Robust eletronic hardware system based on quorum sensing

Abstract. Electronic systems designed by man have a high level of complexity. This feature joined with its sequential operation has enabled the susceptibility to failures. In critical applications, this problem has been traditionally attacked duplicating the entire system (redundancy), and using a central control system. The term robust, word appearing in the formulation and in the title of this research, refers to the system's ability to withstand damage (usually physical) without losing its functionality or operation. This research proposes a different design scheme inspired by a mechanism of gene expression control, mechanism which is dependent on cell density, and has been recently observed and characterized in the field of systemic biology, in medical research regarding the efficacy of antibiotics; gene expression responsible for social behaviors of independent cells (bacteria) using extracellular signals. In the biological model, the cell-cell communication is performed through the exchange of chemical molecules called auto inducers. This process, called Quorum Sensing (QS), allows bacteria to monitor their environment for the presence of other bacteria, and thus, to respond to fluctuations in the number and/or species present. The great parallelism of this kind of systems involves a great robustness, since it avoids the sequential structure and dependence on a central control system. In this research, a mathematical model of this process (QS) is proposed, and then, the use of this model to design some initial electronic applications, specifically in the area of robotics is shown. This model starts with the overall system behavior, and then, it focuses in an individual-level model. This design strategy allows, from the application criteria, to define the rules of behavior of each bacterium, which are the same throughout the community, in a similar way as occurs with cellular automata. In principle, the algorithm can be used in signal processing problems as originally formulated in the proposal, if these problems are formulated as a search problem. In this research the algorithm is implemented in some problems of navigation of robots establishing the navigation route as the search problem. The research objective is not to create hardware with evolving capacities, but to propose a scheme of hardware design that reflects a redundant structure. This means formulating a behavioral algorithm that can be implemented functionally on a hardware (microprocessors, microcontrollers, CPLDs, FPGAs, robots, etc.). For this purpose, research proposes the use of different platforms on which different levels of collective bacterial structures are evaluated, while maintaining the premise of QS local communication.Resumen. Los sistemas electrónicos diseñados por el hombre presentan un elevado nivel de complejidad. Esto unido con su característica de operación secuencial, ha permitido que en general se incremente la susceptibilidad a fallos. En aplicaciones críticas, este problema se ha atacado tradicionalmente con la duplicación de todo el sistema (redundancia), y el uso de un sistema de control central. El termino robusto, término que aparece en la formulación y en el título de ésta investigación, se refiere a la capacidad del sistema de soportar daños (en general físicos) sin perder su funcionalidad u operación. Esta investigación propone un esquema de diseño diferente inspirado en un mecanismo de control de expresiones genéticas dependiente de la densidad celular, observado y caracterizado recientemente en el campo de la biología sistémica, durante investigaciones médicas en relación con la eficacia de antibióticos. Este fenómeno es el responsable de que un conjunto de células independientes (bacterias), bajo la generación de señales extra celulares, desarrolle comportamientos sociales coordinados. En el modelo biológico, la comunicación de célula a célula se realiza a través del intercambio de moléculas químicas llamadas auto inductores. Este proceso, denominado quorum sensing (QS), permite que las bacterias supervisen su ambiente para detectar la presencia de otras bacterias, y responder así a las fluctuaciones en el número y/o especies presentes. El gran paralelismo de éste tipo de sistemas conlleva una gran robustez, dado que evita la estructura secuencial y la dependencia a un sistema de control central. Aquí se plantea un modelo matemático de éste proceso (QS), y se utiliza luego éste modelo para el diseño de algunas primeras aplicaciones electrónicas, específicamente en el área de robótica. El modelo que se propone parte del comportamiento global del sistema, y luego se enfoca a un modelo a nivel de individuo. Esta estrategia de diseño permite, a partir de los criterios de la aplicación, definir las reglas de comportamiento propias de cada bacteria, que serán las mismas de toda la comunidad, de forma similar a como ocurre con los autómatas celulares. En principio, el algoritmo puede utilizarse en problemas de procesamiento de señales como originalmente se formuló en la propuesta, si estos problemas se formulan como un problema de búsqueda. En esta investigación el algoritmo se implementa en algunos problemas de navegación de robots estableciendo la ruta de navegación como el problema de búsqueda. El objetivo de la investigación no es crear hardware con capacidad evolutiva, sino proponer un esquema de diseño de hardware que refleje una estructura redundante. Esto significa formular un algoritmo de comportamiento que pueda ser implementado funcionalmente sobre un hardware (microprocesadores, microcontroladores, CPLDs, FPGAs, robots, etc.). Para ello, la investigación propone el uso de diferentes plataformas sobre las cuales se evalúan diferentes niveles de estructuras bacteriales colectivas, manteniendo siempre la premisa de comunicación local del QS.Doctorad

