen weitere Erkenntnisse in Bezug auf Forschungsaktivitäten, welche sensorische und motorische Tests vereinen. Dies trifft speziell in Hinblick auf physiologische und methodologische
Aspekte zu, welche bei der Analyse und Interpretation derartiger Daten in Betracht gezogen werden sollten. Zuletzt bietet diese Arbeit auch ein Beispiel dafür, welche klinischen Anwendungsfelder im Bereich der sensorisch-fokussierten Forschung identifiziert werden können. In Studie 5 wird dafür die Bedeutung sensorischer Forschung bei der (Früh-) Diagnose von Erkrankungen aufgezeigt, welche mit kognitiven Einschränkungen in Verbindung gebracht werden. Für diesen Zweck werden verschiedene Instrumente eingebracht, wie etwa sensorische oder koordinativ-motorische Tests. Vorläufige Ergebnisse deuten dabei bereits an, dass nicht nur die klassischen kognitiven Parameter und Fragebögen bei der Identifizierung oder zum Zwecke des besseren Verstehens kognitiven Verfalls einbezogen werden sollten
Co-design of human-centered, explainable AI for clinical decision support
eXplainable AI (XAI) involves two intertwined but separate challenges: the development of techniques to extract explanations from black-box AI models, and the way such explanations are presented to users, i.e., the explanation user interface. Despite its importance, the second aspect has received limited attention so far in the literature. Effective AI explanation interfaces are fundamental for allowing human decision-makers to take advantage and oversee high-risk AI systems effectively. Following an iterative design approach, we present the first cycle of prototyping-testing-redesigning of an explainable AI technique, and its explanation user interface for clinical Decision Support Systems (DSS). We first present an XAI technique that meets the technical requirements of the healthcare domain: sequential, ontology-linked patient data, and multi-label classification tasks. We demonstrate its applicability to explain a clinical DSS, and we design a first prototype of an explanation user interface. Next, we test such a prototype with healthcare providers and collect their feedback, with a two-fold outcome: first, we obtain evidence that explanations increase users’ trust in the XAI system, and second, we obtain useful insights on the perceived deficiencies of their interaction with the system, so that we can re-design a better, more human-centered explanation interface
- …