Doctorado en Ingeniería - Énfasis en Ingeniería Eléctrica y Electrónica

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https://hdl.handle.net/10893/4039

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Emulador basado en FPGAS de un sistema eléctrico aislado con generación distribuida
(Universidad del Valle, 2023) Bautista Loza, Oscar Dario; Bernal Noreña, Alvaro
En este documento se construye un emulador basado en FPGAs de un sistema eléctrico aislado con paneles fotovoltaicos. Se implementa a nivel de hardware sistemas tales como: panel fotovoltaico, convertidor, batería, regulador y un algoritmo de perturbación y observación (P&O). Se estudian diferentes modelos de los elementos que conforman los sistemas propuestos anteriormente, se ajustan de acuerdo a las áreas propias de cada elemento dentro de la FPGA para optimizar su diseño, logrando la implementación de todo el sistema en una FPGA. Este sistema tiene gran importancia dado que microrredes pequeñas y aisladas son actualmente una solución frecuente para la cobertura eléctrica en áreas remotas donde se necesitan estudios detallados, simulaciones y emulaciones realistas para diseñar sistemas adecuados a cada ubicación. Para este proyecto se usó como caso de estudio una parte de una red eléctrica propuesta por la Universidad de Nariño para la vereda ”El Naranjo” del municipio de Mosquera en el Departamento de Nariño. Se realizaron implementaciones hardware basadas en ambiente Labview y se utilizó un sistema de desarrollo PCIe 7841R que incluye una FPGA Virtex 5 LX30, se compará con otras implementaciones similares observando que el sistema propuesto en este documento optimiza los recursos hardware en comparación con los otros sistemas, además al separarse por bloques puede facilitar la interacción con salidas físicas del sistema.
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Aporte al problema de la correspondencia en estereoscopía de múltiples vistas en imágenes aéreas
(Universidad del Valle, 2019) Díaz Paz, Jean Pierre; Loaiza Correa, Humberto
La puesta en correspondencia consiste en la identi¿cación de puntos homólogos en distintas imágenes. Esta búsqueda se realiza en 3 etapas básicas: i- detección, en la que se encuentran los puntos característicos de cada imagen; ii- descripción, donde se asigna un vector de características a cada punto detectado; y iii- correspondencia, que se encarga de determinar los puntos homólogos en el espacio de características. En el contexto de la fotogrametría aérea, debido a fenómenos ópticos como variaciones en la dirección de captura y la iluminación, son apropiados los detectores a¿nes y los descriptores locales basados en histogramas de gradientes. Estos detectores y descriptores suelen tomar información de las imágenes en escala de grises y tienen geometrías de muestreo de¿nidas. En esta investigación, se desarrolló un espacio de color no perceptual basado en coordenadas esféricas llamado RTP por las siglas de Rho, Theta y Phi que: desacopla la información de cromaticidad e intensidad, representa las cromaticidades de manera continua y permite aproximar las diferencias cromáticas como distancias euclidianas. Para evaluar el aporte del espacio propuesto sobre la etapa de detección basada en MSER y de la etapa de descripción basada en histogramas de gradientes, se usó un protocolo de pruebas que analiza criterios de Repetibilidad y Razón de verdaderas correspondencias mediante los valores F0.5. Los resultados obtenidos permiten a¿rmar, con un 95% de certeza, que el uso del espacio de color RTP representa mejoras con diferencias estadísticamente signi¿cativas en el desempeño de correspondencia en comparación con otros espacios de color del estado del arte
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Metodología para utilizar robots en intervenciones terapéuticas para niños con parálisis cerebral
(Universidad del Valle, 2019) Buitrago, Jaime Alberto; Caicedo Bravo, Eduardo Francisco; Freire Bastos, Teodiano; Rocon de Lima, Eduardo
Para niños con parálisis cerebral, la terapia desempeña un rol decisivo para el desarrollo motor, cognitivo, sensorial, comunicacional, social y emocional. La terapia puede utilizarse con otras opciones de tratamiento, como el uso de tecnologías para apoyar y complementar el proceso terapéutico. Entre estas tecnologías, se encuentran los robots de asistencia interactivos y sociales, que han sido utilizados en diferentes contextos de la rehabilitación. Esta tesis de doctorado presenta la propuesta de la metodología OTERA-NPC, que promueve el cumplimiento de Objetivos TErapéuticos a través de Robots de Asistencia para Niños con Parálisis Cerebral, además de que proporciona un camino formal para llevar a cabo intervenciones terapéuticas usando robots interactivos y sociales. Esta nueva metodología propone una intervención terapéutica centrada en objetivos SMART (Specific, Measurable, Achievable, Realistic and Timed), siendo evaluados y escalados a través de la escala de medición de objetivos GAS (Goal Attainment Scaling). Así mismo, la metodología utiliza técnicas del diseño centrado en el usuario para el desarrollo de las aplicaciones en los robots que apoyan las intervenciones terapéuticas para niños con parálisis cerebral
