Στην παρούσα εργασία ερευνάται η τρίτης τάξης μη γραμμική απόκριση διαφόρων υλικών τα οποία μελετήθηκαν σε μορφή διαλυμάτων ή λεπτών υμενίων. Αρχικά περιγράφονται βασικές έννοιες της μη γραμμικής οπτικής, μερικών σημαντικών φυσικών διαδικασιών που σχετίζονται με αυτή, καθώς και των διαφόρων μηχανισμών που μπορούν να συνεισφέρουν στο μη γραμμικό δείκτη διάθλασης. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η μη γραμμική οπτική απόκριση νανοδομών Au, Pd και Ag. Με τη βοήθεια πολυμερών αποτρέπεται η συσσωμάτωση και καθίζηση του μετάλλου και επιτυγχάνεται η δημιουργία μεταλλικών νανοσωματιδίων συγκεκριμένω διαστάσεων. Επίσης μελετάται η μη γραμμικότητα TiO2, φουλλερενικών παραγώγων και μοριακών μηχανών. Η μεγάλη απόκριση των συστημάτων αυτών σε συνδυασμό με την έντονη εξάρτησή της από διάφορες μορφολογικές/δομικές παραμέτρους καθιστά τα συστήματα αυτά πολύ χρήσιμα για φωτονικές εφαρμογές. / In this work the third order nonlinear optical response of several photonic materials, has been investigated. These materials were in the form of solutions, colloids or thin films. Initially some basic concepts of nonlinear optics, the physical processes related with it, as well as the physical mechanisms related to the nonlinear refractive index are presented. Then, the nonlinear optical response of Au, Pd and Ag nanoparticles is presented. By using polymers, formation of nanoparticles exhibiting specific sizes can be achieved. Furthermore the polymer does not allow metal aggregation in the system. The nonlinearity of TiO2 films, fullerene derivatives and molecular engines is also investigate. The large response of these systems, combined with the strong dependence on several morphological/structural parameters makes them very promising candidates for several photonic applications.

Περίληψη Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διατύπωση µοντέλων µηχανικής και η ανάπτυξη µεθοδολογίας πεπερασµένων στοιχείων, για τηv αριθµητική επίλυση τoυ προβλήµατος της συζευγµένης µη-γραµµικής απόκρισης πιεζοηλεκτρικών κελυφών και πλακών µε εµφυτευµένα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία. Η ανάπτυξη της παρούσας µεθόδου στηρίχθηκε σε θεωρίες µεσοµηχανικής για τη ανάλυση στρωµατοποιηµένων πιεζοηλεκτρικών κελυφών και κατά επέκταση πλακών και δοκών. Πιο συγκεκριµένα διατυπώνονται σε επίπεδο στρώσης, οι καταστατικές εξισώσεις του ηλεκτροµηχανικού πεδίου, οι εξισώσεις συµβιβαστού των παραµορφώσεων-µετατοπίσεων, που εµπεριέχουν την γεωµετρική µη γραµµικότητα, καθώς και οι γενικευµένες εξισώσεις κίνησης (εξισώσεις ισορροπίας των τάσεων στο µηχανικό και διατήρησης ηλεκτρικού φορτίου στο ηλεκτρικό πεδίο). Στη συνέχεια δύναται να γραφούν οι παραπάνω εξισώσεις κίνησης σε ολοκληρωτική µορφή, µε την βοήθεια της αρχής των φανταστικών µετατοπίσεων, ώστε να ισχύουν για ολόκληρη την πιεζοηλεκτρική πολύστρωτη δοµή. Τα παραπάνω ολοκληρώµατα όγκου υποβιβάζονται σε ολοκληρώµατα επιφάνειας µε την εισαγωγή των κινηµατικών υποθέσεων για τις ελαστικές και ηλεκτρικές µεταβλητές κατάστασης. Για την επίλυση των παραπάνω συζευγµένων µη γραµµικών ολοκληρωτικών εξισώσεων αναπτύχθηκε µέθοδος πεπερασµένων στοιχείων. ∆υο 8-κοµβα συζευγµένα µη γραµµικά ισοπαραµετρικά πεπερασµένα στοιχεία κελύφους και πλάκας αναπτύσσονται. Στο εσωτερικό των στοιχειών το παραµορφωσιακό πεδίο προσεγγίζεται µε πολυώνυµικές εξισώσεις δευτέρου βαθµού, που ονοµάζονται συναρτήσεις µορφής. Με την βοήθεια των συναρτήσεων µορφής προκύπτουν οι συζευγµένες µη γραµµικές εξισώσεις σε µητρωική µορφή, και λόγω του ότι εξαρτώνται από τη λύση δεν µπορούν να λυθούν απευθείας αλλά χρησιµοποιείται µια σταδιακή- επαναληπτική µέθοδος βασισµένη στη Newton-Raphson τεχνική. Αφού πραγµατοποιηθεί η σύνθεση των ολικών µητρώων, εφαρµοστούν οι µηχανικές και ηλεκτρικές συνοριακές συνθήκες τελικά επιλύονται οι προκύπτουσες γραµµικοποιηµένες συζευγµένες εξισώσεις σε κάθε επανάληψη εως ότου επιτευχθεί σύγκλιση της λύσης. Σε κάθε επανάληψη υπολογίζονται ταπραγµατικά και