Communication networks increase flexibility of industrial monitoring, supervisory and control systems. However, they introduce delays or even dropouts on the transmitted information that affect the performance and robustness on the decision and control mechanisms in the system. This thesis contributes theoretically to the state estimation and fault diagnosis problem over networks. First, we study the state estimation problem. Motivated by reducing the implementation computational load of Luenberger-type estimators, we focus on predefined gain approaches for different network transmission conditions. In general, we propose jump estimators whose gains are related to the different network-induced data reception scenarios. We define the estimator complexity in terms of the number of different stored gains. Considering constant successful transmission probabilities, our main contribution here is the design of jump linear estimators to attain favorable trade-offs between estimation performance and estimator complexity. We show that one can reduce the estimator complexity while guaranteeing a similar performance than the optimal Kalman Filter. When dropouts are governed by a non-stationary stochastic process, the successful transmission probability is time-varying and may be unknown. For this case, we propose an estimator whose gains are scheduled in real-time with rational functions of the estimated packet arrival rate. We turn the design procedure into an optimization problem over polynomials that is numerically solved employing sum-of-squares (SOS) decomposition techniques. Second, motivated by reducing the network resource consumption without considerably degrading the estimation performance, we study the jointly design of jump linear estimators and predefined network operation conditions (co-design) to guarantee a favorable trade-off. Focusing on wireless networks with self-powered nodes, where transmitting is the most energy consuming task, we analyze two approaches for the network operation: event-based transmissions and power control. For the event-based approach, we use a Send-on-Delta protocol which reduces the number of transmissions with respect to transmitting at each sampling instant. However, it leads to an unknown successful transmission probability. For this framework, we contribute by characterizing this uncertainty and including it on the stochastic behavior of the estimator by means of a SOS-based design. Power control strategies are developed over a multi-hop wireless network with fading channels. Instead of reducing the number of transmission, power control acts directly on the transmission power. Higher transmission powers imply higher successful transmission probability values. Finally, motivated by the need of assuring a reliable operation of the networked system, we study the fault diagnosis problem. We explore and point out the trade-offs between fast fault detection and fault tracking conditions. We design jump estimatorbased fault diagnosers in which we can specify the minimum detectable faults, false alarm rate and response time to faults. Another contribution is a tightened version of existing false alarm rate bounds. Moreover, we also address the case when the control input is transmitted through a network without delivery acknowledgement. In this case, we improve fault diagnosisaccuracy by scheduling in real time the estimator jumping gains with rational functions that depend on a statistic of the control input error (difference between the control command being applied in the process and the one being used in the estimator). Again, we use a SOS-based solution approach to make the design problem tractable.

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En esta Tesis Doctoral se presenta una arquitectura para el control visual de robots manipuladores embebida en FPGA. El objetivo fundamental de esta arquitectura es obtener una plataforma hardware y software en la que implementar controladores visuales dinámicos. Además, en la Tesis se presentan distintas contribuciones entre las que se encuentra tanto la propia arquitectura como los distintos controladores implementados y las optimizaciones de los mismos. La mayoría de los sistemas de control visual basados en imagen implementados hasta la actualidad son controladores visuales indirectos en los que la acción de control está formada por las velocidades articulares o en el espacio de la tarea a aplicar al robot para conseguir su posicionado respecto a un objeto observado. El control directo de los motores de cada articulación del robot se deja en este caso en manos del controlador interno del robot, que traducirá esas velocidades en pares articulares. En esta Tesis se trata fundamentalmente el caso de sistemas de control visual directo basados en imagen para el seguimiento de trayectorias. En este caso, la acción de control es ya directamente un vector de pares articulares, con el propósito de seguir una trayectoria previamente especificada en el espacio de la imagen. Un aspecto fundamental a la hora de mejorar el desempeño de este tipo de controladores es reducir su latencia y, para abordar este objetivo, se ha realizado el diseño, construcción, implementación y programación de la arquitectura hardware y software necesaria para dar soporte a los controladores propuestos. En la Tesis se describe en detalle una arquitectura embebida reconfigurable para el control visual dinámico de robots manipuladores basada en FPGA. Esta arquitectura puede ser fácilmente adaptada para el control de cualquier robot articular sin más que modificar ciertos módulos dependientes del hardware. La arquitectura propuesta es modular y flexible para poder adaptarse a posibles cambios que puedan producirse como consecuencia de la incorporación o modificación del driver de control, o incluso a cambios en la configuración del sistema de adquisición de datos o su control. Se ha prestado especial atención a la optimización e implementación paralela en la FPGA tanto de los controladores como los sistemas de visión artificial utilizados en la realimentación del bucle de control. Se ha optimizado cada uno de los cálculos necesarios para implementar un sistema de control visual directo basado en imagen. Se ha estudiado su paralelización y su implementación basada en FPGA Además, respecto a los sistemas de visión artificial, se propone el diseño de un cauce segmentado, que permite ejecutar en tiempo real el flujo de datos proporcionado por el digitalizador. De esta manera, la FPGA realiza el procesamiento tal como van llegando los píxeles para segmentar la imagen y etiquetar los objetos de la escena para posteriormente obtener su centroide que constituirán las características visuales empleadas por los controladores visuales directos propuestos. En estos grandes rasgos se encuadra la Tesis Doctoral, sin embargo, no sólo se ha pretendido aportar nuevos algoritmos para evitar las limitaciones de los existentes, sino que se ha evaluado el impacto de los mismos para su implantación en entornos reales. Así, se ha realizado la implementación de los distintos controladores empleando la arquitectura software y hardware propuesta para el control de dos robots. Un robot industrial comercial de 7 grados de libertad: Mitsubishi PA10, y otro robot de 3 grados de libertad cuyo diseño e implementación se ha realizado en el grupo de investigación en el que se ha desarrollado la Tesis.

