Tesis defendidas

Future factories would be based on the Industry 4.0 paradigm. Industrial Internet of Things (IIoT) represent a part of the solution in this field. As autonomous systems, powering challenges could be solved using energy harvesting technology. The present thesis work combines two alternatives of energy input and management on a single architecture. A mini-reactor and an indoor photovoltaic cell as energy harvesters and a double power manager with AC/DC and DC/DC converters controlled by a low power single controller. Furthermore, the aforementioned energy management is improved with artificial intelligence techniques, which allows a smart and optimal energy management. Besides, the harvested energy is going to be stored in a low power supercapacitor. The work concludes with the integration of these solutions making IIoT self-powered devices.

Se define la parada cardiorrespiratoria como la detención súbita de la actividad mecánica del corazón, confirmada por la ausencia de signos de circulación. En caso de parada cardiorrespiratoria, dos actuaciones son clave para la supervivencia del paciente: la reanimación cardiopulmonar (RCP) precoz, y la desfibrilación precoz. La RCP consiste en proporcionar compresiones torácicas y ventilaciones al paciente para mantener un mínimo flujo de sangre oxigenada a los órganos vitales. La calidad de las compresiones está relacionada con la supervivencia del paciente. Por esta razón las guías de resucitación recomiendan el uso de sistemas de feedback que monitorizan la calidad de la RCP en tiempo real. Estos dispositivos se sitúan generalmente entre el pecho del paciente y las manos del rescatador, y guían al rescatador para ayudarle a alcanzar la profundidad y frecuencia de compresión objetivo. Esta tesis explora nuevas alternativas para monitorizar la calidad de las compresiones durante la RCP. Se han seguido dos estrategias: usar la señal de impedancia transtorácica (ITT), que es adquirida por los desfibriladores actuales a través de los parches de desfibrilación, y usar la aceleración del pecho, que podría ser registrada usando un dispositivo adicional.

En la última década, la protección del medio ambiente y el uso alternativo de energías renovables están tomando mayor relevancia tanto en el ámbito social y político, como científico. El sector del transporte es uno de los principales causantes de los gases de efecto invernadero y la polución existente, contribuyendo con hasta el 27 % de las emisiones a nivel global. En este contexto desfavorable, la electrificación de los vehículos de carretera se convierte en un factor crucial. Para ello, la transición de la actual flota de vehículos de carretera debe ser progresiva forzando la investigación y desarrollo de nuevos conceptos a la hora de producir vehículos eléctricos (EV) y vehículos eléctricos híbridos (HEV) más eficientes, fiables, seguros y de menor coste. En consecuencia, para el desarrollo y mejora de los convertidores de potencia de los HEV/EV, este trabajo abarca los siguientes aspectos tecnológicos: - Arquitecturas de la etapa de conversión de potencia. Las principales topologías que pueden ser implementadas en el tren de potencia para HEV/EV son descritas y analizadas, teniendo en cuenta las alternativas que mejor se adaptan a los requisitos técnicos que demandan este tipo de aplicaciones. De dicha exposición se identifican los elementos constituyentes fundamentales de los convertidores de potencia que forman parte del tren de tracción para automoción. - Nuevos dispositivos semiconductores de potencia. Los nuevos objetivos y retos tecnológicos solo pueden lograrse mediante el uso de nuevos materiales. Los semiconductores Wide bandgap (WBG), especialmente los dispositivos electrónicos de potencia basados en nitruro de galio (GaN) y carburo de silicio (SiC), son las alternativas más prometedoras al silicio (Si) debido a las mejores prestaciones que poseen dichos materiales, lo que permite mejorar la conductividad térmica, aumentar las frecuencias de conmutación y reducir las pérdidas. - Análisis de técnicas de rutado, conexionado y ensamblado de módulos de potencia. Los módulos de potencia fabricados con dies en lugar de dispositivos discretos son la opción preferida por los fabricantes para lograr las especificaciones indicadas por la industria de la automoción. Teniendo en cuenta los estrictos requisitos de eficiencia, fiabilidad y coste es necesario revisar y plantear nuevos layouts de las etapas de conversión de potencia, así como esquemas y técnicas de paralelización de los circuitos, centrándose en las tecnologías disponibles. Teniendo en cuenta dichos aspectos, la presente investigación evalúa las alternativas de semiconductores de potencia que pueden ser implementadas en aplicaciones HEV/EV, así como su conexionado para la obtención de las densidades de potencia requeridas, centrándose en la técnica de paralelización de semiconductores. Debido a la falta de información tanto científica como comercial e industrial sobre dicha técnica, una de las principales contribuciones del presente trabajo ha sido la propuesta y verificación de una serie de criterios de diseño para el diseño de módulos de potencia. Finalmente, los resultados que se han extraído de los circuitos de potencia propuestos demuestran la utilidad de dichos criterios de diseño, obteniendo circuitos con bajas impedancias parásitas y equilibrados eléctrica y térmicamente. A nivel industrial, el conocimiento expuesto en la presente tesis permite reducir los tiempos de diseño a la hora de obtener prototipos de ciertas garantías, permitiendo comenzar la fase de prototipado habiéndose realizado comprobaciones eléctricas y térmicas.