Técnicas de conversión AC/DC en sisitemas monofásicos con factor de potencia unitario

Cada día se observa cómo se masifica el uso de equipo electrónico en hogares y oficinas; computadores, juegos de video, equipos de sonido, televisores, impresoras, etc. han producido un cambio sin precedentes en la vida del ser humano. Normalmente, tales sistemas utilizan un rectificador y un filtro capacitivo (en sistemas monofásicos o trifásicos) como fuente primaria de alimentación DC no regulada; la gran ventaja de estos circuitos es su bajo costo, estructura simple, alta confiabilidad, y que pueden prescindir de un circuito de control

El fenómeno de distorsión armónica en redes eléctricas

El bajo costo de los equipos electrónicos de consumo masivo ha llevado a que las cargas típicas de los sistemas de potencia ya no sean de carácter puramente resistivo-inductivo, ya que estos componentes presentan un comportamiento V-I altamente no lineal (de hecho, ésta es la base de operación de los componentes electrónicos). Debido a esto, las señales de corriente y voltaje en los sistemas eléctricos han dejado de ser netamente sinusoidales, circulando por equipos diseñados para señales seno. En el artículo se analiza este fenómeno, caracterizando fundamentalmente sus efectos secundarios, a fin de evaluar sus consecuencias, como punto de partida para el diseño de una solución. En la parte final se establecen los límites a cumplir por norma

Sintonización de controlador PID utilizando Quorum Sensing (QS) bacterial

Objective: PID controllers are widely used to operate AC motors due to their simplicity and easy implementation. However, adjusting its parameters in search of an optimal scheme can be complex because it requires manual tuning by trial and error. This research aims to implement an optimized tuning scheme through a search based on the idealized behavior of a community of bacteria and its Quorum Sensing (QS). Methodology: A closed-loop system model with PID control considering disturbances is proposed in order to tune a disturbance-resistant controller. The response of the model is calculated using a search that mimics a simplified model of bacterial behavior. The scheme uses ITSE (Integral Time Squared Error) as the performance index. Results: The tuning resulting from the proposed scheme was evaluated by simulation and compared with tunings of the same model made by Root Locus and Genetic Algorithms (GA). The results showed a satisfactory response according the design criteria. Conclusions: Nowadays, PID controllers are still basic industrial control tools, particularly important in motor operation. The performance of these controls depends fundamentally on the design of their gain. In the case of complex plants, additional tools are required to facilitate PID tuning. We propose an intelligent and bio-inspired tuning scheme that demonstrates high performance in laboratory tests. Financing: University Francisco José de Caldas through the project 1-72-578-18.Objetivo: Los controladores PID son ampliamente utilizados para operar motores AC debido a su simplicidad y fácil implementación. Sin embargo, la sintonización de sus parámetros en busca de un esquema óptimo puede ser compleja debido a que requiere sintonización manual mediante prueba y error. El objetivo de esta investigación es implementar un esquema de ajuste optimizado mediante una búsqueda basada en el comportamiento idealizado de una comunidad de bacterias y su detección de quórum (Quorum Sensing, QS). Metodología: Se plantea el modelo del sistema en lazo cerrado con control PID considerando las perturbaciones con el objetivo de sintonizar un controlador resistente a ellas. La respuesta del modelo se calcula mediante una búsqueda que imita un modelo simplificado de comportamiento bacterial. El esquema utiliza el ITSE (Integral Time Squared Error) como indice de desempeño. Resultados: La sintonización mediante el esquema propuesto fue evaluada mediante simulación y comparada con sintonizaciones del mismo modelo realizadas mediante Root Locus y Algoritmos Genéticos (GA). Los resultados mostraron una respuesta satisfactoria frente a los criterios de diseño. Conclusiones: Los controladores PID siguen siendo hoy en día herramientas básicas de control industrial, particularmente importantes en el manejo de motores. El desempeño de estos controles depende fundamentalmente del diseño de su ganancia. En el caso de plantas complejas se requiere de herramientas adicionales que faciliten la sintonización del PID. Nosotros proponemos un esquema de sintonización inteligente y bio-inspirado que demuestra un alto desempeño en pruebas de laboratorio. Financiamiento: Universidad Distrital Francisco José de Caldas a través del proyecto 1-72-578-18

