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Scene segmentation using neuromorphic networks

Cosp Vilella, Jordi 08 July 2002 (has links)
Els avanços en neurociència han portat el desenvolupament de models complexes de neurones artificials semblants a les seves contraparts biològiques. Aquests models han millorat la funcionalitat de les xarxes neuronals artificials i han aparegut noves aplicacions. No obstant, la complexitat dels nous models de neurones fa que la seva simulació sigui difícil i requereixi molt de temps i un elevat consum de potència. Aquests no són un problemes importants per aplicacions que no tenen restriccions de consum i en la complexitat del sistema com són la simulació de neurones naturals o la recerca de les diferents habilitats de les xarxes neuronals artificials. Però hi ha altres aplicacions, com les de temps real en sistemes portables, que requereixen sistemes ràpids, petits i de baix consum pels que la simulació de complexes neurones artificials no és una bona solució. Trobar una solució viable a aquest problema és l'objectiu d'aquest treball.Aquesta tesi descriu i analitza el model hardware d'una xarxa neuronal artificial basada en oscil.ladors acoblats que ha estat adaptada per ajustar-se als requeriments d'una realització VLSI i a la seva aplicació a tasques de segmentació d'imatge. Per reduir l'àrea ocupada i el consum de potència, les neurones modelades com oscil.ladors astables, es realitzen en un ASIC full-custom en lloc de ser simulades en una arquitectura hardware standard. La realització física de l'oscil.lador en lloc de simular-lo, permet al sistema portar a terme les mateixes tasques i reduir el consum de potència comparat amb el requeriments que necessita un ordinador per simular la xarxa.Primer, es modela un oscil.lador astable en mode corrent com a un integrador i un comparador amb histèresi. Després, s'utilitza aquest esquema per estudiar algebraicament i numèricament la sincronització d'oscil.ladors acoblats amb excitacions amb i sense inhibició i mismatch. Després, es repeteix l'anàlisi amb un model millorat que consta de dos integradors amb escales de temps diferents. Això ens permet simular els efectes secundaris com la capacitat de sortida de l'oscil.lador. A partir d'aquests resultats, s'estudia el comportament de matrius de una i dues dimensions d'oscil.ladors acoblats i després la xarxa és usada per segmentar imatges sintètiques.Basat en els resultats de l'anàlisi matemàtica, es dissenya una xarxa microelectrònica en un ASIC CMOS amb tecnologia 0.8µm i doble capa de polisilici. El circuit és descrit i simulat extensivament per tal de comprovar la seva funcionalitat com a element de segmentació. Després, els resultats experimentals validen la funcionalitat de la xarxa com a element de segmentació i confirmen la importància del efectes secundaris modelats en la secció de l'anàlisi matemàtica. Finalment, la tesi acaba amb una estimació del nivell de complexitat del procés i una comparació amb d'altres mètodes, exposa les conclusions i explora noves possibilitats en la realització hardware d'algorismes neuromorphics per a la segmentació.L'anàlisi matemàtica i les simulacions demostren que els oscil.ladors astables poden ser usats com a cel.les bàsiques per a xarxes de segmentació. També demostren que els retards deguts a la capacitat de sortida combinada amb el mismatch dels dispositius han de ser limitats per tal que la xarxa treballi correctament. La realització física del model de neurona basat en un oscil.lador no linial demostra que és possible realitzar físicament un sistema de segmentació més ràpid que la seva simulació en ordinadors molt més potents sense perdre funcionalitat.Noves línies de recerca són l'estudi en més detall dels mecanismes de sincronització amb acoblaments més febles combinat amb el mismatch dels dispositius, l'ús de comparador en mode corrent més ràpids de baix consum i l'ús d'imatges en nivell de grisos. / Advances in neurosciences have induced the development of complex models of artificial neurons closer to their biological counterparts. These models improved functionality of artificial neural networks and novel applications have appeared. Nevertheless, complexity of new neuron models makes their simulation difficult, and time and power consuming. This is not a major drawback for applications that have no restrictions on power consumption and system complexity as simulation of natural neurons or exploration of different abilities of artificial neural networks. But, there are other applications, as found in real time portable systems, that require fast and small systems and low power requirements for which simulating complex artificial neurons is not a good solution. Finding a feasible solution to this problem is the aim of this work.This dissertation describes and analyzes a hardware model of an artificial neural network based on coupled oscillators that have been adapted to fit VLSI requirements and its applications to scene segmentation tasks. To reduce area overhead and power consumption, neurons, which are modeled as astable oscillators, are implemented on a full custom ASIC instead of being simulated on a standard hardware architecture. The implementation of a physical oscillator instead of their simulation, allows the system to perform the same tasks and reduce power consumption compared to requirements needed for a computer to simulate the network.First, a current-mode astable oscillator is modeled as an integrator and a hysteresis comparator. Then, this scheme is used to study algebraically and numerically the synchronization of excitatory coupled oscillators with and without external inhibition and mismatch. After this, the analysis is repeated with an improved model composed of two integrators with different timescales. This allows us to simulate secondary effects as oscillator output capacitance. From these results, the behavior of one-dimensional and two-dimensional arrays of coupled oscillators is studied and then, the network is applied to synthetic image segmentation.Based on results of the mathematical analysis, a microelectronic network is designed on a double-poly 0.8µm CMOS ASIC. This circuit is described and extensively simulated to check its functionality as a segmentation layer. Then, experimental results validate the network functionality as a segmentation network and confirm the importance of secondary effects modeled in the mathematical analysis section. Finally, this dissertation ends with an estimation of the scheme complexity, compares it to other methods, sets out concluding remarks and explores future trends on implementation of neuromorphic segmentation schemes.Mathematical analysis and simulations demonstrate that astable oscillators can be used as basic cells of segmentation networks. They also demonstrate that delays due to cell output capacitance combined with device mismatch have to be limited below certain boundaries for the network to work properly. The physical implementation of a neuron model based on a non-linear oscillator demonstrates that it is possible to implement an oscillatory segmentation scheme that runs much faster that its simulated counterpart on powerful computers.Future lines of research are the deeper study of synchronization mechanisms with weaker coupling strength combined with device mismatch, the use of faster current comparators with low power consumption figures and the use of gray level input images.