La forma en que funciona la red eléctrica no ha cambiado mucho desde su creación en la década de 1930, los métodos y medios de transmisión de los datos siguen siendo similares. Aunque la infraestructura general permanece inalterada, algunas tecnologías han cambiado desde entonces, y el ritmo de cambio ha aumentado significativamente en la última década. Por ejemplo, la introducción de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TICs) en la operación de las redes eléctricas ha dado como resultado una red compleja denominada Smart Grid. En términos generales, el sistema eléctrico actual consiste en una compleja red en la que están interconectadas las centrales eléctricas, la infraestructura de transporte de electricidad, la infraestructura de distribución, y la carga. Desde un punto de vista tecnológico, la Smart Grid puede ser vista como una superposición de una red de comunicación sobre la red eléctrica. La red de comunicaciones de la Smart Grid es un tipo de red capaz de proporcionar servicios avanzados, como el envío de datos de sensores en tiempo real, la redundancia y la ciber-seguridad. Se implementa utilizando una variedad de tecnologías de redes y medios de comunicación, incluyendo el mismo cableado eléctrico, redes inalámbricas y otras infraestructuras de comunicaciones existente, como las redes Ethernet basadas en cables de cobre o fibra óptica. Existen ventajas y desventajas asociadas a cada opción y es probable que los tres enfoques puedan utilizarse para las comunicaciones en la Smart Grid. Como resultado, las redes mencionadas se integran finalmente en el sistema, lo que obliga a que los equipos utilizados para gestionar las comunicaciones sean completamente heterogéneos. Por ello, desde una perspectiva global que favorezca la interoperabilidad, es imprescindible disponer de dispositivos de comunicaciones que combinen requisitos de procesamiento en tiempo real, sincronización avanzada, alta disponibilidad en las comunicaciones, reconfigurabilidad y ciber-seguridad. Estos dispositivos se conocen comúnmente como Cyber Physical System (CPS). A modo de resumen, un CPS típico se compone de varios dispositivos conectados a través de redes cableadas e inalámbricas. Estos dispositivos abarcan desde plataformas embebidas, sistemas en tiempo real, sensores y actuadores, hasta dispositivos en red. Por lo tanto, los CPS se benefician de los continuos desarrollos de nuevas plataformas de computación y sensórica de bajo coste, las comunicaciones inalámbricas, las redes de comunicación de gran ancho de banda y sistemas que permiten realizar una gestión más eficiente de la energía de los dispositivos. La propuesta de investigación presentada en esta tesis busca realizar contribuciones en el campo de los sistemas embebidos, planteando una arquitectura común de nodos que sirva como referencia de arquitectura CPS para la Smart Grid. Esta arquitectura deberá dar solución a la integración directa de los nodos en la red, permitiendo a su vez procesamiento en tiempo real, necesario en ciertas secciones y operaciones de la Smart Grid. En primer lugar, se presentará una visión general de la red eléctrica actual (Smart Grid). En particular, se describirá los elementos fundamentales de una subestación, y se presentará los estándares de comunicación utilizados para garantizar y satisfacer los requisitos de interoperatividad que deben cumplir las redes de transmisión y distribución modernas. A continuación, se describirán los requisitos y las características de funcionamiento que debe cumplir un dispositivo CPS Gateway para poder ser utilizado en la red eléctrica inteligente. Por otra parte, se definirá un CPS y se describirán sus partes, características y campos de aplicación. A continuación, se realizará un estudio detallado de varias arquitecturas existentes que representan ventajas significativas para su utilización en la Smart Grid. En segundo lugar, se propondrán arquitecturas CPS Gateway sobre plataformas reconfigurables System-on-Chip que garantice procesamiento en tiempo real, necesario en ciertas secciones y operaciones de la Smart Grid. También, deberá incorporar mecanismos avanzados de sincronización, comunicaciones de alta disponibilidad mediante comunicaciones redundantes, compatibilidad con la infraestructura de automatización de subestaciones actualmente en fase de despliegue (IEC 61850) y ciber-seguridad para las tramas SV y GOOSE. Para finalizar, el dispositivo Zynq de Xilinx será utilizado como plataforma de validación de las arquitecturas propuestas. La última parte de la tesis, describirá el hardware utilizado para realizar los experimentos. A continuación, se describirán los experimentos realizados para validar las arquitecturas. En este sentido, se implementarán tres arquitecturas para verificar el funcionamiento del CPS Gateway. La primera arquitectura, tendrá como finalidad validar los requisitos de sincronización, interoperabilidad y alta disponibilidad. En la segunda arquitectura se implementará un protocolo y un módulo de comunicaciones que permita la configuración remota del CPS Gateway. Finalmente en la tercera arquitectura se propondrá el uso de cifrado simétrico como mecanismo de ciber-seguridad para las tramas SV y GOOSE.

Hoy en día, la energía eólica se ha convertido en una de las fuentes de energía renovable más prometedoras de la última década, con una capacidad total instalada de aerogeneradores, a nivel mundial, de 205 GW en el 2019. En los últimos años, con la intención de aumentar la capacidad nominal de generación de potencia de los aerogeneradores, el tamaño de la torre, así como el de la turbina (especialmente el diámetro del rotor y el tamaño de las palas) han ido aumentando. Este aumento estructural tiene como consecuencia una mayor flexibilidad de los componentes y, por tanto, el incremento de vibraciones en el sistema. Ello, a su vez, produce grandes tensiones en dichos componentes, ocasionando la reducción de la vida útil de los mismos. Es por esto que, el sistema de control del aerogenerador llega a adquirir gran importancia, debido a que, con su aplicación, se pueden reducir notablemente dichas cargas estructurales. En este sentido, el control predictivo basado en modelo (MPC, Model Predictive Control) es una técnica de control avanzada que viene siendo utilizada desde hace mucho tiempo en el ámbito industrial. Esta técnica incorpora la solución en tiempo real a un problema del control óptimo, en el espacio de los estados, sobre un horizonte finito y con restricciones, haciendo del MPC una herramienta muy poderosa para la gestión de sistemas con múltiples entradas y salidas, que incluyan en su formulación restricciones y predicciones futuras en las perturbaciones y/o referencias. Si se considera la naturaleza altamente no lineal de la aerodinámica de un aerogenerador en el diseño de un controlador MPC, se plantea la necesidad de linealizar su comportamiento en múltiples puntos de operación, o bien utilizar un modelo no lineal simplificado. Desafortunadamente, si se consideran las limitaciones técnicas de las plataformas de control disponibles en la actualidad y los márgenes de seguridad requeridos para estas máquinas, ambas opciones tienen serios problemas de implementación práctica. En esta Tesis se propone un controlador MPC que utiliza un único modelo interno lineal (SMPC), facilitando así su implementación práctica. Este controlador tiene como objetivo reducir la carga estructural en el tren de transmisión y/o en el rotor del aerogenerador. La primera parte de la Tesis está dedicada al estudio del estado del arte. En particular, se describen los principales elementos que componen un aerogenerador y sus principios de funcionamiento. Además, se analizan las fuentes de carga que provocan que el sistema vibre, con especial atención al tren de transmisión. Finalmente, se presenta una breve descripción de los diferentes métodos que se utilizan para mitigar vibraciones actualmente. Con la finalidad de estudiar los diferentes controladores propuestos, se ha implementado un entorno de simulación numérica y otro de experimentación en tiempo real. Para el estudio en el entorno de simulación numérica, en la segunda parte de esta Tesis, se ha utilizado un modelo de aerogenerador de referencia de grandes dimensiones basado en el NREL de 5 MW. Por otra parte, para el análisis experimental se ha utilizado un banco de ensayos diseñado y construido específicamente para esta Tesis. Este banco de ensayos consta de un simulador Hardware-in-the-loop (HiL), que reproduce fielmente el comportamiento dinámico del tren de transmisión de la turbina sobre una bancada a escala de máquinas eléctricas. Sobre el generador de dicha bancada se aplican los algoritmos de control diseñados, utilizando técnicas de prototipado rápido de controladores que utilizan como base los mismos esquemas de simulación del primer estudio. En la tercera parte de la Tesis, se presenta el diseño de un SMPC, su modelo interno, función de coste, así como una prueba de estabilidad basada en la teoría de Lyapunov. También se describe el diseño de dos versiones del nuevo controlador, dichas versiones no utilizan ninguna previsualización de la perturbación de entrada en su planteamiento. Las simulaciones numéricas, así como las pruebas experimentales realizadas muestran la e_cacia de los controles SMPC propuestos, llegando a reducir en una tercera parte el par torsional que sufre el eje de baja velocidad de la turbina. Finalmente, en la cuarta parte de la Tesis, se presenta una tercera versión del SMPC diseñado, en el cual, mediante el uso de un sensor LIDAR, se calcula con antelación la perturbación entrante. Después, incorporando dicha previsualización en la predicción que hace el modelo interno del SMPC, se posibilita que la señal de control se adelante a la aparición de alteraciones en el par del eje debidas al viento incidente. Ello permite reducir hasta un 80% la carga en el tren de transmisión, sin apenas incrementar el esfuerzo de control. Más tarde, se estudia la sensibilidad que presenta el rendimiento del SMPC a la calidad de la previsualización obtenida del sensor LIDAR. Los resultados de la experimentación en tiempo real sobre el banco de ensayos indican que es necesario que la previsualización presente un ancho de banda de, al menos, 0.75 - 1 Hz con suficiente calidad, para que la reducción de carga estructural justifique la instalación del sistema LIDAR. Estos anchos de banda pueden requerir del preprocesamiento de las medidas LIDAR, utilizando técnicas bien descritas ya en la literatura de control de aerogeneradores.