εφαπτοµενικά µη γραµµικά µητρώα καθώς επίσης και τα διανύσµατα ανισορροπίας µεταξύ των εξωτερικών και εσωτερικών δυνάµεων και ηλεκτρικών φορτίων. Τα µη γραµµικά ελαστικά και πιεζοηλεκτρικά µητρώα, που εµπεριέχουν τη γεωµετρική µη γραµµικότητα, καθώς και τα γραµµικά επιλύονται αριθµητικά µε τη µέθοδο Gauss. Η παρούσα µέθοδος µπορεί να εφαρµοστεί για τη διερεύνηση και αριθµητική επίλυση µιας σειράς προβληµάτων ευφυών πιεζοηλεκτρικών κατασκευών, όπου η γεωµετρική µη γραµµικότητα (µεγάλες µετατοπίσεις και περιστροφές σε σχέση µε το πάχος, αλλά µικρές παραµορφώσεις) παίζει σηµαντικό ή πρωτεύοντα ρόλο, µε ιδιαίτερη έµφαση στα εξής προβλήµατα: Μοντελοποίηση ευφυών κατασκευών υπό µεγάλη κάµψη. Εφαρµογές σε κατασκευές, στις οποίες επιδιώκονται µεγάλες αλλαγές στο σχήµα τους µέσω µεγάλων ενεργών µετατοπίσεων και περιστροφών, υπό την επιβολή ηλεκτρικού πεδίου στους πιεζοηλεκτρικούς διεγέρτες (morphing structures) . Πρόβλεψη κρίσιµων επίπεδων µηχανικών δυνάµεων και ηλεκτρικών τάσεων λυγισµού, οι οποίες µπορεί να οδηγήσουν τις ευφυείς πλάκες και τα κελύφη σε συνθήκες λυγισµού και απώλειας ευστάθειας. Πρόβλεψη και προσοµοίωση του λυγισµού και µετα-λυγισµού σε panel αεροναυπηγικών κατασκευών, µέσω παρακολούθησης της µεταβολής των φυσικών συχνοτήτων της κατασκευής ή της αναπτυσσόµενης ηλεκτρικής τάσης στους πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες. Την ενεργή µεταβολή της δυσκαµψίας (αύξηση ή µείωση) ευφυών κατασκευών µε την επιβολή κατάλληλου ηλεκτρικού δυναµικού στους πιεζοηλεκτρικούς διεγέρτες. Πρόβλεψη της µετάβασης των πιεζοηλεκτρικών κελυφών από τη µια θέση ισορροπίας σε άλλη (snap-through), υπό την επιβολή µηχανικού φορτίου ή πιεζοηλεκτρικής καµπτικής ροπής µέσω των πιεζοηλεκτρικών διεγερτών.πραγµατικά και εφαπτοµενικά µη γραµµικά µητρώα καθώς επίσης και τα διανύσµατα ανισορροπίας µεταξύ των εξωτερικών και εσωτερικών δυνάµεων και ηλεκτρικών φορτίων. Τα µη γραµµικά ελαστικά και πιεζοηλεκτρικά µητρώα, που εµπεριέχουν τη γεωµετρική µη γραµµικότητα, καθώς και τα γραµµικά επιλύονται αριθµητικά µε τη µέθοδο Gauss. Η παρούσα µέθοδος µπορεί να εφαρµοστεί για τη διερεύνηση και αριθµητική επίλυση µιας σειράς προβληµάτων ευφυών πιεζοηλεκτρικών κατασκευών, όπου η γεωµετρική µη γραµµικότητα (µεγάλες µετατοπίσεις και περιστροφές σε σχέση µε το πάχος, αλλά µικρές παραµορφώσεις) παίζει σηµαντικό ή πρωτεύοντα ρόλο, µε ιδιαίτερη έµφαση στα εξής προβλήµατα: Μοντελοποίηση ευφυών κατασκευών υπό µεγάλη κάµψη. Εφαρµογές σε κατασκευές, στις οποίες επιδιώκονται µεγάλες αλλαγές στο σχήµα τους µέσω µεγάλων ενεργών µετατοπίσεων και περιστροφών, υπό την επιβολή ηλεκτρικού πεδίου στους πιεζοηλεκτρικούς διεγέρτες (morphing structures) . Πρόβλεψη κρίσιµων επίπεδων µηχανικών δυνάµεων και ηλεκτρικών τάσεων λυγισµού, οι οποίες µπορεί να οδηγήσουν τις ευφυείς πλάκες και τα κελύφη σε συνθήκες λυγισµού και απώλειας ευστάθειας. Πρόβλεψη και προσοµοίωση του λυγισµού και µετα-λυγισµού σε panel αεροναυπηγικών κατασκευών, µέσω παρακολούθησης της µεταβολής των φυσικών συχνοτήτων της κατασκευής ή της αναπτυσσόµενης ηλεκτρικής τάσης στους πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες. Την ενεργή µεταβολή της δυσκαµψίας (αύξηση ή µείωση) ευφυών κατασκευών µε την επιβολή κατάλληλου ηλεκτρικού δυναµικού στους πιεζοηλεκτρικούς διεγέρτες. Πρόβλεψη της µετάβασης των πιεζοηλεκτρικών κελυφών από τη µια θέση ισορροπίας σε άλλη (snap-through), υπό την επιβολή µηχανικού φορτίου ή πιεζοηλεκτρικής καµπτικής ροπής µέσω των πιεζοηλεκτρικών διεγερτών.