Desarrollo de diferentes métodos de selección de variables para sistemas multisensoriales

Los sistemas de olfato electrónico son instrumentos que han sido desarrollados para emular a los sistemas de olfato biológicos. A este tipo de ingenios se les ha conocido popularmente como narices electrónicas (NE). Los científicos e ingenieros que siguen perfeccionando este tipo de instrumento trabajan en diferentes frentes, como son el del desarrollo de nuevos sensores de gases (con mejor discriminación y mayor sensibilidad), el de la adaptación de técnicas analíticas como la espectrometría de masas (MS) en substitución de la tradicional matriz de sensores químicos, la extracción de nuevos parámetros de la respuesta de los sensores (preprocesado) o incluso en el desarrollo de técnicas más sofisticadas para el procesado de datos.Uno de los principales inconvenientes que en la actualidad presentan los sistemas de olfato artificial es la alta dimensionalidad de los conjuntos a analizar, debido a la gran cantidad de parámetros que se obtienen de cada medida. El principal objetivo de esta tesis ha sido estudiar y desarrollar nuevos métodos de selección de variables con el fin de reducir la dimensionalidad de los datos y así poder optimizar los procesos de reconocimiento en sistemas de olfato electrónico basados en sensores de gases o en espectrometría de masas.Para poder evaluar la importancia de los métodos y comprobar si ayudan realmente a solucionar la problemática de la dimensionalidad se han utilizado cuatro conjuntos de datos pertenecientes a aplicaciones reales que nos permitieron comprobar y comparar los diferentes métodos implementados de forma objetiva. Estos cuatro conjuntos de datos se han utilizado en tres estudios cuyas conclusiones repasamos a continuación:En el primero de los estudios se ha demostrado que diferentes métodos (secuenciales o estocásticos) pueden ser acoplados a clasificadores fuzzy ARTMAP o PNN y ser usados para la selección de variables en problemas de análisis de gases en sistemas multisensoriales. Los métodos fueron aplicados simultáneamente para identificar y cuantificar tres compuestos orgánicos volátiles y sus mezclas binarias construyendo sus respectivos modelos neuronales de clasificación.El segundo trabajo que se incluye en esta tesis propone una nueva estrategia para la selección de variables que se ha mostrado eficaz ante diferentes conjuntos de datos provenientes de sistemas olfativos basados en espectrometría de masas (MS). La estrategia ha sido aplicada inicialmente a un conjunto de datos consistente de mezclas sintéticas de compuestos volátiles. Este conjunto ha sido usado para mostrar que el proceso de selección es viable para identificar un mínimo número de fragmentos que permiten la discriminación correcta entre mezclas usando clasificadores fuzzy ARTMAP. Además, dada la naturaleza simple del problema planteado, fue posible mostrar que los fragmentos seleccionados, son fragmentos de ionización característicos de las especies presentes en las mezclas a ser discriminadas. Una vez demostrado el correcto funcionamiento de esta estrategia, se aplicó esta metodología a otros dos conjuntos de datos (aceite de oliva y jamones ibéricos, respectivamente).El tercer estudio tratado en esta tesis ha girado en torno al desarrollo de un nuevo método de selección de variables inspirado en la concatenación de varios procesos de "backward selection". El método está especialmente diseñado para trabajar con Support Vector machines (SVM) en problemas de clasificación o de regresión. La utilidad del método ha sido evaluada usando dos de los conjuntos de datos ya utilizados anteriormente.Como conclusión se puede decir que para los diferentes conjuntos estudiados, la inclusión de un proceso previo de selección de variables da como resultado una reducción drástica en la dimensionalidad y un aumento significativo en los correspondientes resultados de clasificación. Los métodos introducidos aquí no solo son útiles para resolver problemas de narices electrónicas basadas en MS, sino también para cualquier aplicación de sistemas de olfato artificial que presenten problemas de alta dimensionalidad como en el caso de los conjuntos de datos estudiados en este trabajo.The electronic noses systems are instruments that have been developed to emulate olfactory biologic systems. These systems are known as electronic noses (EN).Nowadays, researchers and engineers working in this area are trying to optimize these systems considering different directions, such as: development of new gas sensors (with better discrimination and greater sensitivity), adaptation of analytical techniques such as mass spectrometry (MS) in substitution of chemical sensors matrix and extraction of new parameters of the sensors responses (pre-processing) or even development of sophisticated techniques for the data processing.One of the main disadvantages that have artificial olfactory systems is high dimensionality of sets to analyze. The main objective of this thesis have been study and development of new variable selection methods with the purpose of reducing dimensionality of data and thus to be able to optimize recognition processes in electronic olfactory systems based on gas sensors or mass spectrometry.These methods have been used with four datasets which belong to real applications.They allowed us to verify and to compare different implemented methods. These four datasets have been used in three studies whose conclusions are reviewed as follows.The first study has demonstrated that different methods (either deterministic or stochastic) can be coupled to a fuzzy ARTMAP or a PNN classifier and be used for variable selection in gas analysis problems by multisensor systems. The methods were applied to simultaneously identify and quantify three volatile organic compounds and their binary mixtures by building neural classification models.The second study, proposes a new strategy for feature selection in dataset of system olfactory based on mass spectrometry (MS). This strategy has been introduced and its good performance demonstrated using different MS e-nose databases. The strategy has been applied initially to a database consisting of synthetic mixtures of volatile compounds. This simple database has been used to show that the feature selection process is able to identify a minimal set of fragments that enables the correct discrimination between mixtures using a simple fuzzy ARTMAP classifier.Furthermore, given the simple nature of the problem envisaged, it was possible to show that the fragments selected 'made sense' were characteristic ionisation fragments of the species present in the mixtures which were discriminated. Once demonstrated the correct operation of this strategy, this methodology was applied to other two data sets (olive oil, Iberian ham).In the third study of this thesis has been introduced a new method of variable selection based on sequential backward selection. The method is specifically designed to work with Support vector machines (SVM) either for classification or regression. The usefulness of the method has been assessed using two multisensor system databases (measurements of vapour simples and vapour mixtures performed using an array of metal oxide gas sensors and measurement of Iberian ham).For different databases studied, dramatic decrease in dimensionality of model and an increase in classification performance is result of using variable selection. The methods introduced here are useful not only to solve MS-based electronic nose problems, but are of interest for any electronic nose application suffering from highdimensionality problems, no matter which sensing technology is used