El objetivo del trabajo de investigación presentado en esta tesis es facilitar a los desarrolladores y operadores de aplicaciones desplegadas en múltiples Nubes el descubrimiento y la gestión de los diferentes servicios de Computación, soportando su reutilización y combinación, para generar una red de servicios interoperables, que cumplen con las leyes y cuyos acuerdos de nivel de servicio pueden ser evaluados de manera continua. Una de las contribuciones de esta tesis es el diseño y desarrollo de un bróker de servicios de Computación llamado ACSmI (Advanced Cloud Services meta-Intermediator). ACSmI permite evaluar el cumplimiento de los acuerdos de nivel de servicio incluyendo la legislación. ACSmI también proporciona una capa de abstracción intermedia para los servicios de Computación donde los desarrolladores pueden acceder fácilmente a un catálogo de servicios acreditados y compatibles con los requisitos no funcionales establecidos. Además, este trabajo de investigación propone la caracterización de las aplicaciones nativas multiNube y el concepto de ¿DevOps extendido¿ especialmente pensado para este tipo de aplicaciones. El concepto ¿DevOps extendido¿ pretende resolver algunos de los problemas actuales del diseño, desarrollo, implementación y adaptación de aplicaciones multiNube, proporcionando un enfoque DevOps novedoso y extendido para la adaptación de las prácticas actuales de DevOps al paradigma multiNube.

La tecnología de soldadura láser ofrece una alta flexibilidad y adaptabilidad al proceso de soldadura, pudiendo ajustarse a complejas geometrías de unión. Además, la aplicación de un rayo láser minimiza los cambios microestructurales en el material debido a la baja aplicación de calor y la baja distorsión térmica que ofrece la tecnología. Debido a estas ventajas, la tecnología de soldadura láser se está adoptando en áreas tecnológicas exigentes como el de fabricación de baterías para vehículos eléctricos. Sin embargo, estas nuevas aplicaciones presentan desafíos que deben ser superados, tales como la unión de diferentes materiales con diferentes puntos de fusión y alta reflectividad (aluminio y cobre) en las típicas longitudes de onda de trabajo de los láseres. Esta tesis se presenta un método de control adaptativo para la unión de materiales de alta reflectividad disímiles con efectividad utilizando una configuración de doble rayo láser para superar estos problemas. Como resultado, se presenta un estudio comparativo de resultados de uniones metálicas con el uso de diferentes láseres pulsados y de onda continua a través de ópticas estáticas y dinámicas.

Con unas normativas sobre emisión y consumo energético cada vez más restrictivas y una conciencia social cada vez más implicada en la necesidad de proteger el medio ambiente, los vehículos eléctricos (EVs) están atrayendo cada vez más la atención del sector de la automoción, político y de los consumidores. Los motores síncronos de imanes permanentes (PMSMs), debido a su gran densidad de potencia y eficiencia, han sido la tecnología de tracción dominante desde la década de los años 90. No obstante, estos motores son fabricados a partir de tierras raras. Las reservas de estos recursos son limitadas y su extracción provoca un gran impacto medioambiental. Por otra parte, los costes de los imanes basados en tierras raras han sufrido un incremento significativo en los últimos años. En este sentido, hay que constatar que el de los EVs es un mercado muy sensible con respecto a los costes. En este contexto, la elección de una alternativa de máquina eléctrica libre de tierras raras es una cuestión importante. Esta alternativa debe ser capaz de satisfacer los objetivos de eficiencia, robustez, densidad de potencia, simplicidad de control y costes establecidos por los distintos organismos internacionales. O en su defecto, mostrar un potencial para cumplir a corto/medio plazo. De entre todas las alternativas de máquinas libres de tierras raras, las máquinas de reluctancia conmutada (SRMs) son consideradas las candidatas más prometedoras para la próxima generación de EVs. Ésto es debido, principalmente, a que poseen características tales como una estructura simple, flexibilidad de control, alta eficiencia, bajos costes y robustez para funcionar en condiciones de fallo. Sin embargo, a causa del intercambio de grandes cantidades de energía magnética entre los devanados y la fuente de energía, es necesario incorporar grandes condensadores en el bus DC. Como consecuencia, se produce un aumento tanto del volumen como de los costes de los convertidores de potencia empleados. Ante este problema, es conveniente investigar en soluciones que aborden o que minimicen la estructura del convertidor. En esta tesis se aportan soluciones que van encaminadas a reducir el tamaño del condensador sin tener que acometer cambios estructurales en el convertidor de potencia de la SRM. Para ello, se realiza un análisis exhaustivo del estado de la tecnología SRM para, de esta forma, determinar la opción de topología de convertidor, control/modulación y tecnología de condensador que mejores prestaciones ofrece. A partir del análisis realizado, en esta tesis se presenta y valida un novedoso algoritmo de modulación para resolver la problemática de las altas corrientes en el bus DC del convertidor SRM. A dicho planteamiento se le ha denominado Modulación de Conmutación Sincronizada (Synchronized Switching Modulation, SSM), el cual se vale de un fenómeno de intercambio de energía entre fases para disminuir la dependencia del bus DC. La reducción en la corriente lograda en el bus DC tiene dos consecuencias directas en el condensador. Por un lado, permite disminuir su tamaño, reduciendo, así, los costes y el volumen de los condensadores a incorporar en el bus de continua. Por otro lado, dicha reducción de corriente redunda en un menor estrés térmico, lo cual aumenta la vida útil de los condensadores. Este segundo aspecto es analizado también en la presente tesis al realizarse un estudio sobre modelos de vida útil, modelos de daño acumulado y fiabilidad en los condensadores que conforman el convertidor SRM. Completando, de esta forma, el análisis del algoritmo SSM desarrollado. Los resultados obtenidos por el algoritmo SSM son positivos. Éste muestra una mejora en la corriente del bus DC del convertidor de potencia de hasta un 16 %, permitiendo una reducción del 20.8 % de la capacidad mínima requerida en el punto de operación más adverso, y un incremento de la eficiencia de hasta un 6 %. Asimismo, esa reducción en la corriente es suficiente para lograr un aumento del 13.83 % de la vida útil del condensador del bus de continua. Disponer de un modelo de vida útil fiable es, a la vez, muy importante y complicado. Sin embargo, el funcionamiento real de un EV es dinámico y el efecto de aplicar el algoritmo SSM depende de muchos otros factores (modelo de EV, aplicación de éste, ciclo de conducción, modelo de condensadores, etc.). Por todo esto, finalmente, en la presente tesis se define una metodología para predecir la vida útil de un condensador del bus de continua de un convertidor SRM a partir de la corriente que la atraviesa, es decir, a partir del conjunto de puntos operacionales (o ciclo de conducción) en el que está trabajando el tren de tracción del EV.

