Compañías mineras están en búsqueda constante de nuevas tecnologías para aumentar su productividad. Una de las tecnologías que les permite realizar la reconstrucción de la superficie sin poner en riesgo la vida de sus trabajadores es el uso de sensores LiDAR junto con plataformas móviles que les permiten rotar el sensor para realizar un escaneo completo de la estructura. Sin embargo, el procesamiento de los datos se realiza a través de ordenadores situados fuera de la mina, debido a su alto coste computacional, lo que se traduce en un alto coste de tiempo. En esta tesis presento como objetivo principal el diseño de un algoritmo paralelo para la fusión de nubes de puntos capturadas por un LiDAR y la reconstrucción de la superficie en tiempo real, con el fin de reducir el tiempo de procesado, teniendo en cuenta información a priori del patrón de barrido de los puntos. En la literatura se pueden encontrar algoritmos para la reducción de la densidad de puntos, sin embargo, en esta tesis, propongo la idea de suprimir estos puntos basándome en el principio de que la etapa de registro entre cada escaneo puede ser obtenida por un sistema de medición correctamente establecido, por lo tanto, no es necesario utilizar ningún algoritmo ICP. Además, a diferencia de los algoritmos genéricos de reconstrucción de superficies, propongo un nuevo algoritmo que utiliza la información a priori del sistema de escaneo que permite obtener la reconstrucción triangular en un tiempo menor al tiempo de escaneo del LiDAR. Este algoritmo se implementará en un ordenador desktop con el uso de GPUs proporcionadas por NVIDIA para evaluar su rendimiento y, también, se implementará en una Jetson Nano con datos de una mina socavón real. Finalmente, proporcionaré algunas recomendaciones y consideraciones a tener en cuenta en las etapas de evaluación del algoritmo secuencial, codificación del algoritmo paralelo e implementación en GPUs. / Mining companies are constantly searching for new technologies in order to increase their productivity. One of the technologies that allow them to perform surface reconstruction without risking the lives of their workers is the use of LiDAR sensors in conjunction with mobile platforms that allow them to rotate the sensor to perform a full scan of the structure. However, the data processing is done through computers located outside the mine, due to its high computational cost, resulting in a high cost of time. This thesis presents as principal objective the design of a parallel algorithm for the fusion of point clouds captured by a LiDAR and the surface reconstruction in real-time, in order to reduce the time processing, taking into account a priori information of the scanning pattern of the points. Algorithms for point density reduction can be found in the literature, however, in this thesis these points are suppressed based on the principle that the registration stage between each scan can be obtained by a measurement system properly stablished, therefore, it is not necessary to use any ICP algorithm. Also, unlike the generic surface reconstruction algorithms, a new algorithm that uses the a priori information of the scanning system is proposed and allows to obtain the triangular mesh in real-time in comparison to the LiDAR scanning time. This algorithm will be implemented in a desktop computer with the use of GPUs provided by NVIDIA to evaluate its performance and, also, will be implemented in a Jetson Nano with real data. Finally, some recommendations and considerations are provided to be taken into account in the stages of evaluation of the sequential algorithm, coding of the parallel algorithm and implementation on GPUs.

Debido al cambio continuo en la industria de la música, específicamente en la industria de la música electrónica, lo que siempre se ha buscado es innovar; esto ha sido posible gracias al crecimiento de la tecnología que ha brindado nuevas posibilidades de componer música y hacer performances en vivo. Sin embargo, lo que el performer también busca son nuevas maneras de interactuar con su audiencia en una performance en vivo, ya que no siempre es evidente para la audiencia que es lo que sucede cuando el performer está detrás de su laptop, loops u otros dispositivos. Por ello, para que los performers puedan interactuar con su música y audiencia de una nueva manera se propone el diseño de un guante, que reconozca gestos que el performer realice y un software, mediante el cual se permita reproducir audios que estén vinculados a un gesto; y así, dé la impresión al espectador de cómo “crea música” en frente de él. El guante está conformado por sensores de flexión, los cuales miden los ángulos de las articulaciones metacarpofalángicas de los dedos de la mano, y un sensor IMU, que mide los movimientos articulares de la muñeca. Los datos que se adquieren de los sensores son enviados a una PC para que sean ingresados al modelo de reconocimiento de gestos construido y consiguientemente se reproduzca el archivo de audio que esté vinculado al gesto entrenado. El entrenamiento del modelo de reconocimiento de gestos se realizó con el algoritmo de clasificación Random Forest. La ventaja de este sistema es que se proponen dos modos de uso: modo de usuarios múltiples y modo de usuario especifico, dándose en el último caso la oportunidad al usuario de obtener resultados más precisos a cambio de que se tomen el tiempo de tomar los datos de sus gestos para el entrenamiento del modelo. Los resultados de precisión que se obtuvieron para los modelos fueron de 92.80% para el modelo de usuarios múltiples y 92,52% para el modelo de usuario específico. Por último, se obtuvo un costo del sistema electrónico y mecánico de S/. 1438.40 y un costo de diseño de S/. 9000 para el proyecto, con lo cual se concluye que el costo de diseño se podría repartir y obtener un costo menor por guante en el caso que sea fabricado en volúmenes de producción alto.