πραγµατικά και εφαπτοµενικά µη γραµµικά µητρώα καθώς επίσης και τα διανύσµατα ανισορροπίας µεταξύ των εξωτερικών και εσωτερικών δυνάµεων και ηλεκτρικών φορτίων. Τα µη γραµµικά ελαστικά και πιεζοηλεκτρικά µητρώα, που εµπεριέχουν τη γεωµετρική µη γραµµικότητα, καθώς και τα γραµµικά επιλύονται αριθµητικά µε τη µέθοδο Gauss. Η παρούσα µέθοδος µπορεί να εφαρµοστεί για τη διερεύνηση και αριθµητική επίλυση µιας σειράς προβληµάτων ευφυών πιεζοηλεκτρικών κατασκευών, όπου η γεωµετρική µη γραµµικότητα (µεγάλες µετατοπίσεις και περιστροφές σε σχέση µε το πάχος, αλλά µικρές παραµορφώσεις) παίζει σηµαντικό ή πρωτεύοντα ρόλο, µε ιδιαίτερη έµφαση στα εξής προβλήµατα: Μοντελοποίηση ευφυών κατασκευών υπό µεγάλη κάµψη. Εφαρµογές σε κατασκευές, στις οποίες επιδιώκονται µεγάλες αλλαγές στο σχήµα τους µέσω µεγάλων ενεργών µετατοπίσεων και περιστροφών, υπό την επιβολή ηλεκτρικού πεδίου στους πιεζοηλεκτρικούς διεγέρτες (morphing structures) . Πρόβλεψη κρίσιµων επίπεδων µηχανικών δυνάµεων και ηλεκτρικών τάσεων λυγισµού, οι οποίες µπορεί να οδηγήσουν τις ευφυείς πλάκες και τα κελύφη σε συνθήκες λυγισµού και απώλειας ευστάθειας. Πρόβλεψη και προσοµοίωση του λυγισµού και µετα-λυγισµού σε panel αεροναυπηγικών κατασκευών, µέσω παρακολούθησης της µεταβολής των φυσικών συχνοτήτων της κατασκευής ή της αναπτυσσόµενης ηλεκτρικής τάσης στους πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες. Την ενεργή µεταβολή της δυσκαµψίας (αύξηση ή µείωση) ευφυών κατασκευών µε την επιβολή κατάλληλου ηλεκτρικού δυναµικού στους πιεζοηλεκτρικούς διεγέρτες. Πρόβλεψη της µετάβασης των πιεζοηλεκτρικών κελυφών από τη µια θέση ισορροπίας σε άλλη (snap-through), υπό την επιβολή µηχανικού φορτίου ή πιεζοηλεκτρικής καµπτικής ροπής µέσω των πιεζοηλεκτρικών διεγερτών. / -

Τα τελευταια χρόνια ειμαστε μαρτυρες ενός εντυπωσιακού παραδόξου στο χώρο της τεχνολογίας. Ενώ όλη η ανθρωπότητα αναζητά το κάτι παραπάνω σε υπολογιστική ισχύ, σε χώρο αποθήκευσης και σε ταχύτητα, μικρές αυτόνομες συσκευές έρχονται να κατακτήσουν όλο και περισσότερους τομείς της καθημερινότητάς μας. Μονάδες με την ικανότητα της επεξεργασίας και της αποθήκευσης δεδομένων, της αίσθησης του περιβάλλοντος αλλά και της επικοινωνίας μεταξύ τους, ενσωματώνονται σχεδόν σε όλους τους τομείς δραστηριοποίησης του ανθρώπου. Ο τρόπος αυτό-οργάνωσης αυτών των κόμβων - μονάδων στα πλαίσια μεγάλων ασύρματων δικτύων αισθητήρων, και η συλλογή δεδομένων από μια ευρεία περιοχή, τους δίνει τη δυνατότητα λήψης αποφάσεων, πολλές φορές κρίσιμων, ανάλογα με τις επικρατούμενες συνθήκες. Τα παραπάνω χαρακτηριστικά των δομικών στοιχείων των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων, σε συνδυασμό με τις υπηρεσίες της υψηλής και καθιερωμένης τεχνολογίας του συστήματος GPS (Global Positioning System) μπορούν να δημιουργήσουν έναν εκρηκτικό συνδυασμό και ερευνητικές ιδέες για ανάπτυξη αστικών εφαρμογών αυτοματισμού, στο πλαίσιο των λεγόμενων «έξυπνων πόλεων». Μέσα σε ένα απέραντο δίκτυο ασυρμάτων αισθητήρων, αποτελούμενο από χιλιάδες οντότητες, η ικανότητα του κάθε κόμβου να εντοπίζει την θέση του και να την μοιράζεται με τους υπόλοιπους, κερδίζει ολοένα και περισσότερο έδαφος ειδικά σε θέματα δρομολόγησης. Η χρήση της τεχνολογίας GPS από έναν κόμβο, αντικείμενο που μελετάμε στη παρούσα εργασία, μπορεί να οδηγήσει από την επιτυχή εφαρμογή του Geographical Routing σε ένα WSN, μέχρι την υλοποίηση απαιτητικών εφαρμογών για αντιγραφή κίνησης αλλά και δημιουργίας «έξυπνων αυτοκινητόδρομων» μέσα στους οποίους θα γίνεται αυτόματη πλοήγηση των κινητών υπό την επίβλεψη ενός μεγάλου WSN με κόμβους που συνεργάζονται με το σύστημα δορυφορικού εντοπισμού θέσης αλλά και μεταξύ τους. Όπως γίνεται άμεσα αντιληπτό, η παρούσα εργασία, που πραγματεύεται την σωστή συνεργασία και επικοινωνία ενός δικτύου ασυρμάτων αισθητήρων με την τεχνολογία GPS για την ιχνηλάτηση της πορείας ενός κινητού, μπορεί να δώσει μελλοντική τροφή για ενασχόληση σε πολλαπλά ερευνητικά επίπεδα. Η εργασία μας χωρίστηκε σε τρείς θεματικές ενότητες. Η πρώτη αφορά τον τομέα του WSN και του προγραμματισμού των κόμβων, για επικοινωνία με τους δορυφόρους, με τον υπολογιστή αλλά και μεταξύ τους, με τις απαραίτητες λειτουργικές εφαρμογές που κληθήκαμε να υλοποιήσουμε. Η δεύτερη αναφέρεται στην εργασία μας από την πλευρά του υπολογιστή, που λειτουργεί σαν συλλέκτης των δεδομένων του δικτύου, και τη σύνδεση του συστήματός μας με την πρότυπη εφαρμογή Google EarthTM για απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο της τροχιάς που