LIMPIEZA DE VENTANAS DE RASCACIELOS Y ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS EMERGENTES

El objetivo del presente documento es caracterizar la dinámica de crecimiento de los rascacielos, determinar los requerimientos para efectuar la limpieza de sus ventanas e identificar las alternativas tecnológicas desarrolladas en los últimos años para la limpieza rascacielos. Asimismo, se examinan los avances y nuevas aplicaciones de los drones y se reconoce la posibilidad de implementar una plataforma voladora con brazo robótico para realizar el trabajo de limpieza de ventanas de rascacielos. Finalmente, se identifica una serie de aspectos básicos a tener en cuenta para la creación de un nuevo sistema de limpieza de ventanas de rascacielos integrando drones y brazos robóticos

Algoritmo estocástico para la generación automática de trayectorias de un robot humanoide

Introduction: The incorporation of an autonomous learning system in robotics will allow the resolution of a large number of problems. One is the autonomous march of the humanoid robots due to its complexity in the great number of variables regarding this process.Objective: Develop algorithms that generate autonomous paths in a humanoid robot with various degrees of freedom.Methodology: The study begins with the development of stochastic algorithms with few dimensions. Then, it will be extended to n-dimensional situations. Afterward, simulation tests will be carried out. And finally, the experimental tests are performed.Results: An algorithm was generated based on the physical model of the robot to create walking paths stochastically. A simulator that contemplates the kinematic constraints, including collisions, was implemented to verify the results. In addition, one hundred experimental tests were done. With these tests, the correct operation of the trajectories was verified.Conclusions: It was verified that it is possible to create a stochastic algorithm that mixes determinant and random rules to automatically generate paths in humanoid robots, hence, extending concepts generated in two-dimensional and three-dimensional spaces to n-dimensional articulated coordinates.Introducción: La incorporación de sistemas de aprendizaje autónomos en la robótica permitirá la resolución de una gran cantidad de problemas. Uno de ellos es la marcha autónoma para el caso de los robots humanoides debido a la complejidad que tiene por la gran cantidad de variables que influyen en este proceso.Objetivo: Desarrollar algoritmos que generen marchas autónomas en un robot humanoide con varios grados de libertad.Metodología: El estudio inicia con el desarrollo de algoritmos estocásticos con pocas dimensiones; luego, se extiende a situaciones n-dimensionales. Posteriormente, se realizan pruebas en simulación, y, por último, las pruebas experimentales. Resultados: Se generó un algoritmo basado en el modelo físico del robot para crear las trayectorias de marcha estocásticamente.Se implementó un simulador que contempla las restricciones cinemáticas incluyendo colisiones para verificar los resultados. Adicionalmente, se realizaron cien pruebas experimentales donde se verificó el correcto funcionamiento de las trayectorias.Conclusiones: Se pudo corroborar que es posible crear un algoritmo estocástico que mezcla reglas determinantes y aleatorias para generar marchas automáticamente en robots humanoides, extendiendo conceptos generados en espacios bidimensionales y tridimensionales a coordenadas articulares n-dimensionales