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Incremental active learning of sensorimotor models in developmental robotics

Ribes Sanz, Arturo 23 March 2015 (has links)
La rápida evolución de la robótica esta promoviendo que emerjan nuevos campos relacionados con la robótica. Inspirándose en ideas provinientes de la psicología del desarrollo, la robótica del desarrollo es un nuevo campo que pretende proveer a los robots de capacidades que les permiten aprender de una manera abierta durante toda su vida. Hay situaciones donde los ingenieros o los diseñadores no pueden prever todos los posibles problemas que un robot pueda encontrar. Tal como el número de tareas que un robot debe hacer crece, este problema se vuelve más evidente, y las soluciones de ingenería tradicionales pueden no ser completamente factibles. En tal caso, la robótica del desarrollo proporciona una serie de principios y directrices para construir robots que tienen las herramientas cognitivas adecuadas a fin de adquirir el conocimiento necesario. Auto-exploración, aprendizaje incremental, scaffolding social e imitación. Todas son herramientas que contribuyen a construir robots con un alto grado de autonomía. Mediante la auto-exploración internamente motivada, un robot descubre lo que su cuerpo es capaz de hacer. Las técnicas de aprendizaje incremental permite que un robot tenga conocimiento listo al instante, a partir de construir estructuras cognitivas encima de otras más viejas. El scaffolding o andamiaje social y las capacidades de imitación permiten aprovechar lo que los humanos --- u otros robots --- ya saben. De esta manera, los robots tienen metas que perseguir y aportan, o bien un uso final para las habilidades aprendidas, o bien ejemplos de cómo lograr una determinada tarea. Esta tesis presenta un estudio de una serie de técnicas, las cuales ejemplifican cómo algunos de esos principios, aplicados a robots reales, funcionan juntos, permitiendo al robot aprender autónomamente a ejecutar una serie de tareas. También mostramos cómo el robot, aprovechándose de técnicas de aprendizaje activo e incremental, es capaz de decidir la mejor manera de explorar su entorno a fin de adquirir el conocimiento que mejor le ayuda a lograr sus objetivos. Ésto, añadido al descubrimiento autónomo de las limitaciones de su propio cuerpo, disminuye la cantidad de conocimiento especifico del dominio que es necesario poner en el diseño del sistema de aprendizaje. Primeramente, presentamos un algoritmo de aprendizaje incremental para Modelos de Mixtura de Gaussianas aplicado al problema de aprendizaje sensorimotor. Implementado en un robot móvil, el objetivo es adquirir un modelo que es capaz de realizar predicciones sobre los estados sensoriales futuros. Este modelo predictivo es reutilizado como substrato representacional, el cual sirve para categorizar y anticipar situaciones tales como la colisión contra un objeto. Después de un periodo extendido de aprendizaje, y habiendo encontrado situaciones diferentes, observamos que los modelos adquiridos se terminan siendo bastante grandes. Sin embargo, nos dimos cuenta que, en un momento dado, solo una pequeña porcion del mismo es utilizada. Además, estas areas son utilizadas consistentemente por un periodo relativamente largo de tiempo. Presentamos una extensión para el algoritmo de Regresión basado en Mixturas de Gaussianas, el cual aprovecha este hecho a fin de reducir el coste computacional de la inferencia. Las técnicas aquí presentadas fueron también aplicadas en un problema diferente y más commplejo: la imitación de una secuencia de notas musicales proporcionadas por un humano. Estas son producidas por un objeto musical virtual que es utilizado por un robot humanoide. El robot no solo aprende a utilizar este objeto, sino que también aprende sobre las limitaciones de su propio cuerpo. Ésto le permite entender mejor qué puede hacer y cómo puede hacerlo, subrayando la importancia de la influencia que el hecho de tener cuerpo tiene en la interacción del robot con su entorno y el tipo de estructuras cognitivas que se forman como consecuencia de este tipo de interacción. / The rapid evolution of robotics is promoting new robotics related research fields to emerge. Taking insights from developmental psychology, developmental robotics is a new field which aims to endow robots with capabilities that enable them to life-long learning in an open-ended way. There are situations where engineers or designers cannot foresee all the possible problems a robot may encounter. As the number of tasks that a robot must do grows, this problem becomes more evident and traditional engineering solutions may not be entirely feasible. In that case, developmental robotics provides a series of principles and guidelines to construct robots which have the adequate cognitive tools in order to acquire the necessary knowledge. Self-exploration, incremental learning, social scaffolding or imitation. All are tools which contribute to build robots with a high degree of autonomy. By means of internally motivated self-exploration, a robot discovers what its body is able to do. Incremental learning techniques enable a robot to have ready-to-use knowledge by building new cognitive structures on top of old ones. Social scaffolding and imitation capabilities allows taking advantage of what humans --- or other robots --- already know. In this way, robots have goals to pursue and provide either an end use of learned skills or examples on how to accomplish a given task. This thesis presents a study of a series of techniques which exemplify how some of those principles, applied to real robots, work together, enabling the robot to autonomously learn to perform a series of tasks. We also show how the robot, by taking advantage of active and incremental learning, is able to decide the best way to explore its environment in order to acquire knowledge that best helps in accomplishing its goals. This, in addition to the autonomous discovery of its own body limitations, leverages the amount of domain specific knowledge that needs to be put in the design of the learning system. First and foremost, we present an incremental learning algorithm for Gaussian Mixture Models applied to the problem of sensorimotor learning. Implemented in a mobile robot, the objective is to acquire a model which is capable of making predictions about future sensory states. This predictive model is reused as a representation substrate which serves to categorize and anticipate situations such as the collision with an object. After an extended period of learning, and having encountered different situations, we observed that the acquired models become quite large. However, we realized that, at any given time, only small portions of it are used. Furthermore, these areas are consistently used over relatively long periods of time. We present an extension to the standard Gaussian Mixture Regression algorithm which takes advantage of this fact in order to reduce the computational cost of inference. The techniques herein presented were also applied in a different and more complex problem: the imitation of a sequence of musical notes provided by a human. Those are produced by a virtual musical object which is used by a humanoid robot. The robot not only learns to use this object, but also learns about its own body limitations. This enables it to better understand what it is able to do and how, highlighting the importance of embodiment in the interaction of a robot with its environment and the kind of cognitive structures that are formed as a consequence of this type of interaction.