ακολουθεί ένα κινητό. Η τρίτη ενότητα περιλαμβάνει εκτέλεση πειραμάτων χρήσης του συστήματος που σχεδιάσαμε και παράθεση οπτικοποιημένων αποτελεσμάτων, για την εύκολη εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων όσον αφορά στη λειτουργικότητά του. / The last few years we witness a striking paradox in the field of technology. While all humanity is seeking for more computing power, more storage capabilities and more proccessing speed, small autonomous devices have appeared to occupy more and more areas of our lives in the daily routine. Units with the capabilities of data proccessing, data storage, enviromental sensing and communication with each other, are incorporated in almost all areas of human activity. The way in which these nodes are self-organized into large Wireless Sensor Networks and their ability to collect data from a wide area, enables them in taking decisions, critical ones sometimes, according to the prevailing conditions. The above characteristics of the components of wireless sensor networks, combined with the services of the established and standard technology of the GPS (Global Positioning System) can create ideas for research and development of urban applications of automation in the so-called “smart cities”. In a vast network of wireless sensors, consisting of thousands of entities, the ability of each node to detect its position and share it with others, is gaining more and more ground especially in routing topics. The use of GPS technology from a node, which is one of the subjects we study in this thesis, could lead from the successful implementation of the Geographical Routing, to the implementation of more demanding applications for motion replication but also to creating “smart highways” through which mobiles will execute an automatic navigation, supervised by a large WSN consisting of nodes cooperating with the satellite positioning system and with each other. As is readily apparent, the present thesis which is dealing with the good cooperation and communication of a wireless sensor network with the GPS technology in order to trace the path of a mobile, can provide room for future involvement in multiple levels of research. Our work was divided into three thematic sections. The first concerns the field of WSN and node programming so that they can be able to communicate with satellites, with the computer and with each other, by installing them with the necessary functional applications that we had to implement. The second section refers to our work on the computer side, which acts as a network data collector, and the link of our system with the standard Google EarthTM application to display the path of a mobile in real – time. The third section includes conducting experiments using the system we designed. The results are visualised and listed for an easy extraction of usefull conclusions regarding the functionality of our system.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζονται οι δυνατότητες που προσφέρουν τα έξυπνα κινητά τηλέφωνα (smartphones) στην παροχή υπηρεσιών φροντίδας σε άτομα με χρόνιες παθήσεις, μέσω των τεχνολογιών τηλεματικής. Για το σκοπό αυτό μελετήθηκε, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε ένα δίκτυο φορετών ασύρματων αισθητήρων για την αναγνώριση της φυσικής δραστηριότητας, το οποίο καταγράφει δεδομένα της κίνησης και βιολογικά σήματα, τα οποία στη συνέχεια επεξεργάζονται για την αναγνώριση της δραστηριότητας που εκτελείται, σε πραγματικό χρόνο. Σε σχέση με τις μέχρι σήμερα προσεγγίσεις, στην παρούσα εργασία γίνεται συγκριτική μελέτη πολλαπλών τεχνικών αναγνώρισης προτύπων καθώς και τεχνικών που δεν έχουν χρησιμοποιηθεί μέχρι σήμερα, ενώ γίνεται εξέταση των αποτελεσμάτων που προκύπτουν κάνοντας χρήση του συνδυασμού μικρότερου αριθμού δεδομένων. Η πληροφορία της αναγνώρισης της φυσικής δραστηριότητας συνδυάζεται στη συνέχεια με περιβαλλοντικά δεδομένα, ώστε να μελετηθούν τα μοτίβα της καθημερινής δραστηριότητας υγειών