La muerte súbita cardíaca es una de las principales causas de muerte en los países desarrollados, con una incidencia de alrededor de 40-50 casos por cada 100.000 habitantes. La causa fundamental de la muerte súbita cardíaca es la parada cardiorrespiratoria, que se produce mayoritariamente en entorno extrahospitalario y presenta un índice de supervivencia del 10 %. Se trata, por tanto, de un serio problema de salud. Dos son los elementos clave en el tratamiento de la parada cardiorrespiratoria extrahospitalaria (PCREH): la reanimación cardiopulmonar (RCP) y la desfibrilación temprana. La desfibrilación se aplica en pacientes con arritmias ventriculares letales como la fibrilación ventricular (FV), y consiste en suministrar una descarga eléctrica para recuperar un ritmo normal del corazón. Para ello se emplean los desfibriladores externos. Sin embargo, solo el 30-40 % de las desfibrilaciones son exitosas. Las descargas no exitosas reducen la probabilidad de supervivencia del paciente por dos motivos: pueden causar daño en el miocardio, y es necesario interrumpir la terapia RCP para suministrarlas. En este contexto, es fundamental disponer de herramientas para la predicción del éxito de la desfibrilación, guiando al rescatador en el tratamiento más adecuado: continuar con la RCP o desfibrilar al paciente. De esta manera, se evitarían interrupciones innecesarias durante la RCP y el paciente únicamente sería desfibrilado cuando la probabilidad de éxito fuese alta, aumentando así sus probabilidades de supervivencia. En la última década se han propuesto numerosos parámetros predictores del éxito de la desfibrilación (PED) basados en métodos no invasivos. El abordaje habitual se basa en el análisis de la forma de onda del electrocardiograma (ECG) durante la FV. Este trabajo de tesis se centra en el desarrollo de nuevos métodos para la predicción del éxito de la desfibrilación. Se han desarrollado nuevos métodos no invasivos basados en el análisis de la forma de onda de la FV del ECG, y métodos multiparamétricos que incluyen información del capnograma. Se han introducido nuevos parámetros PED basados en medidas de entropía de la señal FV, y se ha demostrado que superan la precisión de los métodos propuestos hasta el momento. Además se ha comprobado su validez tanto para la predicción de la recuperación de ritmo cardíaco normal, como para la supervivencia del paciente. Por otro lado se han combinado parámetros PED basados en la forma de onda de la FV con medidas subrogadas del estado hemodinámico del paciente derivadas del capnograma. Se concluye que la capnografía añade información adicional relevante y mejora la capacidad predictiva de los parámetros PED basados en la FV.

This Thesis studies research questions about how to design multiCloud applications taking into account security and privacy requirements to protect the system from potential risks and about how to decide which security and privacy protections to include in the system. In addition, solutions are needed to overcome the difficulties in assuring security and privacy properties defined at design time still hold all along the system life-cycle, from development to operation. In this Thesis an innovative DevOps integrated methodology and framework are presented, which help to rationalise and systematise security and privacy analyses in multiCloud to enable an informed decision-process for risk-cost balanced selection of the protections of the system components and the protections to request from Cloud Service Providers used. The focus of the work is on the Development phase of the analysis and creation of multiCloud applications. The main contributions of this Thesis for multiCloud applications are four: i) The integrated DevOps methodology for security and privacy assurance; and its integrating parts: ii) a security and privacy requirements modelling language, iii) a continuous risk assessment methodology and its complementary risk-based optimisation of defences, and iv) a Security and Privacy Service Level Agreement Composition method. The integrated DevOps methodology and its integrating Development methods have been validated in the case study of a real multiCloud application in the eHealth domain. The validation confirmed the feasibility and benefits of the solution with regards to the rationalisation and systematisation of security and privacy assurance in multiCloud systems.

A medida que la industria depende cada vez más de la automatización, la necesidad de métodos de inspección, mantenimiento o transporte precisos y confiables se vuelve crucial para garantizar la integridad operativa. La robótica móvil se está posicionando como una disciplina donde un robot se desplaza y realiza dichas tareas, aunque en ocasiones existen entornos complejos, en los cuales falta la información cognitiva necesaria para una ejecución exitosa. La Tesis presenta los resultados de la investigación orientada a mejorar dichos procesos, de forma automatizada, en entornos reales de tres sectores industriales complejos. Se investiga en las razones específicas por las cuales determinadas tareas, en los escenarios propuestos, presentan una complejidad superior y en ocasiones inabordable a la que puede resolverse con sensórica convencional. Se desarrollan soluciones en los tres casos de uso y se presentan avances sobre el estado actual de la técnica que, incluyendo detectores basados en modelos de inteligencia artificial de una etapa, permiten abordar y mejorar los procesos perceptivos de los robots en estudio. De este modo, las aportaciones en la Tesis presentan mejoras en dichos procesos a través de la inclusión de algoritmos YOLO como un sensor de percepción avanzado.