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Statistical framework for terminating evolutionary algorithms at their steady state

Roche Valles, David 24 July 2015 (has links)
El objetivo de esta tesis es de determinar la calidad de las condiciones de parada existentes para terminar un Algoritmo Evolutivo cuando llegue a su un estado estacionario. Un Algoritmo Evolutivo es una técnica iterativa basada en poblaciones de individuos e inspirada en las reglas de la evolución natural para encontrar (o explorar) el conjunto de puntos, en un espacio de búsqueda, que mejor se ajustan a una situación dada de acuerdo con una función de coste. Delante de cualquier problema, en prácticamente todas las situaciones, se necesita explorar un conjunto de posibles soluciones donde cada una de ellas se puede evaluar. Por tanto, los Algoritmos Evolutivos se pueden entender como una técnica de optimización si tenemos una función de coste que determine la bondad del ajuste. Como para cualquier técnica iterativa, es esencial disponer de un criterio de parada. En el caso de los métodos de optimización, el algoritmo habría de parase en el momento en el que ha llegado a su estado estacionario y por tanto ya no se podrán mejorar los resultados. Determinar la fiabilidad de las condiciones de parada de un algoritmo evolutivo es de gran importancia. Un criterio de parada débil o equivocado puede afectar negativamente tanto al esfuerzo computacional como al resultado final. En esta tesis introducimos un marco estadístico para determinar cuándo una condición de parada es capaz de parar el Algoritmo Evolutivo en el momento en el que llegue a su estado estacionario. Por una parte, se presenta una aproximación numérica a los estados estacionarios para detectar el momento en el cual la población de individuos del algoritmo evolutivo ha perdido su diversidad. Esta aproximación se ha aplicado a diferentes métodos de computación evolutiva que están basados en la diversidad y a una selección de funciones que cubren las propiedades más relevantes respecto a la convergencia de los algoritmos evolutivos. Los experimentos muestran que la condición presentada funciona independientemente de la dimensión del espacio de búsqueda y del perfil de la función de coste. También muestran que el método Differential Evolution (DE) figura como el mejor paradigma entre los algoritmos evolutivos para aplicar el método de parada. Por otra parte, utilizamos un modelo de regresión lineal para determinar los requisitos que aseguran que una medida derivada de la población evolutiva del algoritmo evolutivo está relacionada con la distancia al óptimo en el espacio de búsqueda. El marco teórico presentado se analiza para diferentes funciones de un conjunto de funciones marco y para dos criterios de parada estándar basados en la mejora del valor de la función de coste y en la distribución en el espacio de búsqueda de la población de individuos para cada método de los algoritmos evolutivos. Los resultados validan el marco estadístico presentado como una buena herramienta para determinar la capacidad de una medida para parar el algoritmo evolutivo y selecciona la medida basada en la distribución de la población como la más conveniente para aplicaciones en casos reales. / The goal of this Thesis is assessing the quality of existing stopping conditions for terminating Evolutionary Algorithms at its steady state. An Evolutionary Algorithm (EA) is an iterative population based technique based on natural evolution rules principles to find (or explore) in a given search space the set of point that best fits a given real situation according to a cost function. When a problem is presented in practically all situations, an exploration of a set of possible solutions is needed and for each possible solution its goodness is valuable. EAs can be viewed as an optimization technique if a function is given. As any iterative technique, a stop criterion for terminating EA numeric implementation is mandatory. In the case of optimization methods, the algorithm should stop at the time it has reached a steady state so it can not improve results anymore. Assessing the reliability of termination conditions for evolutionary algorithms is of prime importance. A wrong or weak stop criterion can negatively affect both the computational effort and the final result. In this Thesis, we introduce a statistical framework for assessing whether a termination condition is able to stop EA at its steady state. In one hand a numeric approximation to steady states to detect the point in which EA population has lost its diversity has been presented for EA termination. This approximation has been applied to different EA paradigms based on diversity and a selection of functions covering the properties most relevant for EA convergence. Experiments show that our condition works regardless of the search space dimension and function landscape and Differential Evolution (DE) arises as the best EA paradigm. On the other hand, we use a regression model in order to determine the requirements ensuring that a measure derived from EA evolving population is related to the distance to the optimum in x-space. Our theoretical framework is analyzed across several benchmark test functions and two standard termination criteria based on function improvement in function space and EA population x-space distribution for the DE paradigm. Results validate our statistical framework as a powerful tool for determining the capability of a measure for terminating EA and select the x-space distribution as the best-suited for accurately stopping DE in real-world applications.
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Estimación de la forma de un objeto deformable mediante integración de visión y tacto

Castillo Pérez, Esteban del 30 September 2013 (has links)
Desde hace varias décadas los robots industriales han demostrado su eficiencia para tareas desarrolladas en entornos perfectamente conocidos. No obstante, surgen importantes complicaciones operativas en entornos limitadamente conocidos, y esto dificulta de manera considerable su uso en muchas áreas de interés, limitando la expansión de la robótica. Esta tesis pretende aportar una pequeña contribución a este vasto problema y, para ello, focaliza su estudio sobre un problema concreto: la manipulación robotizada de objetos deformables. La operación sobre objetos rígidos no está exenta de problemas, muchos de ellos derivados de información imperfecta, pero al menos se sabe que la forma de estos objetos permanecerá inalterable cuando se los manipule. Es por ello que el trato con objetos deformables requiere abordar el problema desde una nueva perspectiva que pasa, necesariamente, por el uso de algún modelo del objeto que aporte información sobre su forma en función de la actuación del robot. Las dificultades surgen fundamentalmente por dos motivos: el modelo no es perfecto y la actuación del robot no es totalmente conocida. Esto obliga al uso de información externa con la que poder corregir ambas deficiencias, pero con ello tampoco queda resuelto el problema dado que esa nueva información tampoco es perfecta. Esta tesis aborda el problema de conseguir una buena información sobre la forma de una membrana de caucho natural fijada a una plataforma circular, cuando se la somete a una manipulación robotizada. Para ello se ha diseñado, implementado y validado el modelo exponencial de masas y muelles sobre el que se ha llevado a cabo un completo estudio del comportamiento de la membrana ante diferentes actuaciones del robot. A partir de ahí, y haciendo uso de información sensorial de fuerza, par y visión estereoscópica, se han diseñado, implementado y validado un conjunto de algoritmos de integración sensorial basados en el filtro de partículas y en la fusión probabilística, con los que se ha conseguido obtener una información de suficiente calidad como para operar debidamente. / Industrial robots have proven their efficiency for several decades, when they operate in perfectly known environments. However, significant operational complications arise in limitedly known environments, and this difficult significantively its use in many areas of interest, hindering its expansion. This thesis aims to make a small contribution to this vast problem and, for this reason, the study focuses on a specific problem: the robotic manipulation of deformable objects. The operation on rigid objects is not exempt of problems. Many of them arise from an operation with non-perfect information, but at least we know that the shape of these objects remains unchanged when they are handled. But the handling of deformable objects requires the addressing of the problem from a new perspective, which necessarily needs the use of some object model that provides shape information based on the operation of the robot. The fundamental problem arises for two reasons: the model is not perfect and the operation of the robot is not fully known. This requires the use of independent information with which to correct both deficiencies, but even so, the problem is not totally solved because the new information is not perfect. This thesis addresses the problem of getting a proper information about the shape of a natural rubber membrane attached to a circular platform, when such membrane is subjected to a robotic manipulation. To address such problem, the exponential mass-spring model has been is designed, implemented and validated. A complete study has been made about the behavior of the membrane at different operations of the robot. Thereafter, making use of information obtained from force, torque and stereoscopic vision sensors, we have designed, implemented and validated a set of sensory integration algorithms. Such algorithms are based on particle filter and the probabilistic fusion, and it have allowed to obtain an information of sufficient quality to operate properly.