ατόμων και ατόμων με χρόνιες παθήσεις. Με την αναζήτηση Emerging Patterns στα αποθηκευμένα δεδομένα, εξετάζεται ο βαθμός συμμόρφωσης στις ιατρικές οδηγίες, αλλά οι δυνατότητες πρόβλεψης των βραχυπρόθεσμων και μακροπρόθεσμων επιπλοκών των χρόνιων παθήσεων. / The present PhD thesis examines the potentials of the usage of the smartphones in order to offer health services to patients with chronic diseases. A wearable wireless sensor network designed and developed in order to record body movement and biosignal data. Physical activity recognition techniques are applied to the recorded data, so that to extract the actual activities performed, in real time. In contrast to the research that has been carried out till today, an extensive comparison between different pattern recognition techniques is performed using all the recorded data and a reduced number of them, applying newly proposed pattern recognition. Furthermore, the recognized physical activities are combined with environmental data, in order to study the daily activity patterns of healthy persons and persons with chronic diseases. Searching for Emerging Patterns in the data, patient conformance to the medical advices, along with short and long term complications of chronic diseases are examined.

Σκοπός της εργασίας είναι να μελετηθεί ο τρόπος, οι τεχνολογίες, οι υπηρεσίες και οι περιορισμοί οι οποίοι εμφανίζονται στην παροχή υπηρεσιών υγείας σε έκτακτα περιστατικά με τη χρήση τηλεματικής. Για την επικοινωνία των φορητών συσκευών παρακολούθησης των ασθενών με τους σταθμούς βάσης επιλέχθηκε το ασύρματο δίκτυο Wi-Fi για το οποιο μελετήθηκαν μια σειρά από παραμέτρους οι οποίες συμβάλουν είτε θετικά είτε αρνητικά κατά περίπτωση. Η παρακολούθηση και η αποστολή των κρίσιμων διοδυναμικών παραμέτρων ενός ασθενούς επιτεύχθηκε με τη χρήση φορητής/φορετής Βιοιατρικής ζώνης η οποία παρέχει τον εξοπλισμό ανίχνευσης και επεξεργασίας των σημάτων καθώς επίσης και τον εξοπλισμό ασύρματης δικτύωσης με το κέντρο παρακολούθησης. Σημαντικός τομέας της μελέτης αποτελεί η πρόταση για μεταφορά δεδομένων μέσα από ασύρματα δικτύα διανομής επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης και των γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας μέσης τάσης. Το δεύτερο κομμάτι της εργασίας επικεντρώνεται στην παροχή υπηρεσιών βίντεο για ιατρικούς σκοπούς για την αντιμετώπιση προγραμματισμένων και έκτακτων περιστατικών. Εκεί αναλύονται οι τεχνικές συμπίεσης και επεξεργασίας της εικόνας και προτείνεται η χρήση του πρωτοκόλλου MPEG-4 για την αποδοτικότητα και την πιστότητα στην αναπαραγόμενη εικόνα. Η εργασία κλείνει με τη διεξαγωγή μιας πειραματικής διαδικασίας αναλύοντας τα χαρακτηριστικά της ποιότητας της εικόνας βίντεο από μια λαπαροσκοπική επέμβαση. Ο συνδυασμός όλων των παραπάνω οδηγεί στην κατασκευή ενός υβριδικού συστήματος τηλειατρικης το οποιο έχει τη δυνατότητα να αντιμετωπίσει έκτακτα ιατρικά περιστατικά σε αντίξοες συνθήκες. / The present thesis is a full analytical study for the implementation of technologies, the services and constrains that appears in the provision of medical emergency services with the use of a telematics network. The communication of the portable monitoring equipment with a medical station is accomplished through the wireless WiFi infrastructure. Critical biosignals wireless transmission is accomplished through a wearable biomedical belt that contains the sensory as well as the processing devices. One section of in this study proposes alternative network infrastructures to be used, in particular the Digital terrestrial TV network and the transmission of IP data over the power lines. The last section deals with the provisioning of a MPEG-4 medical video service. Critical parameters are the image and compression techniques that degrade the video picture quality. A video sample from a laparoscope’s surgery is analyzed that shows how various quality parameters affect the perceived picture quality in the decomposition section.