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Metodología para el monitoreo de estabilidad de tensión en tiempo real en sistemas de potencia usando mediciones PMU
(Universidad del Valle, 2018) Ramirez Perdomo, Sindy Lorena; Caicedo Delgado, Gladys Nayiver; Lozano Moncada, Carlos Arturo
En esta tesis se concibió, implementó y validó una nueva metodología para el monitoreo en tiempo de real de la estabilidad de tensión en un Sistema Eléctrico de Potencia SEP, utilizando mediciones de PMUs. Inicialmente, se desarrolló una metodología para definir la ubicación de los PMUs requerida para la aplicación de estabilidad de tensión. Luego, mediante una herramienta computacional se implementaron los diferentes índices de nodos y líneas utilizados para esta aplicación, seleccionando los índices de nodos DSY y el índice de línea LFCI que entregaron mejores resultados sobre el grado de estabilidad de un SEP ante incrementos de carga y diferentes contingencias. Por otra parte, ambos índices utilizaban mediciones a través de PMUs. También se implementó una herramienta computacional en DiGSILENT para implementar y validar la metodología de monitoreo en SEP de 14 y 39 nodos, en el cual se consideraron las restricciones operativas de límites de tensión de operación y máxima capacidad de entrega de reactivos por parte de los generadores. Esta herramienta permitió analizar los resultados de los índices para diferentes modelos de carga en operación normal y para diferentes contingencias. Los resultados de esta metodología fueron comparados con el margen de estabilidad, el análisis modal y el índice ISI el cual es muy citado para el monitoreo de estabilidad de tensión. La tendencia de las curvas de los resultados de la metodología desarrollada y del índice ISI tienen gran similitud e indican el colapso de tensión para una misma cargabilidad del nodo para modelos de carga PQ e indican la máxima transferencia del nodo para modelos de carga ZIP y compuesto también evaluados en esta metodología. Otro aporte de esta tesis, es la nueva metodología presentada para la ubicación de PMUs en estudios de monitoreo estabilidad de tensión en SEP, esta metodología analiza el SEP de forma integral sin divisiones en isla, y también se puede utilizar en condición normal de operación y bajo contingencias. Lo novedoso de la metodología de monitoreo es que inicia con una ubicación de PMUs particular para esta aplicación, seleccionó el índice de nodos DSY que entregan unos resultados más sensibles con relación a la estabilidad de tensión. La metodología considera las restricciones operativas de un SEP real y permite considerar diferentes modelos de carga dependientes de la tensión y evalúa la influencia de un motor de inducción para el monitoreo de estabilidad de tensión La herramienta computacional en DIgSILENT PowerFactory utilizando programación DIgSILENT Programming Language dispone de 12 índices de diferentes categorías de clasificación para el monitoreo de estabilidad de tensión
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Real time dense tracking and mapping using a monocular camera
(Universidad del Valle, 2018) Díaz Toro, Andrés Alejandro; Paz Pérez, Lina María
Algorithms for localization and map building (Simultaneous Localization and Mapping, SLAM) estimate the robot pose when it wanders an unknown environment and at the same time build a map of this environment in an incremental way. The initial objective of SLAM systems was getting autonomous robots [83]. However, vision-based SLAM systems have a great potential outside the ¿eld of mobile robotics, such as augmented reality, wearable devices, userinterfaces,surgicalprocedures,amongothers, becausetheygiveacamera the capability to work as a sensor of 3D position of general purpose. MostofthevisualSLAMsystemsusesparsefeaturessuchascorners[16],[58], edges [45], [81] or planes [78], and have as principal goal to localize the camera. Dense techniques for localization and mapping do not use sparse features of the environment but all the pixels of an image, getting high-quality maps. For achieving real time performance concepts such as keyframes, bundle adjustment and parallel computing are used. Depth maps built with monocular cameras are a¿ected by conditions commonly found in real environments as