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Analysis of the contribution of wind power plants to damp power system oscillations

Domínguez García, José Luis 18 September 2013 (has links)
Wind power has emerged as one of the most promising renewable energy sources. The very penetration levels of wind energy in power systems have altered several aspects of power system operation, such as system stability. Owing to the large penetration of wind power, transmission system operators (TSOs) have established special grid codes for wind farms connection. These grid codes require wind farms to provide ancillary services to the grid such as frequency and voltage regulation. In the near future, the capability of damping power system oscillations will be required. As a result of the development of such requirements, the concept of wind power plant (WPP) arises being de ned as a wind farm which is expected to behave similarly to a conventional power plant in terms of power generation, control and ancillary services. As future grid codes will require power oscillation damping contribution from wind power, the thesis is mainly focused on the analysis of the power system stabilizer (PSS) capability of wind power plants. The change produced by wind power plants based on di erent wind turbine technologies on power system small signal dynamics is analysed to determine their possible contribution to damp oscillations. The eff ect of the distance from the tie line to the wind power plant on the controller response and the influence of wind power plants proximity to synchronous generators are demonstrated to be critical factors. At this point several questions are raised as: What are the most critical factors? How can be ensure a proper contribution, at least the best possible response? Can it be ensured to be independent to the power system and the controller selected? To answer these questions, this thesis conducts research on proper selection of input-output signal pairs to damp out electromechanical oscillations using wind power plants without drawing attention to a particular control design. This is necessary conclusions about the power system independently of a particular controller. The capability to damp is an intrinsic characteristic of the system and should not be a ected by a particular controller (PSS). Firstly, di erent analysis techniques are compared, considering both controllability and observability measures and input-output interactions. This enables recommendations to be drawn so as to the selection of the the best signal pairs to damp power system oscillations considering di erent approaches, such as single-input single-output (SISO) and multivariable control (MIMO). Second, a new criterion to select the best input-output signals used by a PSS based on WPPs is presented, considering explicitly local and remote signals in the analysis. Taking into account fundamental design limitations and using controllability and observability concepts, the criterion is able to identify the most suitable pair of input-output local signals without consider any particular controller. Finally, due to the increase of wind power generation - including o shore locations - and the concept of an interconnected Pan-European network, a new o shore wind power plant AC network similar in design to the European SuperGrid \SuperNode", is analyzed. The cost e ect of choosing a nonstandard operating frequency on the o shore AC network is investigated. As the o shore AC network is isolated from onshore networks through the use of HVDC links, it may be operated in an asynchronous fashion and at a suitable frequency. The cost associated with operating the network at a fixed frequency in the range 20 to 120 Hz is investigated, focusing on the frequency-cost-scalings of electrical devices (such as cables, transformers and reactive compensation) and the related o shore infrastructures, / L'energia e olica s'ha convertit en una de les fonts d'energia renovable m es prometedores. Actualment, l'elevat nivell de penetraci o de l'energia e olica a la xarxa el ectrica ha conduï t a la modi caci o del comportament de diversos aspectes d'aquesta, com per exemple, l'estabilitat. Degut a aquesta gran penetraci o, els operadors de xarxes de transmissi o (TSOs) han establert procediments d'operaci o especials per a la connexi o de grans parcs e olics. Aquests codis requereixen als parcs elics que realitzin serveis auxiliars al sistema el ectric com, per exemple, la regulaci o de freqü encia i la regulaci o de la pot encia reactiva. En un futur proper, la capacitat dels parcs e olics per esmorteir les oscil lacions del sistema de pot encia es requerir a (en l'actualitat ja existeixen esborranys de nous procediments d'operaci o que ho inclouen). A causa d'aquest requeriments, el concepte de central de generaci o d'energia e olica es de neix com un parc e olic que s'espera que es comporti de manera similar a una central de generaci o el ectrica convencional en termes de poder realitzar tasques tals com generaci o, control i serveis auxiliars. Ja que un futur requeriment dels operadors de xarxa ser a la contribuci o de l'energia e olica en l'esmorteiment de les oscil lacions de pot encia, en aquesta tesi s'estudia la capacitat de les centrals e oliques per actuar com estabilitzador dels sistemes el ectrics de pot encia. A m es a m es, s'analitza l'efecte de les centrals d'energia e olica al comportament din amic del sistema el ectric considerant l'estabilitat de petita senyal, per a determinar quina podr a ser la possible contribuci o proporcionada per aquestes tecnologies. S'ha estudiat que l'efecte de la dist ancia des d'el punt de connexi o amb la central d'energia e olica a la resposta del control estabilitzant i la influ encia de la proximitat de les centrals e oliques als generadors s ncrons s on factors cr tics. D'aquest fet surgeixen algunes preguntes com: Es aquest el factor m es cr tic? Com es pot assegurar una contribuci o adequada, si m es no la millor resposta possible, per ajudar a estabilitzar el sistema el ectric? Es poden asegurar quina ser a la contribuci o a l'estabilitat del sistema el ectric independentment de la xarxa i l'esquema de control escollit? Per respondre a aquestes preguntes, aquesta tesi ha realitzat investigacions sobre l'adequada selecci o de parells de senyals d'entrada-sortida per esmorteir les oscil lacions electromec aniques amb centrals e oliques evitant dissenyar el controlador i propossant met odes f acilment adaptables a qualsevol sistema el ectric. En primer lloc, s'han comparat diferents t ecniques d'an alisi tenint en compte tant les mesures de controlabilitat i observabilitat com les interaccions entre les senyals d'entrada i sortida. D'aquesta comparaci o, certes recomanacions es donen a l'hora de seleccionar els millors parells de senyals per esmorteir les oscil lacions del sistema el ectric de pot encia considerant diferents esquemes de control com ara entrada unica sortida unica (SISO) i control multivariable (MIMO). En segon lloc, s'ha proposat un nou criteri per seleccionar les senyals d'entrada i sortida utilitzades per un control estabilitzador per centrals d'energia e olica. On, a difer encia amb anteriors met odes de selecci o proposats, el criteri