Οι ηλεκτροµηχανικές συσκευές αποθήκευσης δεδοµένων πολύ µικρής κλίµακας που βασίζονται στη χρήση ανιχνευτών (probes) αποτελούν ανερχόµενες εναλλακτικές επιλογές για τη βελτίωση της πυκνότητας αποθήκευσης, του χρόνου πρόσβασης των δεδοµένων και της απαιτούµενης ισχύος σε σχέση µε τις συµβατικές αποθηκευτικές συσκευές. Μία υλοποίηση µιας τέτοιας συσκευής χρησιµοποιεί θερµοµηχανικές µεθόδους για την αποθήκευση πληροφορίας σε λεπτές µεµβράνες πολυµερών υλικών. Σε αυτή την περίπτωση, η ψηφιακή πληροφορία αποθηκεύεται µε τη µορφή κοιλωµάτων πάνω στο πολυµερές υλικό, οι οποίες δηµιουργούνται από τις άκρες των ανιχνευτών διαµέτρου µερικών nm. Με στόχο την αύξηση του ρυθµού εγγραφής και ανάγνωσης χρησιµοποιούνται διατάξεις από ανιχνευτές που λειτουργούν παράλληλα, µε κάθε ανιχνευτή να εκτελεί λειτουργίες εγγραφής/ανάγνωσης/διαγραφής σε ξεχωριστό αποθηκευτικό πεδίο. Βασικές απαιτήσεις κατά τη λειτουργία τέτοιων συσκευών αποτελούν η εξαιρετικά µεγάλη ακρίβεια και η µικρή καθυστέρηση κατά τη µετακίνηση των ανιχνευτών πάνω από το πολυµερές υλικό. Η παρούσα διατριβή έχει ως αντικείµενο τη µελέτη των διατάξεων κίνησης και τη σχεδίαση πρωτότυπων αρχιτεκτονικών ελέγχου, που οδηγούν στη βελτίωση της απόδοσης των απαιτούµενων, σε συσκευές τέτοιου τύπου, λειτουργιών ελέγχου. Η µετατόπιση του αποθηκευτικού µέσου σε σχέση µε τη διάταξη των ανιχνευτών επιτυγχάνεται µε τη χρησιµοποίηση µικρής κλίµακας scanners, που έχουν δυνατότητες κίνησης σε δύο κατευθύνσεις (x/y). Πληροφορία για τη θέση του microscanner στις δύο κατευθύνσεις παρέχεται από θερµικούς αισθητήρες ανίχνευσης θέσης που κατασκευάζονται µαζί µε τη διάταξη µε τους ανιχνευτές και τοποθετούνται πάνω από το κινητό πλαίσιο. Η πλήρης κατανόηση της συµπεριφοράς των διατάξεων αυτών αποτελεί απαραίτητο στοιχείο για τον αποτελεσµατικό σχεδιασµό και την ανάλυση των συστηµάτων ελέγχου. Στα πλαίσια της διατριβής δηµιουργήθηκε ένα πλήρες µοντέλο της διάταξης του microscanner και των θερµικών αισθητήρων ανίχνευσης θέσης. Σύγκριση της απόκρισης του µοντέλου µε τις πειραµατικές µετρήσεις καταδεικνύει ότι το µοντέλο προσεγγίζει µε εξαιρετική ακρίβεια την απόκριση του συστήµατος. Το σύστηµα ελέγχου περιλαµβάνει, στην αρχή, τη λειτουργία αναζήτησης/ αποκατάστασης, κατά την οποία το σύστηµα εντοπίζει τη θέση όπου απαιτείται να πραγµατοποιηθεί εγγραφή ή ανάγνωση πληροφορίας µε εκκίνηση µία αυθαίρετη θέση του κινητού πλαισίου. Απαίτηση του συστήµατος κατά τη λειτουργία αυτή είναι η ελαχιστοποίηση του χρόνου πρόσβασης των δεδοµένων. Η γρήγορη πρόσβαση στα δεδοµένα αποτελεί µια σηµαντική πρόκληση στις συµβατικές αποθηκευτικές συσκευές. Με το πλεονέκτηµα των ελαφρύτερων µηχανικών µερών, οι υπό µελέτη συσκευές αποθήκευσης βασισµένες στην τεχνολογία MEMS θεωρούνται βασικές υποψήφιες για τη βελτίωση του χρόνου πρόσβασης των δεδοµένων. Οι σχετικές προοπτικές των συσκευών αυτών διερευνώνται αναλυτικά στα πλαίσια της διατριβής. Συγκεκριµένα, αρχικά µελετάται η απόδοση διαφόρων συστηµάτων µε βάση τη θεωρία ελέγχου βέλτιστου χρόνου. Τα αποτελέσµατα της µελέτης δίνουν το θεωρητικά βέλτιστο χρόνο πρόσβασης και την εξάρτησή του από τις παραµέτρους του κάθε συστήµατος. Στη συνέχεια, περιγράφεται η αρχιτεκτονική ελέγχου για τη λειτουργία αναζήτησης και παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα που αντλήθηκαν από το περιβάλλον προσοµοίωσης και από την πειραµατική διάταξη. Τα αποτελέσµατα καταδεικνύουν ότι οι χρόνοι πρόσβασης των δεδοµένων που είναι δυνατό να επιτευχθούν µε τις συσκευές αυτές, είναι σηµαντικά µικρότεροι σε σχέση µε τις συµβατικές. Στη συνέχεια, ακολουθεί η λειτουργία παρακολούθησης, όπου η θέση των ανιχνευτών πρέπει να παραµένει στο κέντρο του επιθυµητού καναλιού, κατά τη διάρκεια εγγραφής/ανάγνωσης των δεδοµένων. Η απαίτηση για µεγάλη ακρίβεια στη µετακίνηση πάνω από τη νοητή γραµµή του κέντρου του καναλιού, της µίας ή περισσότερων κεφαλών που χρησιµοποιούνται κατά την εγγραφή/ανάγνωση, είναι σηµαντική για όλους τους τύπους αποθηκευτικών συσκευών. Οι απαιτήσεις για ακρίβεια γίνονται ακόµα πιο µεγάλες και κρίσιµες, στην περίπτωση των υπό µελέτη αποθηκευτικών συσκευών, όπου η ψηφιακή πληροφορία αποθηκεύεται σε µία περιοχή µε µέγεθος µερικών nm. Το σύστηµα ελέγχου, κατά