low-textured surfaces, very re¿ective or translucent objects and changes in light conditions. Even when a depth sensor is used, depth maps can be noisy and incomplete due to dark, very re¿ective and translucent objects, out of range surfaces and occlusions. This situation a¿ects negatively the dense reconstruction got by fusing raw depth maps. Inthisdoctoralthesisweproposeanoveltechniqueforenhancingdepthmaps builtwithamonocularcameraorobtainedfromadepthsensor,byintegrating depth data of an optimal model (shape prior) using a variational technique that besides merging depth data of two sources, makes inpainting and denoising, generating a signi¿cant impact in the appearance and in accuracy of the dense reconstruction, specially in the region of the object of interest. We present two approaches for dense localization: frame-to-frame and frame-tomodel approaches, the algorithm for building a depth map with a monocular camera, the optimization of the model w.r.t. pose, scale and shape, the proposed technique for integrating the shape prior and the fusion of enhanced depth maps for creating a dense reconstruction of the scene. We also present the conclusions in each chapter, the general conclusions and future work
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Physical principles of memory and logic devices based on nanostructured Dirac materials
(Universidad del Valle, 2017) Marmolejo Tejada, Juan Manuel; Velasco Medina, Jaime
During the las decades, the silicon-based semiconductor industry has enabled higher performance per cost of integrated circuits due to the ability of nearly doubling the amount of transistors per chip every two years, however, this has resulted in overheating issues and fundamental manufacturing problems that are very di¿cult to solve. Therefore, Dirac materials (DMs), such as graphene and topological insulators (TIs), are being extensively investigated as possible candidates for replacing silicon-channel devices in the next-generation integrated circuits, due to their attractive ultrahigh carrier mobility and possibility of quantum e¿ects that may be useful for electronic applications. This requires to study the physical principles of such nanostructures to e¿ectivelypredictthequantumtransportbehaviorofpossibledevices. Theaimofthis work is to explore the physical properties of Dirac material-based nanostructures that could be used for novel memory and logic devices, by using tight-binding (TB) and density function theory (DFT) methods combined with the non-equilibrium function (NEGF) formulation
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Wideband Spectrum Sensing Algorithms Based on Sparse Fourier Transform : Design, Analysis and Implementation.
(2017-07-04) López Parrado, Alexander; Velasco Medina, Jaime
This PhD thesis presents the development of new algorithms to perform Wideband Spectrum Sensing (WSS) in Cognitive Radio (CR) by using the sparse Fast Fourier Transform (sFFT) algorithms. On the one hand, the sFFT is a new mathematical tool that computes the Discrete Fourier Transform (DFT) of a sparse signal in frequency domain faster than traditional Fast Fourier Transform (FFT) algorithms for dense signals; this is achieved by using Random Sampling (RS) and ltering windows with small support, in order to obtain a set of samples that is smaller than the original signal. On the other hand, CR is a new paradigm in communication systems oriented to improve the management of the radio electric spectrum by developing smarter radios that are aware of the available spectrum, to use it and share it in a reliable way; the accomplishment of such tasks is supported by the WSS function, inside the CR, that can detect spectral holes or occupied frequency bands in a large bandwidth of frequencies. This PhD thesis addresses the design of a suitable sFFT algorithm that allows building a reliable WSS system using low sampling rates. This goal was achieved by carrying out several research and development tasks as follows: rst, an in depth analysis of the sFFT algorithms was made by considering all the mathematical issues. Second, after performing the analysis, a sFFT algorithm was chosen, and it was modi ed and software-implemented on a multicore computing platform. Third, the modi ed sFFT algorithm was implemented on a hardware/software platform using a hardware accelerator, which can be used to speed up other sFFT algorithms. Fourth, a novel WSS system with low sampling rates was designed using the modi ed sFFT algorithm with new improvements. And fth, a novel sFFT algorithm was designed and hardware-implemented, this algorithm allows the implementation of Cooperative WSS (CWSS) systems with low sampling rates and avoiding the usage of RS, which requires complex analog circuits.