presentat considera expl citament tant senyals locals com senyals remotes dins el seu an alisi. Aquest criteri es capa c d'identi car la parella de senyals locals d'entrada i sortida m es adequada sense realitzar el disseny del controlador, considerant tant les limitacions fonamentals del disseny del controlador imposades per el sistema com els conceptes de controlabilitat i observabilitat. Finalment, a causa del augment de la generaci o d'energia e olica, principalment en localitzacions marines, i al concepte d'una xarxa el ectrica comuna Pan-Europea, s'ha realitzat l'an alisi d'un nou concepte de xarxa en corrent altern (AC) dins de les centrals d'energia e olica marina, amb un disseny similar al concepte investigat a la Super-Xarxa Europea \Supernode". En aquest treball s'ha investigat l'efecte que t e en els costos la tria una freqüencia nominal d'operaci o no est andard en dita xarxa en corrent altern. La xarxa en AC que es forma entre les turbines e oliques i el convertidor de transmissi o es aï llada tant de les xarxes terrestres per l' us d'enlla cos en corrent continu (HVDC) com de la pr opia de les turbines per el convertidor que porten incorporat. Aquest fet implica que aquesta xarxa pot ser operada sense sincronitzar a qualsevol freqüencia. En aquesta tesi, s'ha estudiat quin es el cost associat amb l'operaci o de la xarxa a una freqü encia fi xa dins del rang de 20-120 Hz, focalitzant principalment en l'escalat del costos dels diferents elements el ectrics (com ara cables, transformadors i compensaci o reatviva i infraestructures necessaris en instal lacions marines respecte la freqüencia.
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Power converter optimal control for wind energy conversion systems

Trilla Romero, Lluís 15 November 2013 (has links)
L'energia eòlica ha incrementat la seva presència a molts països i s'espera que tingui encara un pes més gran en la generació elèctrica amb la implantació de la tecnologia eòlica marina. En aquest context el desenvolupament de models dels Sistemes de Generació per Turbina de Vent (SGTV) precisos és important pels operadors de xarxa per tal d'avaluar-ne el comportament. Els codis de xarxa ofereixen un seguit de normes per validar models amb dades obtingudes de proves de camp. A la primera part d'aquesta tesi un model de SGTV amb màquina d'inducció doblement alimentada (DFIG) és validat d'acord amb les normatives espanyola i alemanya. Avui dia molts parc eòlics utilitzen DFIG i, en conseqüència, les dades de camp disponibles son per aquesta tecnologia. Per a la indústria eòlica marina un avanç prometedor son els SGTV amb generadors síncrons d'imants permanents (PMSG). Per aquesta raó la segona part d'aquesta tesi es centra en SGTV basats en PMSG amb convertidor back-to-back de plena potència. Aquest convertidor es pot dividir en dues parts: el costat de xarxa (GSC) que interactua amb la xarxa elèctrica i el costat de màquina (MSC) que controla el generador. En general, el sistema de control del convertidor recau en els tradicionals controladors PI i, en ocasions, incorpora desacoblaments per reduir les influencies creuades entre les variables. Aquest controlador pot ser sintonitzat i implementat fàcilment donat que la seva estructura és simple, però, no presenta una resposta ideal donat que no aprofita tots els graus de llibertat disponibles en el sistema. És important desenvolupar controladors fiables que puguin oferir una resposta previsible del sistema i proveir robustesa i estabilitat. En especial per zones on la presència eòlica és gran i per parcs eòlics connectats a xarxes dèbils. En aquest treball es proposa un sistema de control pel convertidor basat en teoria de control H-infinit i en controladors Lineals amb Paràmetres Variants (LPV). La teoria de control òptim proveeix un marc de treball on més opcions es poden tenir en consideració a l'hora de dissenyar el controlador. En concret la teoria de control H-inifinit permet crear controladors multivariables per tal d'obtenir una òptima resposta del sistema, proveir certa robustesa i assegurar l'estabilitat. Amb aquesta tècnica durant la síntesi del controlador el pitjor cas de senyals de pertorbació és contemplat, d'aquesta manera el controlador resultant robustifica l'operació del sistema. Es proposa aquest control per al GSC posant especial èmfasi en obtenir un control de baixa complexitat que mantingui els beneficis d'aplicar la teoria de control òptim i faciliti la seva implementació en computadors industrials. Pel MSC es proposa una estratègia diferent basada en control LPV donat que el punt d'operació del generador canvia constantment. El sistema de control basat en LPV és capaç d'adaptar-se dinàmicament al punt d'operació del sistema, així s'obté en tot moment la resposta definida durant el procés de disseny. Amb aquesta tècnica l'estabilitat del sistema sobre tot el rang d'operació queda garantida i, a més, s'obté una resposta predictible i uniforme. El controlador està dissenyat per tenir una estructura simple, com a resultat s'obté un control que no és computacionalment exigent i es proveeix una solució que pot ser utilitzada amb equips industrials. S'utilitza una bancada de proves que inclou el PMSG i el convertidor back-to-back per tal d'avaluar experimentalment l'estratègia de control dissenyada al llarg d'aquest treball. L'enfoc orientat a la implementació dels controls proposats facilita el seu ús amb el processador de senyals digitals inclòs a la placa de control de la bancada. Els experiments realitzats verifiquen en un ambient realista els beneficis teòrics i els resultats de simulació obtinguts prèviament. Aquestes proves han ajudat a valorar el funcionament dels controls en un sistema discret i la seva tolerància al soroll de senyals i mesures / Wind energy has increased its presence in many countries and it is expected to have even a higher weight in the electrical generation share with the implantation of offshore wind farms. Consequently, the wind energy industry has to take greater responsibility towards the integration and stability of the power grid. In this sense, there are proposed in the present work control systems that aim to improve the response and robustness of the wind energy conversion systems without increasing their complexity in order to facilitate their applicability. In the grid-side converter it is proposed to implement an optimal controller with its design based on H-infinity control theory in order to ensure the stability, obtain an optimal response of the system and also provide robustness. In the machine-side converter the use of a Linear Parameter-Varying controller is selected, this choice provides a controller that dynamically adapts itself to the operating point of the system, in this way the response obtained is always the desired one, the one defined during the design process. Preliminary analysis of the controllers are performed using models validated with field test data obtained from operational wind turbines, the validation process followed the set of rules included in the official regulations of the electric sector or grid codes. In the last stage an experimental test bench has been developed in order to test and evaluate the proposed controllers and verify its correct performance.