Esta tesis trata sobre los sistemas de carga del vehículo eléctrico, en concreto de la etapa de rectificación desde la red trifásica mediante el uso de un rectificador Vienna. Este rectificador es una topología conocida, pero no se utiliza apenas para la carga del vehículo eléctrico. Entre los objetivos de la tesis está la mejora de dicho rectificador, ya que puede llegar a aportar en varios aspectos a la mejora de los sistemas de recarga de los vehículos eléctricos. Dichas mejoras se basan en el uso de semiconductores de carburo de silicio (SiC) que ofrecen mejores prestaciones que los actuales semiconductores de silicio (Si). Estos semiconductores ofrecen muchas ventajas, pero también presentan algunas desventajas que hay que solventar, como por ejemplo la necesidad de conectar varios dispositivos en paralelo y que funcionen de manera sincronizada. Por otro lado, está la problemática de los dispositivos SiC referente a su alta velocidad. Las conmutaciones que realizan estos semiconductores generan una serie de oscilaciones y sobrecargas que hay que mitigar. En este contexto, esta tesis presenta varias aportaciones para la mejora de dichos problemas, con el fin de conseguir un rectificador, eficiente, rápido, compacto y sin problema de oscilaciones y sobrecargas graves que terminen acortando la vida útil del rectificador.

Out-of-hospital cardiac arrest (OHCA ) is characterized by the sudden loss of the cardiac function, and causes around 10% of the total mortality in developed countries. Survival from OHCA depends largely on two factors: early defibrillation and early cardiopulmonary resuscitation (CPR). The electrical shock is delivered using a shock advice algorithm (SAA) implemented in defibrillators. Unfortunately, CPR must be stopped for a reliable SAA analysis because chest compressions introduce artefacts in the ECG. These interruptions in CPR have an adverse effect on OHCA survival. Since the early 1990s, many efforts have been made to reliably analyze the rhythm during CPR. Strategies have mainly focused on adaptive filters to suppress the CPR artefact followed by SAAs of commercial defibrillators. However, these solutions did not meet the American Heart Association¿s (AHA) accuracy requirements for shock/no-shock decisions. A recent approach, which replaces the commercial SAA by machine learning classifiers, has demonstrated that a reliable rhythm analysis during CPR is possible. However, defibrillation is not the only treatment needed during OHCA, and depending on the clinical context a finer rhythm classification is needed. Indeed, an optimal OHCA scenario would allow the classification of the five cardiac arrest rhythm types that may be present during resuscitation. Unfortunately, multiclass classifiers that allow a reliable rhythm analysis during CPR have not yet been demonstrated. On all of these studies artefacts originate from manual compressions delivered by rescuers. Mechanical compression devices, such as the LUCAS or the AutoPulse, are increasingly used in resuscitation. Thus, a reliable rhythm analysis during mechanical CPR is becoming critical. Unfortunately, no AHA compliant algorithms have yet been demonstrated during mechanical CPR. The focus of this thesis work is to provide new or improved solutions for rhythm analysis during CPR, including shock/no-shock decision during manual and mechanical CPR and multiclass classification during manual CPR.

Sudden cardiac arrest (SCA) is one of the leading causes of death in the industrialized world and it includes the sudden cessation of circulation and consciousness, confirmed by the absence of pulse and breathing. Cardiopulmonary resuscitation (CPR) is one of the key interventions for patient survival after SCA, a life-saving procedure that combines chest compressions and ventilations to maintain a minimal oxygenated blood flow. To deliver oxygen, an adequate blood flow must be generated, by effective CPR, during the majority of the cardiac arrest time. Although monitoring the quality of CPR performed by rescuers during cardiac arrest has been a huge step forward in resuscitation science, in 2013, a consensus statement from the American Heart Association prioritized a new type of CPR quality monitoring focused on the physiological response of the patient instead of how the rescuer is doing. To that end, current resuscitation guidelines emphasize the use of waveform capnography during CPR for patient monitoring. Among several advantages such as ensure correct tube placement, one of its most important roles is to monitor ventilation rate, helping to avoid potentially harmful over-ventilation. In addition, waveform capnography would enable monitoring CPR quality, early detection of ROSC and determining patient prognosis. However, several studies have reported the appearance of fast oscillations superimposed on the capnogram, hereinafter CC-artifact, which may hinder a feasible use of waveform capnography during CPR. In addition to the possible lack of reliability, several factors need to be taken into account when interpreting ETCO2 measurements. Chest compressions and ventilation have opposing effects on ETCO2 levels. Chest compressions increase CO2 concentration, delivering CO2 from the tissues to the lungs, whilst ventilations remove CO2 from the lungs, decreasing ETCO2. Thus, ventilation rate acts as a significant confounding factor. This thesis analyzes the feasibility of waveform capnography as non-invasive monitoring tool of the physiological response of the patient to resuscitation efforts. A set of four intermediate goals was defined. First, we analyzed the incidence and morphology of the CC-artifact and assessed its negative influence in the detection of ventilations and in ventilation rate and ETCO2 measurement. Second, several artifact suppression techniques were used to improve ventilation detection and to enhance capnography waveform. Third, we applied a novel strategy to model the impact of ventilations and ventilation rate on the exhaled CO2 measured in out-of-hospital cardiac arrest capnograms, which could allow to measure the change in ETCO2 attributable to chest compressions by removing the influence of concurrent ventilations. Finally, we studied if the assessment of the ETCO2 trends during chest compressions pauses could allow to detect return of spontaneous circulation, a metric that could be useful as an adjunct to other decision tools

La energía solar fotovoltaica (FV) cada vez está jugando un papel más importante dentro del mix energético actual, con un crecimiento prácticamente exponencial y unas estimaciones de 6000-14000 GW instalados para el año 2050. Sin embargo, los sistemas FV actuales presentan unas pérdidas en torno al 15-20 %, debidas a diferentes causas que afectan al rendimiento económico y a la vida útil de los mismos. En este contexto, es fundamental disponer de sistemas de monitorización de los sistemas FV, a fin de minimizar las pérdidas y maximizar el rendimiento de los sistemas FV, alargando así su vida útil. Las técnicas de monitorización actuales se distribuyen en métodos orientados a grupos de módulos y métodos de monitorización a nivel de módulo. Los métodos orientados a grupos de módulos, aunque son capaces de detectar pérdidas significativas, no logran detectar fallos que afectan a uno o unos pocos módulos. Por otro lado, los métodos a nivel de módulo, aunque son capaces de detectar faltas en módulos individuales, presentan limitaciones en cuanto a coste o complejidad. Este trabajo de tesis se centra en proponer una nueva metodología de monitorización, económicamente viable, de sistemas FV orientada a módulos individuales, aplicable de manera remota. La metodología se basa en un circuito electrónico de baja potencia que es capaz de tomar medidas parciales de la curva I-V de los módulos de manera continua y sin necesidad de alterar su normal funcionamiento. A partir de estas medidas y mediante diferentes etapas de procesado, la metodología de monitorización propuesta es capaz de obtener información relevante del módulo para determinar su estado. La información de cada módulo FV individual, obtenida mediante la metodología de monitorización propuesta en este trabajo de tesis, permitiría optimizar los procesos de mantenimiento de los sistemas FV, reducir las pérdidas de potencia y alargar la vida útil de los módulos FV.