Wireless Visual Sensor Network Robots Based for the Emulation of Collective Behavior

We  consider the problem of bacterial  quorum Sensing emulate on small mobile robots. Robots that reflect the behavior of bacteria are designed as mobile wireless camera nodes. They are able to structure a dynamic wireless sensor network. Emulated behavior corresponds to a simplification of bacterial quórum sensing, where the action of a network node is conditioned by the population density of robots (nodes) in a given area. The population density Reading is done visually using a camera. The robot makes an estímate of the population density of the images, and acts according to this information. The operation of the camera is done whit a custom firmware, reducing the complexity of the node without the use of any other external or local commuication. Neither was it necessary to develop a model system, precise state estimation or state feedback

Evaluación de control neuronal con arquitectura óptima para convertidor dc/dc

El control de convertidores DC/DC, topologías utilizadas ampliamente en la reducción activa de contenido armónico para equi- po monofásico no lineal de baja potencia, plantea grandes retos de diseño debido a lo complejo del modelo matemático y su característica dinámica altamente no lineal. Técnicas de inteligencia artificial como las redes neuronales, suponen grandes me- joras en el diseño y desempeño final, dada su capacidad de aprender dinámicas complejas y generalizar su comportamiento. La motivación de este trabajo fue la de plantear (y posteriormente evaluar la respuesta dinámica) un lazo de control directo con re- des neuronales, que permitiera adicionalmente eliminar elementos de prueba y error en su diseño. Se propone un control direc- to basado en red neuronal artificial, cuyo diseño se realizó de forma óptima utilizando modelos de búsqueda bioinspirada, esto para optimizar simultáneamente dos aspectos diferentes pero fundamentales de la red: la arquitectura y los pesos de las cone- xiones. El control es aplicado a un convertidor boost. Los resultados obtenidos permiten observar el desempeño dinámico del es- quema, para el cual los tiempos de respuesta y los delta de voltaje en la salida permiten concluir que los criterios seleccionados para el diseño del control son apropiados y representan un aporte en el desarrollo de aplicaciones de control de sistemas con- mutados DC/DC.Controlling DC/DC converters (topologies widely used in the active reduction of harmonic content for single-phase nonlinear low -power equipment) raises great design challenges due to the mathematical model’s complexity and its highly nonlinear dynamic characteristics. Artificial intelligence techniques, such as neuronal networks, suppose great improvements in design and final per- formance, given their capacity for learning complex dynamics and generalising their behaviour. This work was aimed at propo- sing (and evaluating dynamic response later on) direct control link with neuronal networks which also allowed eliminating test ele- ments and error in its design. Artificial neuronal network-based direct control was designed as well as possible using bio-inspired search models. This simultaneously optimised two different but fundamental aspects of the network: architecture and the weight of the connections. The control was applied to a boost converter. The results led to observing the scheme’s dynamic performan- ce; response time and exit voltage delta led to concluding that the criteria selected for designing the control were appropriate and represented a contribution towards developing control applications of DC/DC switchmode systems