En el ámbito del aprendizaje automático, un desafío persistente es la disponibilidad de datos suficientes, especialmente en tareas de visión por computadora. Este desafío se amplifica cuando se trabaja con sensores remotos, donde las bases de datos etiquetadas para abordar problemas son escasas. Este manuscrito examina críticamente el monitoreo de deslizamientos de tierra en el paisaje peruano y presenta tres contribuciones en esta dirección. La primera contribución expande un conjunto de datos de imágenes satelital es sobre deslizamientos de tierra (Landslide4Sense) proveniente de territorios asiáticos, con 3799 imágenes debidamente etiquetadas. Reconociendo la dinámica geoespacial de Perú, se incrementó este conjunto de datos con 838 escenarios locales. Estas adiciones mantienen congruencia con el conjunto de datos original en términos de atributos y configuración, asegurando replicabilidad y escalabilidad para futuras investigaciones. La segunda evalúa varios modelos de segmentación semántica basados en la arquitectura U-net, reforzada por la función de pérdida de Entropía Cruzada Ponderada + Dice Loss, óptima en tareas de segmentación con conjuntos de datos desequilibrados. Los resultados permiten alcanzar un F1-Score del 75.5% con la arquitectura U-net (vanilla) superando el benchmark de referencia del 71.65%. La última contribución muestra un desarrollado integral para la adquisición de datos, procesamiento y entrenamiento/evaluación de modelos. Dado que este marco tiene el potencial de impulsar una aplicabilidad general de sistemas de segmentación a sistemas de monitoreo de deslizamientos de tierra, y detener un alcance más amplio a la comunidad académica y partes interesadas gubernamentales en Latinoamérica y en todo el mundo.

En este trabajo, se presenta el diseño de un wearable ligero y de bajo costo que estabiliza las articulaciones de la cadera de canes de tamaño mediano a medianogrande con displasia. Esto es, perros con un tamaño de altura de cruz de 56 a 66 cm. Al mismo tiempo, el wearable dispone de un sistema de acelerómetros que permiten monitorear la marcha del animal, y a su vez, sensores electromiográficos que permiten estimar la carga que soporta la cadera. De esta forma, el wearable realiza un análisis objetivo del proceso de mejoría del animal, y a su vez mejora la calidad de vida de este. En este documento se presenta la metodología del diseño, la cual se basó en el método alemán VDI2206. Este parte del estudio de la literatura, con el fin de plantear conceptos de solución y dilucidar un proyecto preliminar. Posteriormente se realizó la selección de componentes, seguido por la descripción de los métodos de análisis y procesamiento de las señales pertinentes, la lógica del sistema, y finalmente la descripción del sistema con sus planos respectivos. El wearable consiste en dos paneles laterales flexibles, los cuales se sujetan firmemente a las patas traseras del animal. A su vez, estos se unen a una pechera que ejerce tensión lo cual permite estabilizar la cadera. Cada panel dispone de un microcontrolador, el cual en conjunto con los diversos componentes eléctricoelectrónicos, logran monitorear la marcha del can y estimar la carga en la cadera. Al mismo tiempo, el dispositivo permite grabar la información obtenida en una tarjeta microSD. Finalmente, el costo de fabricación y ensamble del wearable no supera los S/. 5,000, representando así una opción viable frente a intervenciones quirúrgicas, y a su vez posibilitando la comercialización de este.