La polución es uno de los mayores problemas en los países industrializados. Por ello, la electrificación del transporte por carretera está en pleno auge, favoreciendo la investigación y el desarrollo industrial. El desarrollo de sistemas de propulsión eficientes, fiables, compactos y económicos juega un papel fundamental para la introducción del vehículo eléctrico en el mercado. Las máquinas síncronas de imanes permanentes son, a día de hoy la tecnología más empleada en vehículos eléctricos e híbridos por sus características. Sin embargo, al depender del uso de tierras raras, se están investigando alternativas a este tipo de máquina, tales como las máquinas de reluctancia síncrona asistidas por imanes. Para este tipo de máquinas síncronas es necesario desarrollar estrategias de control eficientes y robustas. Las desviaciones de parámetros son comunes en estas máquinas debido a la saturación magnética y a otra serie de factores, tales como tolerancias de fabricación, dependencias en función de la temperatura de operación o envejecimiento. Las técnicas de control convencionales, especialmente las estrategias de debilitamiento de campo dependen, en general, del conocimiento previo de dichos parámetros. Si no son lo suficientemente robustos, pueden producir problemas de control en las regiones de debilitamiento de campo y debilitamiento de campo profundo. En este sentido, esta tesis presenta dos nuevas estrategias de control de debilitamiento de campo híbridas basadas en LUTs y reguladores VCT. Por otro lado, otro requisito indispensable para la industria de la automoción es la detección de faltas y la tolerancia a fallos. En este sentido, se presenta una nueva estrategia de control sensorless basada en una estructura PLL/HFI híbrida que permite al vehículo continuar operando de forma pseudo-óptima ante roturas en el sensor de posición y velocidad de la máquina eléctrica. En esta tesis, ambas propuestas se validan experimentalmente en un sistema de propulsión real para vehículo eléctrico que cuenta con una máquina de reluctancia síncrona asistidas por imanes de 51 kW.

El objetivo general de esta tesis es investigar y proponer una arquitectura de referencia para sistemas SoPC que permita proteger tráfico IEC 61850 con requisitos de tiempo real de acuerdo al estándar IEC 62351 en dispositivos SAS utilizados en redes Smart Grid. Consecuentemente, se proporcionará confidencialidad, integridad y autenticidad a los mensajes IEC 61850 con requisitos de tiempo real. Para ello, la arquitectura propuesta deberá abordar los estrictos requisitos temporales asociados a la generación, protección, distribución y procesamiento de los mensajes GOOSE y SV definidos en el estándar IEC 61850. Adicionalmente, la solución propuesta deberá soportar altas tasas de transferencia de datos, sin que el rendimiento se vea afectado. Finalmente, la arquitectura propuesta deberá hacer un uso reducido de los recursos lógicos del sistema SoPC, siendo este apartado un componente clave para garantizar la viabilidad de la solución en SAS.

Hoy en día, gracias al uso de fibras ópticas, el desarrollo de sensores bioquímicos económicos y de altas prestaciones capaces de realizar medidas en tiempo real es posible, modificando esta tecnología por la tradicional basada en equipamientos caros, grandes y complejos. Por esta razón, en esta tesis hemos desarrollado un sensor mediante nanopartículas de oro inmovilizadas en la cara de una fibra óptica. El sensor que proponemos combina las ventajas de las fibras ópticas con el efecto plasmón de las nanopartículas, que proporcionan gran sensibilidad a cambios en el medio externo. Sin embargo, la mayor novedad que esta tesis proporciona es el uso de la nano-espectroscopia. Esta técnica se basa en hacer coincidir las frecuencias de resonancia de las nanopartículas con el elemento bioquímico que se quiera detectar, consiguiendo altos niveles de selectividad y sensibilidad, en contraposición con los métodos convencionales que se basan en medir cambios en longitud de onda de la frecuencia de resonancia de las nanopartículas. Para demostrar la validez de la nano-espectroscopia en la punta de una fibra óptica, se han realizado medidas para detectar iones de cobre (II) y Citocromo c, consiguiendo unos límites de detección varios órdenes de magnitud por debajo de los sensores basados en nano- espectroscopia mediante microscopios. Además, esta tesis contribuye también a un mayor entendimiento del proceso de inmovilización de las nanopartículas en la fibra óptica gracias a la amplia caracterización que se ha realizado.

Esta tesis propone una arquitectura para la medición de dos parámetros que caracterizan el funcionamiento de un motor aeronáutico: el Tip Clearance y el Time of Arrival. El primero representa la distancia desde la punta de álabe a la carcasa del motor. El segundo representa el instante en que el álabe pasa frente al sensor. Ambos parámetros son el punto de partida para realizar un análisis del estado de vibración que sufre ese motor. La arquitectura propuesta para le medida del Tip Clearance y del Time of Arrival consigue poder monitorizar cada álabe de forma individual realizando las medidas en tiempo real. La arquitectura se puede adaptar a las formas de onda de diversos sensores de los que se emplean habitualmente en este campo. También permite configurar diversos aspectos de la medida o del ensayo. La arquitectura es escalable y establece un medio de sincronización que permite que se puedan medir simultáneamente varios sensores instalados en diferentes puntos de la carcasa de motor. La validación de la arquitectura se ha realizado con las formas de onda de un sensor óptico trifurcado probado en ensayos reales de una etapa compresora en un túnel de viento. En la implementación se han propuesto algoritmos para la determinación de los dos parámetros que se adaptan al procesado concurrente y secuencial de una FPGA.