τη λειτουργία αυτή, οφείλει να παρακολουθεί το επιθυµητό σήµα αναφοράς, και ταυτόχρονα να έχει ικανοποιητική απόρριψη των διαταραχών και να επιτυγχάνει την απαιτούµενη ακρίβεια ως προς τον προσδιορισµό της θέσης. Παράλληλα, σηµαντικό παράγοντα βελτιστοποίησης αυτής της λειτουργίας, αποτελεί ο ρυθµός εγγραφής/ανάγνωσης των δεδοµένων. Η πρώτη προσέγγιση για την αρχιτεκτονική ελέγχου, κατά τη λειτουργία αυτή, βασίζεται στην παρεχόµενη από τους θερµικούς αισθητήρες ανίχνευσης, πληροφορία της θέσης του microscanner. Η αρχιτεκτονική βασίζεται στον αλγόριθµο του γραµµικού τετραγωνικού ρυθµιστή (LQG) και η αξιολόγησή της γίνεται µε κριτήρια την ικανότητα παρακολούθησης της εισόδου, την απόρριψη των διαταραχών και την ακρίβεια ως προς τον προσδιορισµό της θέσης. Τα αποτελέσµατα που εξήχθησαν, κατά την υλοποίηση της αρχιτεκτονικής ελέγχου στην πειραµατική διάταξη, αναδεικνύουν ότι η αρχιτεκτονική πληρεί τις απαιτήσεις και η ακρίβεια µερικών nm που επιτυγχάνεται στον προσδιορισµό της θέσης επιτρέπει την αξιόπιστη εγγραφή και κατόπιν ανάγνωση δεδοµένων από την αποθηκευτική συσκευή. Μειονέκτηµα της παραπάνω προσέγγισης αποτελεί ο χαµηλής συχνότητας θόρυβος των θερµικών αισθητήρων, που επηρεάζει τη σωστή λειτουργία του κλειστού συστήµατος σε µεγάλες περιόδους λειτουργίας της συσκευής. Το πρόβληµα αυτό επιλύεται µε µία πρωτότυπη προσέγγιση που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής και βασίζεται στην πληροφορία, την προερχόµενη από τους θερµικούς αισθητήρες ανίχνευσης θέσης, σε συνδυασµό µε το προερχόµενο από το αποθηκευτικό µέσο σήµα σφάλµατος θέσης. Ο σχεδιασµός του συστήµατος ελέγχου, στην περίπτωση αυτή, εκµεταλλεύεται την εκ των προτέρων γνώση των χαρακτηριστικών θορύβου ως προς τη συχνότητα των δύο αισθητήρων ανίχνευσης θέσης, έτσι ώστε το σύστηµα ελέγχου που προκύπτει να χρησιµοποιεί την πιο αξιόπιστη µέτρηση σε κάθε περιοχή συχνοτήτων. Το πλαίσιο του σθεναρού ελέγχου, H∞, χρησιµοποιείται κατά το σχεδιασµό αυτής της αρχιτεκτονικής ελέγχου, µε διαχωρισµό ως προς τη συχνότητα. Με χρήση αυτής της µεθόδου, το σύστηµα ελέγχου δεν επηρεάζεται από τον χαµηλής συχνότητας θόρυβο των θερµικών αισθητήρων. Τα αποτελέσµατα που εξήχθησαν κατά την υλοποίηση της αρχιτεκτονικής ελέγχου στην πειραµατική διάταξη επιβεβαιώνουν τα παραπάνω. Η µέθοδος αυτή είναι πιο γενική και µπορεί να εφαρµοστεί σε κάθε πρόβληµα ελέγχου, που έχει δύο ή και περισσότερους αισθητήρες µε διαφορετικά χαρακτηριστικά απόδοσης σε διαφορετικές περιοχές συχνοτήτων. / Micro-electro-mechanical-system (MEMS)-based scanning-probe storage devices are emerging as potential ultra-high-density, low-access-time, and low-power alternatives to conventional data storage. One implementation of probe-based storage uses thermomechanical means to store and retrieve information in thin polymer films. Digital information is stored by making indentations on the thin polymer film with the tips of atomic force microscope (AFM) cantilevers, which are a few nanometers in diameter. To increase the data rate, an array of probes is used, in which each probe performs read/write/erase operations over an individual storage field. One of the primary challenges in building such devices is the extreme accuracy and the short latency required in the navigation of the probes over the polymer medium. This dissertation describes the design of novel control architectures and the characterization of their performance. The associated modelling effort, theoretical analysis, simulation work and experimental results are presented. Displacement of the storage medium relative to the array of cantilevers is achieved by using silicon-based micro-scanners with x/y-displacement capabilities. The x/y positional information can be provided by thermal position sensors that are fabricated on the cantilever-array chip and positioned directly above the scan table. A thorough understanding of the dynamics of these parts of the device is essential for effective design and analysis of the control architectures. In this dissertation a complete model of the micro-scanner and the thermal position sensors was developed. Comparison of the model response with the experimental data have shown that