OpenRRArch: una arquitectura abierta, robusta y confiable para el control de robots autónomos

Context: The control and navigation systems of autonomous robots constitute a dynamic field of research in robotics. The possible solutions to problems are often evaluated with laboratory prototypes in order to determine their real performance. We propose in this paper an architecture for the design and development of robotic systems (particularly autonomous multi-robot Systems) that facilitate the work in laboratory due to an open robust and reliable architecture.Method: The architecture is supported in open source hardware and software. The operation and communication strategy is characterized by a low consumption of resources, both in processing and communication, and real-time operation. As developement platform and Operating System, we used Linux: the communication scheme and the embedded systems run on a 32-bit processor, with a 16-bit instruction set (not ARM, but with Harvard architecture), at 80 MHz (Tensilica Xtensa LX106) for the implementation of the agents. The tools used allow the solution to be bothe efficient and inexpensive.Results: The architecture has been successfully applied in the implementation of a strategy of navigation for a set of small autonomous robots. A set of robots were provided with wireless communication capability, minimum capacity of environmental sensing (obstacle detection) and a navigation algorithm based on population sizes (mimicking the bacterial Quorum Sensing). The system is implemented with great ease, demonstrating both the viability of the navigation strategy and the versatility, robustness and scalability of the OpenRRArch architecture.Conclusions: The proposed architecture constitutes a solution for the construction of distributed control systems, in particular multi-agent robotic systems. It enables the rapid, low-cost and high-performance implementation of systems with real-time cooperation and communication capabilities. The architecture allows the integration of agents with different processing capabilities, which allows adaptation to the needs of the task. The functions of each agent can be reduced or increased from their code, and/or by selecting other embedded hardware.Contexto: Los sistemas de control y navegación de robots autónomos constituyen un dinámico campo de investigación en robótica. Los esquemas y estrategias propuestos como posible solución a problemas se evalúan siempre sobre prototipos de laboratorio a fin de determinar su desempeño real. Se propone en este artículo una arquitectura para el diseño y desarrollo de sistemas robóticos, particularmente sistemas autónomos multirrobot, que facilite el trabajo en laboratorio gracias a una arquitectura abierta con características de robustez y confiabilidad.Método: La arquitectura se soporta en herramientas hardware y software open source. La estrategia de operación y comunicación se caracteriza por un bajo consumo de recursos, tanto en procesamiento como en comunicación, y operación en tiempo real. Se utiliza Linux como plataforma de desarrollo y sistema operativo, en particular para el esquema de comunicación, y los sistemas embebidos sobre un procesador de 32 bits con set de instrucciones de 16 bit (no es ARM, pero con arquitectura Harvard) corriendo a 80 MHz (el LX106 de Tensilica Xtensa) para la implementación de los agentes. Dadas las herramientas utilizadas, la solución también demuestra ser eficiente y económica.Resultados: La arquitectura ha sido aplicada exitosamente en la implementación de una estrategia de navegación para un conjunto de pequeños robots autónomos. A un conjunto de robots se les proporciona capacidad de comunicación WiFi, capacidad mínima de localización del ambiente (detección de obstáculos) y un algoritmo de navegación basado en tamaños poblacionales (imitando el Quorum Sensing Bacterial). El sistema se implementa con gran facilidad, demostrando no sólo la viabilidad de la estrategia de navegación, sino también la versatilidad, robustez y escalabilidad de la arquitectura OpenRRArch.Conclusiones: La arquitectura propuesta constituye una solución para la construcción de sistemas de control distribuidos, en particular sistemas robóticos multiagente. Ésta permite una rápida implementación (a bajo costo y con alto desempeño) de sistemas con capacidad de cooperación y comunicación en tiempo real. La arquitectura permite la integración de agentes con diferentes capacidades de procesamiento, lo cual permite adaptación a las necesidades de la tarea. Las funciones de cada uno de los agentes pueden reducirse o aumentarse a partir de su código, o seleccionando otro hardware embebido