El proyecto “StandUp” (Smartphone Thermal ANalysis for Diabetic foot Ulcer Prevention and treatment) del programa de proyectos de la Comisión Europea H2020 viene desarrollando una investigación acerca de la prueba de estrés térmico aplicada en las personas con pie diabético. La presente tesis, la cual tiene una relación colateral con el proyecto mencionado, desarrolla el diseño de un dispositivo médico para la aplicación automática de la prueba de estrés térmico en el diagnóstico preventivo del pie diabético. Esta prueba aún no se ha aplicado a este tipo de diagnósticos, pero constituye un gran potencial de análisis térmico funcional, según sus aplicaciones en otras partes del cuerpo, que pueden ser usadas para detectar las zonas en riesgo de ulceración en pacientes, principalmente para evaluar la neuropatía y los trastornos vascular periféricos en la planta del pie. La prueba consiste en sumergir los pies del paciente con diabetes en agua fría (aproximadamente 15 °C) durante 1 a 2 minutos para luego analizar la recuperación de su temperatura inicial tomando imágenes térmicas cada minuto durante 10 minutos con ayuda de una cámara térmica. Las experiencias desarrolladas en el transcurso del proyecto “StandUp” dieron a conocer que, al realizar la prueba de estrés térmico, los pacientes realizan una serie de movimientos que son incómodos; tales como, echarse en la camilla y sentarse repetitivamente, que pueden afectar su salud. Además, el proceso no es muy higiénico por el uso de agua en grandes cantidades ocasionando salpicaduras en el lugar de trabajo. El objetivo de automatizar todo el proceso es que estos problemas desaparezcan. La tesis propone un sistema de control de temperatura mediante el modelamiento matemático de la celda Peltier y simulación en computadora. Además, se modela la planta del sistema correspondiente al ambiente dentro del dispositivo donde se enfriarán los pies. Posteriormente, se diseña y se plantean los requerimientos que debe cumplir el controlador utilizando el método del lugar geométrico de raíces, lo cual lleva a escoger un controlador PI. Asimismo, se analiza la elección de los componentes tales como sensor de temperatura, controlador, panel de activación de secuencias y cámara infrarroja, que conforman el dispositivo para su correcto funcionamiento. Como resultado se obtiene un dispositivo capaz de enfriar temporalmente los pies y obtener imágenes térmicas secuenciales durante el tiempo de recuperación de temperatura. Por otro lado, se logra una propuesta de diseño de la parte física que tiene como característica ser ergonómico para los especialistas y pacientes y ser no invasivo.

Los sistemas aéreos no tripulados (SANT) se han convertido en una comodidad asequible para cualquier fin. Sin embargo, estos dispositivos pueden causar daño tanto a infraestructuras como a personas en caso de colisión. De esta manera, el problema radica en que no existe en el Grupo de Investigación de Sistemas Aéreos No Tripulados un módulo electrónico capaz de detectar y evadir obstáculos en escenarios tales como bordear una estructura fija o evitar una colisión inminente con algún objeto que se interponga entre el SANT y la meta. Además, que se pueda acoplar a diversas plataformas y que tenga un rango de detección de 360°. La solución al problema mencionado se llevó a cabo mediante el desarrollo de un sistema de detección y evasión de obstáculos. En cuanto al hardware, se eligió como sensor al Sweep LiDAR 360°, al Odroid C2 como computadora acompañante y al Pixhawk como controlador de vuelo. La plataforma elegida fue el cuadricóptero Tarot FY450. En cuanto al Software, se diseñó un algoritmo de adaptación de rutas basado en 4 modos de vuelo. El flujo de información da inicio con la adquisición de datos del entorno por parte del sensor LiDAR. Dicha información es ordenada del punto más cercano al más lejano y posteriormente es filtrada en base a la intensidad de señal. La información resultante es procesada en la computadora acompañante y un modo de vuelo es elegido en base a criterios previamente establecidos. En cuanto a las pruebas realizadas para comprobar la eficiencia del sistema, se realizaron simulaciones en Matlab y pruebas reales. En cuanto a las pruebas reales, se realizaron 3 con un biombo y una con una pancarta. El objetivo de las 3 primeras pruebas fue evaluar el dispositivo en un entorno controlado, mientras que la prueba con pancarta tuvo como objetivo evidenciar el modo de vuelo de emergencia (Avoid Obstacle). Además, el límite de velocidad resultante fue de 0.5 m/s.