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Metodología para la estimación de hundimientos de tensión en sistemas eléctricos empleando una cantidad limitada de medidores de calidad de potencia.
(2017-07-04) Celis Montero, Jorge Enrique; Castro Aranda, Ferley
Los hundimientos de tensión son los eventos que mayor impactan la calidad de la potencia en los sistemas eléctricos industriales y comerciales y son causados principalmente por fallas debidas a cortocircuitos. Debido a su comportamiento estocástico, la monitorización de la tensión es requerida en casi todos los puntos de un sistema eléctrico para determinar las características de estos eventos y evaluar los índices de la calidad de potencia del sistema. No obstante, limitaciones técnicas y económicas permiten que solo un número limitado de equipos de monitorización pueda ser usado. La estimación de los hundimientos en los nodos no monitorizados a partir de una cantidad limitada de equipos de medición ha sido un tema de estudio en los últimos años, sin embargo los métodos existentes aún presentan limitaciones que restringen. Su aplicabilidad. De esta manera, en este trabajo se ha desarrollado un nuevo método para localizar las fallas que ocasionan hundimientos de tensión e identificar sus parámetros, basado en la matriz de impedancias del sistema eléctrico y en un número limitado de mediciones de tensión a lo largo del sistema eléctrico, con el objetivo de estimar las características de los hundimientos de tensión en los nodos no monitorizados. Las contribuciones de este trabajo incluyen: el desarrollo de un método de localización de fallas debidas a cortocircuitos en un sistema eléctrico el cual es independiente de las características y de la impedancia de la falla; el desarrollo de un método de estimación de parámetros de hundimientos en sitios no monitorizados; un método alternativo para la ubicación adecuada de una cantidad limitada de equipos de monitorización en el sistema eléctrico; una metodología que permite emplear los métodos desarrollados para su aplicación en cualquier sistema eléctrico.
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Sistema informático basado en hardware embebido para la depuración de funciones electrónicas vía web.
(2017-07-04) Vera Tasamá, Alexander; Bernal Noreña, Alvaro
El aprendizaje semipresencial se ha consolidado en el sector educativo durante los últimos años, dada la evolución de las Nuevas Tecnologías de la Información y de las Comunicaciones NTIC. Para virtualizar los espacios de aprendizaje se requieren plataformas que estén acordes con los modelos de enseñanza que se sugiere para cada campo. Particularmente en ingeniería, las didácticas experienciales son esenciales e involucran laboratorios, simulaciones y verificaciones entre otros aspectos metodológicos. Los laboratorios remotos permiten a los estudiantes la realización de prácticas con experimentos relativos a campos específicos. Muchos de los trabajos de investigación que se desarrollan actualmente fomentan la implementación de modelos de enseñanza/aprendizaje alternativos. Esto constituye un reto para la educación en ingeniería, pues sus contenidos y actividades altamente prácticos son difíciles de implementar en el aprendizaje a distancia. Este trabajo presenta una arquitectura para un laboratorio remoto de diseño de sistemas digitales en ingeniería, que apoya la enseñanza semipresencial y el aprendizaje activo, introduciendo aspectos novedosos en el hardware y a nivel de aplicación. Los usuarios pueden acceder a una placa remota de entrenamiento que está basada en un FPGA (Field Programmable Gate Array), pueden ejecutar pruebas mediante un módulo analizador lógico, e interactuar con otros usuarios en línea a través de los servicios Web 2.0 que se integran al sistema. El principal aporte de este trabajo se centra en la plataforma hardware, para la que se concibe, diseña e implementa un analizador lógico con base en criterios de operación de usuarios académicos de la ingeniería electrónica. Así mismo, se introduce en la placa un FPGA y sus subsistemas de control para su disponibilidad total como recurso configurable. El recurso del sistema para la fase de verificación en el ciclo de diseño lo realiza el analizador lógico, que se conecta con el FPGA, pero la configuración de sus parámetros es realizada por el usuario. El soporte para ello se implementa en hardware y representa una variación importante de las arquitecturas típicas para estos sistemas en el contexto de sistemas embebidos. Los parámetros técnicos y de usuario se consideraron en el desarrollo de la aplicación software del sistema informático propuesto, en la que se integraron un gestor de aprendizaje (Moodle) y un gestor de contenido (Joomla).