Algoritmo estocástico para la generación automática de trayectorias de un robot humanoide

Introducción: La incorporación de sistemas de aprendizaje autónomos en la robótica permitirá la resolución de una gran cantidad de problemas. Uno de ellos es la marcha autónoma para el caso de los robots humanoides debido a la complejidad que tiene por la gran cantidad de variables que influyen en este proceso.Objetivo: Desarrollar algoritmos que generen marchas autónomas en un robot humanoide con varios grados de libertad.Metodología: El estudio inicia con el desarrollo de algoritmos estocásticos con pocas dimensiones; luego, se extiende a situaciones n-dimensionales. Posteriormente, se realizan pruebas en simulación, y, por último, las pruebas experimentales. Resultados: Se generó un algoritmo basado en el modelo físico del robot para crear las trayectorias de marcha estocásticamente.Se implementó un simulador que contempla las restricciones cinemáticas incluyendo colisiones para verificar los resultados. Adicionalmente, se realizaron cien pruebas experimentales donde se verificó el correcto funcionamiento de las trayectorias.Conclusiones: Se pudo corroborar que es posible crear un algoritmo estocástico que mezcla reglas determinantes y aleatorias para generar marchas automáticamente en robots humanoides, extendiendo conceptos generados en espacios bidimensionales y tridimensionales a coordenadas articulares n-dimensionales.Introduction− The incorporation of an autonomous learning system in robotics will allow the resolution of a large number of problems. One is the autonomous march of the humanoid robots due to its complexity in the great number of variables regarding this process.Objective−Develop algorithms that generate autono-mous paths in a humanoid robot with various degrees of freedom. Methodology−The study begins with the develop-ment of stochastic algorithms with few dimensions. Then, it will be extended to n-dimensional situations. Afterwards, simulation tests will be carried out. And finally, the experimental tests are performed. Results− An algorithm was generated based on the physical model of the robot to create walking paths sto-chastically. A simulator that contemplates the kinematic constraints, including collisions, was implemented to ve-rify the results. In addition, one hundred experimental tests were done. With these tests, the correct operation of the trajectories was verified. Conclusions−It was verified that it is possible to crea-te a stochastic algorithm that mixes determinant and random rules to automatically generate paths in hu-manoid robots, hence, extending concepts generated in two-dimensional and three-dimensional spaces to n-di-mensional articulated coordinates

Metodología propuesta para la asignación de bandas espectrales en redes de radio cognitivas inalámbricas

The article raises a proposal starting from the current state that improves the process of allocation of spectral bands at the decision-making stage in cognitive radio, decreasing the time that the system takes to select a channel to transmit data from unlicensed users, assuming the existence of free spectrum and estimating the behavior of the PUs and SUs.  El artículo plantea una propuesta a partir del estado actual que mejora el proceso de asignación de bandas espectrales en la etapa de toma de decisiones en la radio cognitiva, disminuyendo el tiempo que tarda el sistema en seleccionar un canal para transmitir datos de usuarios sin licencia, asumiendo la existencia de espectro libre y la estimación del comportamiento de las PU y SU.