La presente tesis plantea el diseño, fabricación y programación de un sistema WMSN prototipo de cámaras trampa de bajo consumo energético y de alta resolución basado en hardware de código abierto e integrado con un sistema de comunicación inalámbrica que sirve como herramienta para realizar inventarios de mamíferos mayores. En el capítulo 1, se expone el contexto actual de la biodiversidad peruana, se profundiza en el concepto de inventario de fauna silvestre enfatizando su importancia como instrumento generador de información actualizada y confiable sobre la diversidad de especies. Finalmente, se explica la importancia y los objetivos de la presente tesis. En el capítulo 2, se describe a las cámaras trampa; en cuanto a su evolución, sus características técnicas, su funcionamiento, sus ventajas, desventajas y su desempeño como dispositivos de recolección de datos. Por otro lado, se profundiza en el concepto de redes de sensores inalámbricos (WSN) y cómo estas proveen comunicación inalámbrica a las cámaras trampa, también llamados nodos sensores. En el capítulo 3, se definen los tipos de nodos sensores (nodo sensor sumidero y nodo sensor trampa) que conforman la WMSN prototipo de cámaras trampa. Finalmente, se detalla la programación del código de cada uno de los nodos sensores que conforman la WMSN mediante su flujo de funcionamiento. En el capítulo 4, se muestran los resultados de las pruebas de consumo de energía de los nodos sensores. Por otro lado, se exponen los resultados de pruebas de rendimiento de red en función a los indicadores RSSI, packet data rate y throughput. Finalmente, se detalla el tiempo de captura de imagen desde que se activa el sensor PIR hasta que la imagen es almacenada en la memoria.

En los últimos años, la llegada de las cámaras de profundidad de bajo costo y sensores LiDAR ha incentivado a las industrias a invertir en estas tecnologías, lo cual incluye también mayor interés en investigaciones sobre procesamiento digital de señales. En esta ocasión, la reconstrucción tridimensional de túneles mineros utilizando LiDARs y un robot de auto-navegación ha sido propuesta como proyecto de investigación, y el presente trabajo forma parte en cargándose del alineamiento de nubes de puntos tridimensionales en tiempo real, un proceso que es más conocido como Registro de Nubes de Puntos. Existen muchos algoritmos que pueden resolver este problema, pero para el proyecto, el algoritmo solo necesita calcular la alineación fina y rígida. Al comparar los algoritmos de registro más avanzados, se encontró que el popular algoritmo ICP es el más adecuado para este caso debido a su alta robustez y eficiencia. Dentro de este algoritmo, se encuentran 3 pasos simples: relación, minimización y transformación, junto con una colección de variaciones de estos pasos que han sido desarrolladas a lo largo de las últimas décadas. Basándose en esto, en este trabajo se diseñó e implementó un algoritmo ICP paralelo en CPU y GPU. Además, las optimizaciones en recursos de memoria, ocupación de núcleos y el uso de la técnica de desenrollado de bucles para la implementación en GPU permiten que la implementación propuesta deI ICP alcance un rendimiento 95 veces más rápido que implementaciones de CPU altamente optimizadas. / In the last years, the advent of low-cost depth cameras and LiDAR sensors has encouraged industries to invest in these technologies, which includes research about digital signal processing. This time, 3D surfaces reconstructions of mining tunnels using LiDARs and a self-navigation robot have been proposed as a research project and this work is in charge of performing the alignment of data that come from the LiDARs in real-time, a process that is most known as 3D Point Cloud Registration. Many algorithms can solve this problem, but for the project, the algorithm only needs to compute for fine-rigid alignment. Comparing state-of-the-art registration algorithms, it is found that the popular ICP algorithm is the best suited for this case since its high robustness and efficiency. Inside this algorithm, there are 3 simple steps: matching, minimization, and transformation, and a diverse collection of variations of these steps that have been developed through the last decades. Based on this, a parallel ICP algorithm is designed and implemented in CPU and GPU. Moreover, optimizations in memory resources, cores occupancy, and the usage of the loop unrolling technique for the GPU implementation lead the proposed ICP implementation to reach a performance of 95 times faster than highly-optimized CPU implementations.

Desde hace muchos años se ha estado tratando de implementar sistemas domóticos a las viviendas con el fin de automatizar procesos realizados por el ser humano. La finalidad de optar por esta tecnología es poder brindar básicamente confort, seguridad y ahorro energético al usuario. Una manera de poder alcanzar esta automatización es empleando sensores que son parte de un sistema domótico y requieren una adecuada instalación. En el presente trabajo de investigación, se desarrolla el procedimiento para poder identificar los criterios necesarios para poder instalar adecuadamente los sensores domóticos que requiere las áreas comunes de vivienda multifamiliar. Estos son obtenidos de normas, disposiciones legales, guías y recomendaciones de expertos que se dedican a desarrollar la domótica, se tuvieron en cuenta especialmente los desarrollados en el continente europeo. Así se llegaron a obtener criterios por las fases que tiene una construcción, por los requerimientos y recomendaciones de cada sensor y por la clasificación a la que se opta, ya se de eficiencia energética o el nivel de domótica. Finalmente, se concluye que los criterios identificados para la instalación de los sensores en áreas comunes son de gran ayuda para poder desarrollar eficientemente una vivienda domótica. Sin embargo, es necesario poder desarrollar un documento nacional, en el cual se adapte a la realidad nacional los diversos criterios que ya existen y son expuestos en diversas publicaciones alrededor del mundo.