Control escalar en motores de inducción monofásicos

El sistema de control V If es ampliamente utilizado en motores de inducción. En varios campos de la industria, avances modernos de dispositivos de conmutación de potencia, accionamientos electrónicos y control han conducido a una mejor eficiencia en accionamientos AC. En general, el control escalar de una máquina está diseñado para mantener constante el flujo del entrehierro, ajustando la magnitud del voltaje del estator y la frecuencia en una proporción constante, con un aumento de voltaje a bajas frecuencias para evitar los efectos resistivos. En este artículo este tipo de control se implementa en un microcontrolador de 8 bits que usa la técnica de conmutación SPWM, en un motor de inducción monofásico de rotor jaula de ardilla

Estudio y diseño de fuente electrica para aplicaciones de electroerosion

This paper proposes a resonant electrical source as solution for the machining of metallic materials, which is used in the process called electrical discharge machining (EDM). The source is structured in three stages: a DC source, a resonant inverter and an electrical circuit that emulates the shock in the dielectric. The investigation focuses initially on an analysis that orients the design of the different advantages and disadvantages of three power inverting topologies, which may be used in such applications: the full bridge resonant inverter, half bridge and the class E resonant inverter. As a result, gets a bipolar source, with inherent protection under short circuit, and ability to operate in open loop. The increase in efficiency is generated by a voltage switching and zero current. The design allows the connection of several modules in parallel to increase the output current and increasing the scope of application to different levels of roughing. To check the results, and as an aid the ATP/EMTP program is used. Este artículo propone como solución para el mecanizado de materiales metálicos, una fuente eléctrica resonante, la cual se emplea en el proceso denominado mecanizado por descarga eléctrica (EDM). La fuente se compone de tres etapas: una de alimentación DC, un inversor resonante y un circuito eléctrico que emula la descarga eléctrica en el dieléctrico. La investigación se centra inicialmente en un análisis que orienta el diseño de las diferentes ventajas y desventajas de tres topologías inversoras de potencia que es posible que se utilicen en éste tipo de aplicaciones: el inversor resonante en puente completo, en medio puente y el inversor resonante clase E. Como resultado final, se obtiene una fuente eléctrica bipolar, con protección inherente en condiciones de corto circuito, y con capacidad de operar en lazo abierto. El incremento en eficiencia se genera por medio de conmutación a voltaje y corriente cero. El diseño permite la conexión de varios módulos en paralelo para incrementar la corriente de salida y aumentar el margen de aplicación a diferentes niveles de desbaste. Para comprobar los resultados obtenidos y como herramienta de ayuda se utiliza el programa ATP/EMTP.

Planta robusta de levitación neumática para investigación y formación en control y visión artificial

Se presenta el diseño y la construcción de una planta de levitación neumática como herramienta de docencia e investigación en aplicaciones de control y visión artificial. La herramienta está orientada a mejorar la comprensión y las habilidades para el análisis y diseño de sistemas de control, así como a ser una planta robusta para evaluaciónde estrategias de control en investigación. En principio se espera que la planta, complemento natural del proceso de formación, permita incrementar la adquisición de conocimientos y aumentar la motivación del estudiante. El objetivo del sistema, y criterio de control, consiste en mantener suspendidas tres pelotas de ping-pong (tres variables de salida) por un flujo de aire a una altura determinada por el usuario, pero con una fuerte interrelación entre las variables internas. La realimentación de estados se realiza a través de un sistema de visión artificial. Para la prueba y evaluación de desempeño del sistema se diseñó un control basado en sistemas difusos