the model approximates the system response with an excellent accuracy. In general, the servo system in such a storage device has two functions. First, it locates the target track to which information is to be written or read back from, starting from an arbitrary initial position of the scan table carrying the storage medium. This is achieved by the so-called seek-and-settle procedure. The data access time depends on the duration of this operation, and therefore the minimization of its duration constitutes an important optimization factor. The speed of data access is a significant bottleneck in today’s computing systems. With the advantage of the lighter moving stage MEMS-based storage devices are widely touted to improve access times. In this dissertation these perspectives are examined in detail. Initially the time-optimal control theory has been studied for different system models and their performance has been examined regarding the optimal access time. The results of this study have provided the theoretically optimal access time for each model and its dependence on the system parameters. The control architecture for the seek operation has been designed. The simulation and experimental results show that the possible access times that can be achieved are significantly smaller than the conventional storage devices. The second function of the control system is to maintain the position of the read/write probes on the centre of the target track as they are being scanned along the length of this track during the normal read/write operation. This is achieved by the so-called track-follow procedure. Precise positioning and navigation of the read/write head(s) on the track centerlines is of paramount importance in all types of storage devices. The requirements become more crucial in the devices under study, where in order to achieve reliable storage and retrieval of data, accuracy in the order of a few nanometers in the scanner motion is needed. Therefore, the tracking of the reference signal, the disturbance rejection capabilities and the positioning resolution are considered as performance measures for the control system in this operation. Similarly, the read/write data rate constitutes an important optimization factor for this operation. The first approach of the control architecture for the track-follow procedure uses the position information from the thermal sensors. The control of the position in the x/y directions is realized using two independent feedback loops and each controller is based on the linear quadratic Gaussian regulator (LQG). For the evaluation of the proposed control architecture a detailed analysis has been performed in terms of the tracking performance, the disturbance rejection and the positioning resolution. The proposed architecture has been implemented in the experimental set-up and the analytical results are in agreement with those obtained experimentally. The experimental results show that the accuracy in the motion of the micro-scanner obtained with the proposed control architecture allows reliable storage and retrieval of data in the storage device. The disadvantage of the above control scheme originates from the low frequency noise of the thermal sensors that affects the closed loop performance for long term operation of the device. A novel control architecture was developed that addresses this problem by using medium-derived position information along with the thermal positioning sensor. The objective of this method is, using the a priori knowledge of the noise characteristics of the two sensors, to create a control structure that utilizes the best measurement in different frequency regions. The framework of the H∞ robust control was used for the design of this new frequency separated control architecture. Using this method the control system is not affected from the low frequency noise of the thermal sensors. The experimental results validate the performance of the proposed method. The developed methodology is more general and can be applied to any control problem that has two or more sensors with different performance characteristics in different frequency regions.