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Exploiting spatio-temporal correlations for energy management policies

Martínez Huerta, Borja 05 May 2015 (has links)
Estamos viviendo una nueva era, caracterizada por la omnipresencia de dispositivos inteligentes conectados a la red. En esta era, la emergencia de la llamada Internet of Things (IoT) está transformando profundamente la industria a nivel global, así como la propia vida de los seres humanos. El grado de integración alcanzado, así como su conectividad a través de internet, ha permitido que millones de dispositivos se conecten e interactúen a una escala sin precedentes. Esta diseminación generalizada de dispositivos con potencial de procesado, combinada a su capacidad sensora y comunicativa, está incrementando de forma extraordinaria el volumen de datos capturados. Como consecuencia de la expansión de la IoT, el número de dispositivos conectados esta aumentando exponencialmente y pronto ha de generar un problema de escalabilidad, problema muy ligado a su dependencia energética. Un buen número de dispositivos quedarán integrados en el entorno, en lugares inaccesibles o cuya conexión por cable suponga un coste elevado, convirtiendo la energía en un recurso muy preciado. De hecho, el cambio de baterías de miles de dispositivos es simplemente inconcebible. El coste de mantenimiento y, en general, de cualquier intervención, puede suponer un severo freno al avance de este nuevo paradigma. Por tanto, uno de los retos para hacer sostenible la masiva expansión de dispositivos sensores inalámbricos es reducir su coste en términos energéticos. Claramente, se requieren nuevos métodos para afrontar este cambio. Las correlaciones espacio-temporales son esenciales en muchos campos y, por tanto, es bastante razonable suponer que la información de contexto pueda ser también explotada en este paradigma. Partiendo de esta hipótesis, el presenta trabajo ofrece una aproximación sistemática para definir Políticas de Eficiencia Energética para dispositivos sensores inalámbricos, basada en el análisis de las Correlaciones Espacio-Temporales. Sobre esta idea, esta tesis se estructura en dos partes. En primer lugar se aborda la necesidad de un perfilado energético suficientemente preciso para sensores inalámbricos. Para este fin, se ha formalizado un modelo general de consumo que permite perfilar la gestión de energía en dispositivos integrados. Los resultados obtenidos remarcan la importancia de entender los ciclos de actividad involucrados en las tareas que ejecutan este tipo de dispositivos. La segunda parte, desarrollada en base a éste modelo, demuestra el potencial que ofrece el análisis de correlaciones espacio-temporales como herramienta para definir políticas eficientes de gestión. Esta hipótesis se ha investigado desde tres perspectivas diferentes: a) captación de la energía del entorno, b) compresión de la información y c) análisis de datos de contexto. El análisis realizado y las políticas definidas desde estas tres perspectivas proporcionan importantes reducciones tanto en términos energéticos como de coste. Como conclusión, todos los métodos estudiados han demostrado su validez en la definición y validación de políticas energéticas. Las estrategias propuestas pueden ser de gran ayuda para los ingenieros de aplicación, ya que permiten parametrizar las plataformas y explorar sus diseños en las primeras fases de desarrollo. De esta forma se puede reducir el tiempo de acceso al mercado, a la vez que se asegura un balance óptimo entre coste, funcionalidad y tiempo de vida. / We are living in a new era, which is characterized by the omnipresence of smart, networked devices. The developing Internet of Things is profoundly transforming both global industry and human lives. Hardware integration, along with the ability to seamlessly communicate over the internet, has allowed millions of embedded objects to connect and interact on an unprecedented scale. The ubiquitous presence of embedded computing devices, combined with their sensing and communicating capabilities, is increasing the amounts of data captured on a massive scale. As a result of the expanding IoT, the number of connected devices is increasing exponentially and will soon generate a problem of scalability, related mostly to their energy dependence. Many devices will be embedded in the environment, in places that are inaccessible or expensive to connect with wires, making them resource-constrained. Most importantly, battery replacements for thousands of devices are inconceivable. Maintenance and intervention costs can limit the advance of this new paradigm. Therefore, one of the challenges in ensuring the massive expansion of wireless sensing devices is reducing their cost in terms of energy. Clearly, novel methods are required for addressing this change. Spatio-temporal correlations are essential in many different fields. Thus, it is quite reasonable to assume that contextual information can be exploited within this emerging paradigm. Under this hypothesis, the present study provides a systematic approach to defining Energy Efficiency Policies for Wireless Sensor Devices, based on the analysis of Spatio-Temporal Correlations. To this end, the present work is structured in two parts. First, we address the necessity of an accurate energy profiling model for wireless sensing devices. We have formalized a generic consumption model to profile the energy utilization of low-power embedded devices. The obtained results stress the importance of understanding the cycles of operation involved in embedded tasks. The second part of this dissertation demonstrates the applicability of spatio-temporal correlation analysis as a tool for defining energy efficiency policies. This hypothesis has been investigated from three different perspectives: a) energy harvesting, b) data compression and c) contextual data analysis. The correct analysis and policy definition from these three perspectives provides important energy and cost reduction opportunities. In conclusion, all the studied methods proved to be effective for defining and validating energy policies. The proposed strategies help designers to parameterize and customize platforms for their application during the design phases, and hence the time-to-market of new products is reduced while an optimal tradeoff is ensured among cost, functionality and life expectancy.