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Interfaz cerebro computador adaptativa, basada en agentes software para la discriminación de cuatro tareas mentales.
(2017-07-04) Castillo García, Javier Ferney; Caicedo Bravo, Eduardo Francisco
Las interfaces cerebro computador buscan mejorar la calidad de vida de las personas con discapacidad, y se han convertido en una línea de investigación de gran crecimiento por facilitar un nuevo canal de comunicación y por potencializar las capacidades humanas. Una interfaz cerebro computador se compone de una red de sensores que se encargan de capturar las señales Electro-Encefalográficas (EEG), digitalizarlas para posteriormente enviarlas a un computador, donde se realiza un proceso de extracción de características, discriminación y clasificación, para finalmente generar los comandos necesarios en la ejecución de una aplicación. La propuesta formalizada en este documento tiene como objetivo realizar el proceso de adaptación mutua entre una interfaz cerebro computador y el usuario; incrementando su usabilidad y permitiendo que se discriminen hasta cuatro tareas mentales espontáneas. Como resultado se implementó una interfaz adaptativa basada en agentes de software, los cuales se encargan de identificar los estados mentales del usuario y de los ajustes de parámetros para el proceso de discriminación de al menos cuatro tareas mentales, con el fin de activar comandos en un robot o silla de ruedas eléctrica. Este propósito se logró con la caracterización de los estados mentales de mayor incidencia en el proceso de discriminación de las tareas mentales definidas, seguido de una identificación de las tareas mentales de mayor separación temporalfrecuencial y la implementación de los algoritmos adecuados para su discriminación.
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Efectos del desequilibrio de tensiones sobre la operación del motor de inducción trifásico : énfasis en la caracterización del desequilibrio de tensiones y el efecto sobre la potencia nominal.