Debido a su bajo costo y a su simplicidad, enterrar minas antipersonales en el campo de batalla ha sido, lastimosamente, una estrategia bélica muy común en el siglo pasado. Sin embargo, la contaminación de tierras con minas antipersonales es una problemática aún vigente en la actualidad, ya que más de sesenta países siguen contaminados con estos explosivos. El desminado humanitario busca erradicar todas las minas restantes en el mundo. Lamentablemente, el método más utilizado actualmente para ejecutar labores de desminado es hacerlo de forma manual, debido al elevado costo que representan los sistemas autónomos actuales. Aunque existen propuestas de robots móviles que asisten estas labores, la mayoría de ellas carece de versatilidad de desplazamiento sobre terreno irregular, ya que utilizan ruedas para permitir el movimiento de estos sistemas. En esta tesis, se propone el diseño de un robot arácnido para el traslado de un sensor que permite la detección de minas antipersonales en terreno irregular. En el ámbito mecánico, el robot tiene cuatro patas y presenta simetría sagital. Los elementos electrónicos están alojados dentro del tórax, que se encuentra en el centro del robot. El detector de minas se sujeta desde el tórax apuntando hacia abajo. Se hizo el análisis dinámico del mecanismo las patas, con su respectiva simulación cinemática y cinética. Además, se realizaron dos simulaciones de esfuerzos en la estructura del robot mediante el método de elementos finitos. Con respecto al diseño electrónico, se desarrollaron cálculos para los circuitos de las fuentes de voltaje internas del robot. Se verificó la estabilidad de dichas fuentes frente a ruidos eléctricos, ejecutando una simulación de los circuitos reguladores de voltaje agregando ruido sinusoidal. Se realizó también la selección de los demás componentes electrónicos del robot. El ámbito de control es el aspecto más desarrollado de la presente tesis. Se plantea un algoritmo innovador, que fusiona perspectivas de aprendizaje de máquina e inteligencia artificial bioinspirada, para permitir que el robot aprenda a caminar. De esta manera, se espera que el robot mejore su desempeño con el tiempo, a medida que vaya obteniendo más experiencia y haya recolectado más datos de su entorno. El algoritmo propuesto permite entrenar un agente inteligente para maximizar una métrica de recompensa, pero sin aplicar técnicas de aprendizaje por refuerzo, que son usualmente utilizadas en este tipo de problemas. / Due to its low cost and simplicity, burying anti-personnel landmines on the battlefield has unfortunately been a ubiquitous war strategy in the last century. However, land contamination with anti-personnel landmines is yet in force today since more than sixty countries are still polluted with these explosives. Humanitarian demining seeks to eradicate all remaining landmines worldwide. Unfortunately, today's most widely used demining method is manual due to the high cost of existing autonomous systems. Although there are proposals for mobile robots that assist these tasks, most of them lack the versatility of movement on uneven terrain since they use wheels for their locomotion. In this thesis, an arachnid robot's design is proposed to carry a sensor that allows the detection of anti-personnel landmines on uneven terrain. In the mechanical domain, the robot has four legs and has sagittal symmetry. The electronic components are housed within the thorax, which is located in the center of the robot. The mine detector is held by the thorax, pointing downwards. A dynamic analysis of the leg mechanism was made, with its respective kinematic and kinetic simulation. Also, two stress simulations were made for the robot structure using the finite element method (FEM). Regarding the electronic design, calculations were performed for the circuits of the robot's internal voltage sources. The stability of these sources against electrical noise was verified. A simulation of the voltage regulator circuits' was developed to check their response while adding sinusoidal noise. Additionally, the selection of the other electronic components of the robot was made. The control domain is the most developed aspect of this thesis. An innovative algorithm is proposed, which merges machine learning and bio-inspired artificial intelligence perspectives to allow the robot to learn to walk. In this way, the robot improves its performance over time as it gains more experience and collects more data from its environment. The proposed algorithm allows training an intelligent agent to maximize a reward metric without applying reinforcement learning techniques, which are usually the way to solve this type of problem.