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Social robot navigation in urban dynamic environments

Ferrer Mínguez, Gonzalo 30 October 2015 (has links)
Deploying mobile robots in social environments requires novel navigation algorithms which are capable of providing valid solutions in such challenging scenarios. The main objective of the present dissertation is to develop new robot navigation approaches able to solve in an intelligent way the navigation problem in urban settings while considering at the same time the interactions with pedestrians, similar to what people easily do with little attention. Before studying in depth navigation algorithms, this thesis focuses on prediction algorithms to provide a more detailed model of the scene. Understanding human motion in outdoor and indoor scenarios is an appealing requirement to characterize correctly urban settings. Urban environments consist essentially of static obstacles and people, which are treated as dynamic and highly uncertain obstacles. Accordingly, it is mandatory to calculate people's intentions in order to successfully build a human prediction model that generates the corresponding human trajectories and considers their interactions with the environment, such as other pedestrians, static obstacles or even robots. It is of great interest that service robots can navigate successfully in typical urban environments, which are dynamic and constrained. In addition, people's behavior should not be conditioned by the presence and the maneuvering of robots. To this end, the robot navigation should seek to minimize its impact on the environment, in our case, on people. This thesis proposes new robot navigation methods that contemplate the social interactions taking place in the scene. In order to procure more intelligence to the navigation algorithm, we propose to integrate seamlessly the human motion prediction information into a new robot planning approach. Real experimentation is essential for the validation of the navigation algorithms. As there are real people involved, we must validate the results in real settings since simulation environments have limitations. In this thesis, we have implemented all the prediction and navigation algorithms in our robotic platform and we have provided plenty of evaluations and testings of our algorithms in real settings. / Ubicar robots móviles en entornos sociales requiere novedosos algoritmos de navegación que sean capaces de aportar soluciones válidas en éstos exigentes escenarios. El prinicipal objetivo de la presente disertación es el de desarrollar nuevas soluciones para la navegación de robots que sean capaces de resolver, de una manera más inteligente, los problemas de navegación en emplazamientos urbanos, a la vez que se consideran las interacciones con los transeúntes de manera similar a lo que la gente hace fácilmente prestando poca atención. Antes de estudiar en profundidad los algoritmos de navegación, esta tesis se centra en los algoritmos de predicción para proporcionar un modelo más detallado de la escena. Entender el movimiento humando en entornos exteriores e interiores es un requerimiento deseable para caracterizar correctamente emplazamientos urbanos. Los entornos urbanos están consistituídos por muchos objetos dinámicos y altamente impredecibles, la gente. Por lo tanto, es obligatorio calcular las intenciones de la gente para constriur de manera exitosa un modelo de predicción humano que genere las correspondientes trayectorias humanas y considere sus interacciones con el entorno, como otros peatones, obstáculos estáticos o incluso robots. Es de gran interés que los robots de servicios puedan navegar correctamente en entornos típicamente urbanos, que son dinámicos y acotados, además de que el comportamiento de las personas no debería estar condicionado por la presencia y las maniobras de los robots. Con este fin, la navegación de robots debe buscar minimizar su impacto al entorno, en nuestro caso, a la gente. Esta tesis propone nuevos métodos para la navegación de robots que contemplen las interacciones sociales que suceden en la escena. Para proporcionar una navegación más inteligente, proponemos integrar de manera suave el algoritmo de predicción del movimiento humano con un nuevo enfoque de planificación de trayectorias. La experimentación real es esencial para la validación de los algoritmos de navegación. Ya que hay personas reales implicadas, debemos validar los resultados en emplazamientos reales porque el entorno de simulación tiene limitaciones. En esta tesis hemos implementado todos los algoritmos de predicción y de navegación en la plataforma robótica y hemos proporcionado multitud de evaluaciones y pruebas de nuestros algoritmos en entornos reales.
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Membrane protein nanoclustering as a functional unit of immune cells : from nanoscopy to single molecule dynamics

Torreño Piña, Juan Andrés 02 October 2015 (has links)
State-of-the-art biophysical techniques featuring high temporal and spatial resolution have allowed for the first time the direct visualization of individual transmembrane proteins on the cell membrane. These techniques have revealed that a large amount of molecular components of the cell membrane do not organize in a random manner but they rather grouped together forming so-called clusters at the nanoscale. Moreover, the lateral behavior of these clusters shows a great dependence on the compartmentalization of the cell membrane by, e.g., the actin cytoskeleton at multiple temporal and spatial scales. Since these lateral and temporal organizations have been shown to be crucial for the regulation of the biological activity by these transmembrane proteins, the understanding of the spatiotemporal behavior of membrane receptors, and of proteins in general, is a necessary step towards understanding the biology of the cell. Protein nanoclustering and membrane compartmentalization have been shown to play a crucial role on leukocytes, particularly on the surface of antigen presenting cells. Hence, the direct visualization of membrane proteins on the cell membrane of antigen presenting proteins represents a crucial step in understanding how an immune response can be controlled by leukocytes at the molecular level. In Chapter 1, the immune system, the membrane receptor DC-SIGN and the antigen presenting protein CD1d are briefly introduced. Moreover, recent advances in superresolution microscopy and single particle tracking techniques which allow the study of membrane proteins at the nanoscale are discussed. Finally, an updated review of protein nanoclustering on the cell membrane shows examples of the importance of protein nanoclustering in regulating biological function in the immune system. Chapter 2 presents the quantitative methodology for analyzing STED nanoscopy images and multi-color single particle tracking data used throughout this thesis. Chapter 2 also describes the single-molecule fluorescence sensitive microscopes implemented in this thesis for multi-color single particle tracking experiments and the corresponding data analysis. At the end of Chapter 2, cartography maps combining high temporal with micron-scale spatial information on the basis of single-molecule detection are presented. The following chapters in this thesis describe the major results obtained on two