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Ayuda a la investigación en la convocatoria de 2000 en el apartado II. Apoyo a la investigación. II.4. Tesis doctorales. (re.847 m) del Instituto Alicantino de Cultura Juan Gil-Albert (Diputación Provincial de Alicante)

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La presente Tesis Doctoral se orienta en el estudio e investigación de la extensión de las operaciones morfológicas a imágenes en color. El campo de aplicación concreto se centra en las transformaciones geodésicas vectoriales. Para la extensión del procesamiento morfológico a imágenes en color se realiza un estudio de las diferentes estrategias de ordenación vectorial y su interacción con la familia de espacios HSI. Se presentan diferentes métodos de orden y se muestra como la ordenación lexicográfica se adapta perfectamente al mapa de valores HSI. Se desarrolla un nuevo método de ordenación vectorial, basado en el concepto lexicográfico, que permite flexibilizar la rigidez del método de orden anterior y lograr así una transición entre diferentes orientaciones del retículo (intensidad o matiz). En la adecuación de la familia de espacios cromáticos HSI para procesamiento de imágenes se trata la indefinición del matiz. En particular, se desarrolla un algoritmo que, en base a un umbral de saturaciones, decide el cambio de prioridades en la ordenación lexicográfica cuando el matiz no sea significativo. En relación a las transformaciones geodésicas, se analizan minuciosamente los aspectos teóricos de las operaciones geodésicas implementadas en mapas cromáticos vectoriales. Asimismo, se comprueba el cumplimento de sus propiedades gracias al mantenimiento de un mismo criterio de orden vectorial en todas las operaciones, tanto morfológicas, como de minimización o maximización de funciones. La eficiencia de estas operaciones se ha comprobado en aplicaciones de segmentación, eliminación de brillos o atenuación de ruido. / This Doctoral Thesis focuses on the research and study of the extension of morphological operations to colour images. The field of its precise application is vectorial geodesic transformations. For the extension of morphological processing to colour images, a study of the vectorial ordering of strategies and their interaction with the HSI family spaces is carried out. Different methods of ordering are presented and the way the lexicographical ordering is adapted perfectly to the map of HSI values is shown. A new method of vectorial ordering is developed, based on the lexicographical concept, which affords a flexibility of this rigid method of ordering, thus achieving a transition between different orientations of the lattice (intensity or hue). In the adaptation of the family of HSI chromatic spaces for the processing of images, the undefined hue is studied. In particular, we develop un algorithm which, based on a saturation threshold, decides on the change in priority in the lexicographical ordering when the hue is not significant. Regarding the geodesic transformations, the theoretical aspects of the geodesic operations implemented in vectorial chromatic maps are analized in detail. Likewise, the goodness of their properties is proven, thanks to the maintaining of a single vectorial order criterion in all of the operations, not only morphological, but the minimization or maximization of functions as well. The efficiency of these operations has been proven in segmentation applications, the elimination of brigthness or the reduction of noise.

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