Implementación de una nariz electrónica para detectar pacientes con EPOC desde el aliento exhalado

This article presents the implementation of an Electronic Nose (EN) based on the development of a measuring chamber composed of a matrix of 6 metal oxide gas sensors with partially overlapping sensitivities, to identify and classify the volatiles emitted from the exhaled breath of a group of healthy people and another group with samples of patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). A set of algorithms for pre­processing and signal processing based on techniques of feature extraction and statistical methods as Principal Component Analysis (PCA), for pattern recognition of data set were implemented. From the exhalation breath samples of these patients, the results were important, due to the classification of the patients with the disease as well as of the healthy voluntary group.En este artículo se presenta la implementación de una Nariz Electró­nica (NE), la cual fue desarrollada a partir de una cámara de medida, compuesta por un conjunto de 6 sensores de gases de óxidos metálicos con sensibilidades parcialmente solapadas, con el objetivo de identificar y clasificar los volátiles emitidos a través del aliento exhalado obtenido de un grupo de personas sanas y pacientes con síntomas de la Enferme­dad Pulmonar Obstructiva Crónica (EPOC). Se implementaron un con­junto de algoritmos para el pre-procesamiento y procesamiento de señales, con base en técnicas de extracción característica y métodos estadísticos, como el Análisis de Componentes Principales (ACP), para el reconocimiento de patrones del conjunto de datos. De las muestras de aliento exhalado de estos pacientes se obtuvieron resultados importantes, debido a la clasificación de pacientes con la enfermedad, así como la de un grupo de voluntarios sanos

Mecanismos y procedimientos aplicados al análisis del aliento para diagnóstico de diferentes enfermedades utilizando métodos multisensoriales

En el presente estudio se describe un análisis general de los distintos mecanismos y procedimientos aplicados al análisis del aliento para diagnostico precoz de diferentes enfermedades.En gran parte de estos métodos se da a conocer que la mayoría del contenido del aliento exhalado está formado por una gran variedad de compuestos (por ejemplo: nitrógeno, oxígeno, de dióxido de carbono, agua, gases inertes, entre otros). Las fuentes de estos volátiles son los componentes atmosféricos que se originan a partir de muchos disolventes y productos a base de petróleo, y otros compuestos orgánicos volátiles que se generan como resultado de los procesos bioquímicos del cuerpo.En la mayoría de los estudios encontrados describen los diferentes sistemas de muestreo y dispositivos de medición, de los cuales en este estudio se referencian los que son aplicados a enfermedades terminales (por ejemplo, el cáncer).

Aprendizaje de la cinemática en robots redundantes utilizando mapas de bézier

AbstractModel the behavior of redundant robot manipulators is highly complex, which makes difficult inverse kinematics calculus and so on its positioning, to present a solution for this issue we use a very accurate technique named kinematics Bezier maps which learn positioning the end effectors and starting from this we prove some methods of approximation and minimization to solve a specific configurations for each position on Cartesian space. This training does a tool-eye coordination learning from samples of coordinate system referenced to a fixed camera, simultaneously introduces a simplified method flearning to position and orient the end effectors of the robot from position-based trainingEn este trabajo se plantea como novedad un aprendizaje de la cinemática directa empleando mapas de Bézier, técnica que proporciona exactitud del posicionamiento en robots manipuladores, todo ello es debido a que en estos tipos de robots es complejo modelar su comportamiento dificultando con ello el cálculo de la cinemática inversa y por tanto su posicionamiento. A partir del uso de esta técnica se pueden aplicar diversos métodos de aproximación y minimización de funciones que permitan obtener una configuración específica para cada posición en el espacio cartesiano. Dicho entrenamiento logra una coordinación ojo-herramienta, aprendiendo a partir de muestras referenciadas al sistema coordenado de una cámara fija; igualmente se introduce un método de simplificación en el aprendizaje para posicionar y orientar el efector final del robot a partir del entrenamiento basado en posiciones. AbstractModel the behavior of redundant robot manipulators is highly complex, which makes difficult inverse kinematics calculus and so on its positioning, to present a solution for this issue we use a very accurate technique named kinematics Bezier maps which learn positioning the end effectors and starting from this we prove some methods of approximation and minimization to solve a specific configurations for each position on Cartesian space. This training does a tool-eye coordination learning from samples of coordinate system referenced to a fixed camera, simultaneously introduces a simplified method flearning to position and orient the end effectors of the robot from position-based trainin

Política pública de ciencia abierta en Colombia : presente y futuro

En esta presentación se difunden los antecedentes y los conceptos básicos de Ciencia Abierta, así como algunos ejemplos para Colombia. Se abordan además los temas en la agenda internacional y cómo ha sido el proceso de construcción de una política de Ciencia Abierta en Colombia, destacando el objetivo general, la metodología y el detalle de las fases de su construcción