important receptors of the immune system. In Chapter 3, we address the role of the neck region of DC-SIGN in fine-tuning the nanoclustering degree of DC-SIGN on the cell membrane. Moreover, Chapter 3 also links the nanoclustering capability of DC-SIGN with its virus binding capability. The meso-scale organization of DC-SIGN and its dependence on a glycan-based connectivity is addressed on Chapter 4. This glycosylation network enhances the interaction between DC-SIGN and clathrin beyond stochastic random encountering. In Chapter 5, we showed that DC-SIGN shows subdiffusive behavior and weak ergodicity breaking (wEB) that cannot be described using the continuous time random walk (CTRW) model. Instead, our data are more consistent with a model in which the plasma membrane is composed of "patches" that change in space in time. In Chapter 6, we demonstrate that the antigen presenting protein CD1d organizes in nanoclusters on the cell membrane of antigen presenting cells whose size and density are tightly controlled by the actin cytoskeleton. Moreover, we also showed that this cytoskeletal control of the CD1d nanoclustering predominantly occurs on the pool of CD1d that has undergone lysosomal recycling, including under inflammatory conditions. Finally, in Chapter 7 we summarize the main results of this thesis and highlight future experiments that will expand the knowledge obtained so far regarding the role of plasma membrane organization and biological regulation. / Gracias a su alta resolución temporal y espacial, las técnicas biofísicas de última generación han permitido la observación directa de proteínas de transmembrana de forma individual en la membrana celular. Estas técnicas han mostrado que la organización de una gran parte de las proteínas de transmembrana no es aleatoria sino que éstas están agrupadas en la membrana celular formando nano-agregados, o "clusters". En el caso concreto del sistema inmune, se ha demostrado que el agrupamiento de proteínas y los compartimentos de la membrana celular juegan un papel determinante en las células presentadoras de antígenos a la hora de controlar la iniciación de una respuesta inmune. Por tanto, la visualización directa de proteínas de membrana en células presentadoras de antígenos a la escala nanométrica representa un paso crucial en el entendimiento del sistema inmune y en un futuro desarrollo de terapias basadas en el sistema inmune humano. En el primer capítulo de esta tesis, se presentará al lector una breve introducción del sistema inmune y una descripción general de las dos proteínas que se han estudiado extensivamente en esta tesis: el receptor reconocedor de patógenos DC-SIGN y la proteína presentadora de antígenos glicolipídicos CD1d. Se discutirán además los últimos avances en técnicas de microscopía de fluorescencia con alta resolución temporal y espacial que permiten el estudio de proteínas a la escala nanométrica. Finalmente, el primer capítulo concluye con una revisión de los últimos avances en la caracterización de la organización lateral de proteínas de membrana mostrando cómo dicha organización determina la función biológica de estas proteínas. En el capítulo 2, se presentan los distintos tipos de metodología utilizados en esta tesis para cuantificar imágenes de microscopía de super-resolución STED así como para analizar datos provenientes del seguimiento de partículas individuales usando varios colores. Al final del capítulo 2 se presenta una nueva metodología desarrollada en esta tesis que permite el estudio lateral de proteínas de membrana con una alta resolución temporal y una escala espacial de orden de micras y a la que hemos denominado mapas cartográficos. Los siguientes capítulos de esta tesis se enfocan en el estudio de dos importantes proteínas involucradas en el sistema inmune. En el capítulo 3 se describe como la parte central de la estructura del receptor captador de patógenos DC-SIGN determina su grado de nano-agrupamiento sobre la membrana celular. A su vez, este agrupamiento tiene una incidencia clave en la capacidad de DC-SIGN en unirse a partículas virales. La organización de DC-SIGN a la escala mesoscópica y la dependencia de dicha organización de una conectividad en la membrana celular basada en la glicosilación de proteínas es descrita en el capítulo 4. En el capítulo 5 descubrimos que DC-SIGN tiene un comportamiento que no solo es sub-difusivo en la membrana celular sino que también conlleva a la ruptura de ergodicidad por parte de este receptor. Esta rotura de ergodicidad no puede ser descrita por el modelo "continous time random walk" (CTRW) sino por un modelo nuevo donde la difusión de la partícula cambia constantemente en el espacio y en el tiempo. En el capítulo 6 de esta tesis describimos como la molécula CD1d forma nano-agrupamientos en la membrana celular cuyo tamaño y densidad son controlados por el citoesqueleto de actina. Además, observamos que dicho control mayoritariamente sucede cuando CD1d ha sido reciclado a través de compartimentos lisosomales, incluyendo procesos inflamatorios. Finalmente, en el capítulo 7 se discuten las conclusiones generales de esta tesis y se sugieren experimentos a futuro de manera de incrementar, en base a los resultados obtenidos en esta tesis, nuestro conocimiento de la membrana celular y el papel que la organización espacial y temporal juega en el control del sistema inmune.
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Simultaneous localization and mapping using single cluster probability hypothesis density filters

Lee, Chee Sing 01 September 2015 (has links)
The majority of research in feature-based SLAM builds on the legacy of foundational work using the EKF, a single-object estimation technique. Because feature-based SLAM is an inherently multi-object problem, this has led to a number of suboptimalities in popular solutions. We develop an algorithm using the SC-PHD filter, a multi-object estimator modeled on cluster processes. This algorithm hosts capabilities not typically seen with feature-base SLAM solutions such as principled handling of clutter measurements and missed detections, and navigation with a mixture of stationary and moving landmarks. We present experiments with the SC-PHD SLAM algorithm on both synthetic and real datasets using an autonomous underwater vehicle. We compare our method to the RB-PHD SLAM, showing that it requires fewer approximations in its derivation and thus achieves superior performance. / En aquesta tesis es desenvolupa aquest algoritme a partir d’un filtre PHD amb un únic grup (SC-PHD), una tècnica d’estimació multi-objecte basat en processos d’agrupació. Aquest algoritme té unes capacitats que normalment no es veuen en els algoritmes de SLAM basats en característiques, ja que és capaç de tractar falses característiques, així com característiques no detectades pels sensors del vehicle, a més de navegar en un entorn amb la presència de característiques estàtiques i característiques en moviment de forma simultània. Es presenten els resultats experimentals de l’algoritme SC-PHD en entorns reals i simulats utilitzant un vehicle autònom submarí. Els resultats són comparats amb l’algoritme de SLAM Rao-Blackwellized PHD (RB-PHD), demostrant que es requereixen menys aproximacions en la seva derivació i en conseqüència s’obté un rendiment superior.

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