Hoy en día, el VE es la opción mejor posicionada para sustituir masivamente a los automóviles tradicionales en el mercado a medio y largo plazo. Sin embargo, y a pesar de las previsiones tan optimistas, son aún muchos los factores que impiden alcanzar su despliegue; el stock de VE mundial actual corresponde solo al 0,2% del número total de vehículos de pasajeros en circulación. En lo que a los factores estrictamente tecnológicos se refiere, la tecnología del VE ha de mejorar su eficiencia. La densidad de potencia exigida en los módulos inversores en el VE es elevada y por ello es necesaria una refrigeración eficiente que permita disipar el máximo calor. En esta tesis, se dará solución a este problema, desarrollando para ello nuevas estrategias de gestión térmica y tecnologías de refrigeración avanzadas que permitan a la electrónica de potencia estar más cerca de cumplir los objetivos fijados. En consecuencia, inicialmente, se realizará una revisión exhaustiva del estado del arte, las tecnologías actuales y las tendencias futuras de las técnicas de refrigeración que harán posible la próxima generación de VEs y se analizarán los aspectos de diseño del encapsulado del módulo de potencia, para mejorar, así, la conductividad térmica, disminuir la resistencia térmica y aumentar la corriente máxima admisible. Posteriormente, se desarrollará una plataforma experimental para un sistema de refrigeración líquida basado en un ciclo de compresión a vapor y diseñado a partir de elementos convencionales ya existentes en el sistema de aire acondicionado (AC) de un VE (condensador, compresor, válvula de expansión), y se ampliará el conocimiento de la aplicación eficiente de la refrigeración por cambio de fase. En la actualidad, la investigación en sistemas de refrigeración por cambio de fase se centra en la caracterización experimental y predicción teórica del coeficiente de transferencia de calor, la caída de presión y el flujo de calor crítico (CHF, Critical Heat Fluxe). Sin embargo existe poca información sobre cómo aplicar la refrigeración por cambio de fase de manera eficiente en la gestión térmica práctica de un módulo de electrónica de potencia. Finalmente, se presentará un modelo de simulación FEM (Finite Element Method) simplificado para un módulo inversor de electrónica de potencia que permitirá analizar de manera rápida, el comportamiento térmico en función de las propiedades y parámetros térmicos de los distintos materiales que componen el módulo y de la tecnología de refrigeración empleada. No obstante, un modelo de simulación que describe totalmente el proceso de ebullición (el cambio de fase cuando el fluido circula a través del cold plate, la formación de burbujas, etc.) no resulta muy útil. El alto grado de especialización requerido por parte del usuario, la gran carga computacional resultante de acoplar distintas físicas en un mismo modelo de simulación y los grandes tiempos de ejecución son los principales inconvenientes. Por esta razón, en el modelo realizado en esta tesis, se simplificará la complejidad de la física asociada al fenómeno de cambio de fase insertando como condición de contorno un coeficiente de transferencia de calor uniforme obtenido experimentalmente. (

Las FPGAs (Field-Programmable Gate Array) y los SoC (System-on-chip) basados en FPGA son dispositivos electrónicos configurables en campo (in field), que ofrecen la posibilidad de desarrollar un circuito a medida con un tiempo de salida al mercado y unos costes de diseño reducidos en comparación con los ASICs. Debido a la reducción continua del tamaño de los transistores, las prestaciones de estos dispositivos se están incrementando de manera vertiginosa en las últimas décadas, lo que ha generado interés en sectores muy específicos como automoción, ferroviario, industrial, aviónico o aeroespacial. En estos sectores se exige que los diseños estén orientados a confiabilidad y que cumplan con diversas normativas de seguridad, lo que requiere de métodos para la estimación y justificación de la tasa de fallos del sistema. El problema radica en que las FPGAs son especialmente susceptibles al SEU (Single Event Upset) generado por radiación en la memoria de configuración, un tipo de error que provoca la modificación aleatoria de uno o más bits de dicha memoria, afectando al circuito implementado. Por lo tanto, los diseños orientados a confiabilidad que utilicen FPGAs comerciales han de considerar la inclusión de una serie de medidas y mecanismos para mitigar sus efectos. No solo eso, sino que también es necesaria la aplicación de mecanismos de evaluación para corroborar que las estrategias aplicadas permiten alcanzar los objetivos de confiabilidad. De entre los diferentes procedimientos de evaluación aplicables se destaca la emulación de SEUs, que consiste en programar el dispositivo con un archivo intencionadamente corrompido para que se almacene contenido erróneo en la memoria de configuración, lo que genera un efecto análogo al SEU. Se han estudiado diferentes metodologías de emulación en la literatura y se han observado una serie de deficiencias. Por un lado, los métodos de emulación internos (los errores se inyectan desde la propia FPGA) tienen el problema de ser autobloqueantes, ya que el error inyectado puede afectar al propio sistema de emulación. Por otro lado, los sistemas de emulación externos pueden requerir cambios importantes a nivel de hardware. El objetivo principal de este trabajo es el desarrollo de un mecanismo de emulación de SEUs que pueda implementarse de manera sencilla en sistemas ya construidos, cuyo único requisito es que dicho sistema tenga un SoC FPGA del tipo Zynq o similar. Además, se pretenden solventar las deficiencias observadas en la literatura aprovechando las diferentes capacidades que ofrecen los SoCs que combinan FPGA y sistema procesador (PS). Para ello se ha planteado la implementación del sistema de inyección de errores en el PS, ya que de esta manera se previenen las inyecciones de errores bloqueantes. De igual modo, aunque las inyecciones de realicen desde fuera de la FPGA, las inyecciones se llevan a cabo desde el interior del propio chip, evitando la necesidad de añadir modificaciones en el hardware. Se ha propuesto un esquema de verificación universal independiente de la aplicación, de modo que el esquema de test pueda ser adaptado a diferentes sistemas de forma sencilla, independientemente de su complejidad. Una vez planteada la metodología de emulación, se han realizado otras dos aportaciones. En primer lugar se ha comprobado cómo afectan las diferentes decisiones que puedan tomarse en las diferentes etapas de la fase de diseño. Aquí se ha comprobado que un mismo diseño puede tener fluctuaciones de hasta el 50\% si se modifican algunos parámetros. Por otro lado, habiendo observado que los emuladores de SEU existentes en la literatura se centran en el estudio del SBU (Single Bit Upset), se ha propuesto un procedimiento para la estimación de la tasa de fallo en presencia de MCUs (Multiple Cell Upsets).

Errepideko ibilgailuen propultsio teknologiaren joera erabat elektrikoa dela esan daiteke. Dena dela, oraindik ere ibilgailu elektrikoei dagokionez, autonomia, karga-denbora eta karga-azpiegiturak dira auto erabiltzaileen kezka nagusiak. Ibilgailu elektrikoen eta hibridoen oinarrizko elementuez gain, euren potentzia-bihurgailuen artearen egoera ere azalduko da, horiek erabiltzen dituzten gailu erdieroaleak, horien kapsulatuak,inbertsorearen topologia,horien hozte-sistemak eta inertsorearen kontrol-sistemak aztertuz. Elementuen funtzionamendu egokiak luzaro iraun dezan, elementuen estresa ahalik eta baxuena izatea lortu behar da, ibilgailuaren fidagarritasuna faktore kritikoa baita. Hori horrela izanda, bihurgailuko elementuen funtzionamendu egokia bermatu beharra dago, sistemaren eraginkortasuna ahalik eta altuena izateko. Estres-iturri kaltegarriena tremikoa denez, elementuen hoste-sistemaren funtzionamendu egokiaz gain, galerak murriztea ere onuragarria da elementuentzat. Ildo horri jarraituz, eta etengailuen galerak garrantzitsuak direla jakinda, modulazio-sistemak ikertuko dira tesi honetan, galera horein murrizketa lortzeko, baita DC bus-eko kondentsadorean gertatzen diren galerak murrizteko ere. Bigarren ekarpenean,jommutazio-maiztasun aldgarriko teknika erabiliko da jommutazio-galerak murrizteko,irteerako korronteen kalitatea mantenduz. Uhin-garraiatzaileaen periodoa optimizazio prozesu batez egingo da kommutazio-galerak minimizatzeko helburuarekin, korrontearen kalitatea mantenduz. Bi ekarpenen simulazio eta datu esprimentalak azalduko dira tesi honetan, SVPWM teknika konbentzionalarekin alderatzeko. gainera, ibilgailuen NEDC gida-profila simulatu da inbertsorearen galerak alderatzeko.