(2017-07-04) Quispe Oqueña, Enrique Ciro; Palacios Peñaranda, Jairo Arcesio; Amaya Enciso, Martha Cecilia
El problema energético actual hace urgente realizar acciones encaminadas a reducir las pérdidas de energía en los consumidores eléctricos de uso final y en particular en los sistemas accionados con motores trifásicos de inducción cuyo consumo y demanda son de gran impacto en la industria y los servicios. Esta tesis doctoral presenta un estudio integral de la caracterización del desequilibrio de tensiones y de los efectos del desequilibrio sobre la potencia nominal del motor de inducción trifásico, usando como metodología de análisis se usa el método de componentes simetricas y el concepto matemático de simetría. Respecto a la caracterización, se realiza un análisis crítico de los índices de desequilibrio de tensiones actualmente usados, y se propone un índice de caracterización más preciso que los actuales en su relación con los efectos sobre el motor trifásico de inducción. En cuanto a la desclasificación se presenta una metodología más adecuada que la actualmente recomendada por las normas internacionales NEMA e IEC para la desclasificación de la potencia del motor de inducción. La metodología propuesta evita que se realicen desclasificaciones excesivas en las que se desperdicia potencia utilizable ó que se sobrecargue el motor reduciendo su vida útil, los resultados experimentales muestra la validez de la metodología propuesta. La tesis esta presentada en cinco capítulos en el siguiente orden: En el capitulo uno se presenta el estado del arte del tema de la investigación, el planteamiento del problema y los objetivos del trabajo, que se centran en la caracterización del desequilibrio de tensiones y en proponer curvas de desclasificación de la potencia más adecuadas que las actualmente propone la norma NEMA MG1. El segundo capitulo presenta una deducción del circuito equivalente en estado estacionario del motor de inducción en condiciones de desequilibrio, mediante el análisis matricial de máquinas eléctricas. Se muestra que la transformación de componentes simétricas es una transformación de similitud que permite desacoplar totalmente la ecuación de tensión de la máquina. El tercer capitulo se realiza un análisis crítico de los actuales índices de desequilibrio de tensiones definidos por la normas internacionales NEMA e IEC, y del factor complejo de desequilibrio de tensiones (Complex Voltage Unbalance Factor). Finalmente se propone una caracterización mas precisa del desequilibrio de tensiones relacionado con los efectos sobre el motor trifásico de inducción. Asimismo se presenta un método práctico para caracterizar el desequilibrio de tensiones a partir de mediciones en condiciones de campo. En el cuarto capitulo se presenta un análisis cuantitativo y cualitativo del efecto del desequilibrio de tensiones sobre las corrientes, las pérdidas, la eficiencia, la potencia y el factor de potencia. El capitulo cinco se muestran tres criterios para la desclasificación, estudiándose el efecto de la tensión de secuencía positiva, el factor de desequilibrio de tensiones y el ángulo entre las componentes de tensión sobre la potencia del motor. Asimismo se presentan los resultados experimentales que verifican la importancia del efecto de la secuencia positiva sobre la esclasificación de la potencia del motor, para evitar que se realicen desclasificaciones excesivas ó que se sobrecargue el motor. También se presentan recomendaciones prácticas para proteger el motor a partir de mediciones en condiciones de campo. Finalmente en el capitulo seis se presentan las conclusiones del trabajo y las recomendaciones para el desarrollo de futuros trabajos. El autor espera que los resultados de esta investigación contribuyan a un mayor entendimiento del funcionamiento del motor en condiciones de desequilibrio y permitan una operación más eficiente y confiable de los sistemas accionados con motores de inducción.
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Diagnóstico del aislamiento principal de bobinas estatóricas sometidas a esfuerzos termoeléctricos en laboratorio
(2015-09-14) Rodrigo Mor, Armando; Castro Heredia, Luis Carlos; Cavallini, Andrea; Martínez Tarifa, Juan Manuel
El estudio de los mecanismos de degradación del sistema de aislamiento del estator de máquinas eléctricas de alto voltaje es la base fundamental para la propuesta, validación y aplicación de criterios de diagnóstico en campo. A nivel mundial la principal herramienta para la reproducción controlada de los mecanismos de degradación del aislamiento ha sido la implementación de programas de envejecimiento acelerado. En estos, se someten bobinas de prueba a esfuerzos tipo TEAM (térmicos, eléctricos, ambientales y mecánicos) y por medio de técnicas de medición se estiman las probables causas que llevaron a la obtención de los resultados de las mediciones. Por décadas, los centros de investigación han aplicado esta metodología lo cual ha llevado al establecimiento de los criterios de diagnóstico hoy empleados en campo. Esta investigación doctoral contribuyó al estado del arte con el desarrollo de un nuevo índice para evaluación de la degradación del aislamiento que permitió relacionar las pruebas de capacitancia/factor de disipación y descargas parciales, cuyos resultados predominantemente se han interpretado de forma independiente. Así mismo, la investigación aplicó técnicas de medición no convencionales, como el análisis fisicoquímico, buscando complementar la información de diagnóstico que se puede extraer con las técnicas convencionales: mediciones dieléctricas.

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