Gracias al desarrollo de las tecnolog¿¿as de disen¿o y fabricaci¿on, los circuitos electr¿onicos han llegado a grandes niveles de integraci¿on. De esta forma, hoy en d¿¿a es posible implementar completos y complejos sistemas dentro de un u¿nico dispositivo incorporando gran variedad de elementos como: procesadores, oscila- dores, lazos de seguimiento de fase (PLLs), interfaces, conversores ADC y DAC, m¿odulos de memoria, etc. A este concepto de disen¿o se le denomina comu¿nmente SoC (System-on-Chip). Una de las plataformas para implementar estos sistemas que m¿as importancia est¿a cobrando son las FPGAs (Field Programmable Gate Array). Hist¿oricamente la plataforma m¿as utilizada para albergar los SoCs han sido las ASICs (Application- Specific Integrated Circuits), debido a su bajo consumo energ¿etico y su gran rendimiento. No obstante, su costoso proceso de desarrollo y fabricaci¿on hace que solo sean rentables en el caso de producciones masivas. Las FPGAs, por el contrario, al ser dispositivos configurables ofrecen, la posibilidad de implementar disen¿os personalizados a un coste mucho m¿as reducido. Por otro lado, los conti- nuos avances en la tecnolog¿¿a de las FPGAs est¿an haciendo que ¿estas compitan con las ASICs a nivel de prestaciones (consumo, nivel de integraci¿on y eficiencia). Ciertas tecnolog¿¿as de FPGA, como las SRAM y Flash, poseen una caracter¿¿sti- ca que las hace especialmente interesantes en multitud de disen¿os: la capacidad de reconfiguraci¿on. Dicha caracter¿¿stica, que incluso puede ser realizada de for- ma aut¿onoma, permite cambiar completamente el disen¿o hardware implementado con solo cargar en la FPGA un archivo de configuraci¿on denominado bitstream. La reconfiguraci¿on puede incluso permitir modificar una parte del circuito con- figurado en la matriz de la FPGA, mientras el resto del circuito implementado continu¿a inalterado. Esto que se conoce como reconfiguraci¿on parcial din¿amica, posibilita que un mismo chip albergue en su interior numerosos disen¿os hardware que pueden ser cargados a demanda. Gracias a la capacidad de reconfiguraci¿on, las FPGAs ofrecen numerosas ventajas como: posibilidad de personalizaci¿on de disen¿os, capacidad de re-adaptaci¿on durante el funcionamiento para responder a cambios o corregir errores, mitigaci¿on de obsolescencia, diferenciaci¿on, menores costes de disen¿o o reducido tiempo para el lanzamiento de productos al mercado. Los SoC basados en FPGAs allanan el camino hacia un nuevo concepto de in- tegraci¿on de hardware y software, permitiendo que los disen¿adores de sistemas electr¿onicos sean capaces de integrar procesadores embebidos en los disen¿os pa- ra beneficiarse de su gran capacidad de computaci¿on. Gracias a esto, una parte importante de la electr¿onica hace uso de la tecnolog¿¿a FPGA abarcando un gran abanico de campos, como por ejemplo: la electr¿onica de consumo y el entreteni- miento, la medicina o industrias como la espacial, la avi¿onica, la automovil¿¿stica o la militar. Las tecnolog¿¿as de FPGA existentes ofrecen dos v¿¿as de utilizaci¿on de procesado- res embebidos: procesadores hard-core y procesadores soft-core. Los hard-core son procesadores discretos integrados en el mismo chip de la FPGA. Generalmente ofrecen altas frecuencias de trabajo y una mayor previsibilidad en t¿erminos de rendimiento y uso del ¿area, pero su disen¿o hardware no puede alterarse para ser personalizado. Por otro lado, un procesador soft-core, es la descripci¿on hardware en lenguaje HDL (normalmente VDHL o Verilog) de un procesador, sintetizable e implementable en una FPGA. Habitualmente, los procesadores soft-core suelen basarse en disen¿os hardware ya existentes, siendo compatibles con sus juegos de instrucciones, muchos de ellos en forma de IP cores (Intellectual Property co- res). Los IP cores ofrecen procesadores soft-core predisen¿ados y testeados, que dependiendo del caso pueden ser de pago, gratuitos u otro tipo de licencias. De- bido a su naturaleza, los procesadores soft-core, pueden ser personalizados para una adaptaci¿on ¿optima a disen¿os espec¿¿ficos. As¿¿ mismo, ofrecen la posibilidad de integrar en el disen¿o tantos procesadores como se desee (siempre que haya disponibles recursos l¿ogicos suficientes). Otra ventaja importante es que, gracias a la reconfiguraci¿on parcial din¿amica, es posible an¿adir el procesador al disen¿o u¿nicamente en los casos necesarios, ahorrando de esta forma, recursos l¿ogicos y consumo energ¿etico. Uno de los mayores problemas que surgen al usar dispositivos basados en las tecnolog¿¿as SRAM o la flash, como es el caso de las FPGAs, es que son especial- mente sensibles a los efectos producidos por part¿¿culas energ¿eticas provenientes de la radiaci¿on c¿osmica (como protones, neutrones, part¿¿culas alfa u otros iones pesados) denominados efectos de eventos simples o SEEs (Single Event Effects). Estos efectos pueden ocasionar diferentes tipos de fallos en los sistemas: desde fallos despreciables hasta fallos realmente graves que compromentan la funcio- nalidad del sistema. El correcto funcionamiento de los sistemas cobra especial relevancia cuando se trata de tecnolog¿¿as de elevado costo o aquellas en las que peligran vidas humanas, como por ejemplo, en campos tales como el transporte ferroviario, la automoci¿on, la avi¿onica o la industria aeroespacial. Dependiendo de distintos factores, los SEEs pueden causar fallos de operaci¿on transitorios, cambios de estados l¿ogicos o dan¿os permanentes en el dispositivo. Cuando se trata de un fallo f¿¿sico permanente se denomina hard-error, mientras que cuando el fallo afecta el circuito moment¿aneamente se denomina soft-error. Los SEEs m¿as frecuentes son los soft-errors y afectan tanto a aplicaciones comer- ciales a nivel terrestre, como a aplicaciones aeron¿auticas y aeroespaciales (con mayor incidencia en estas u¿ltimas). La contribuci¿on exacta de este tipo de fallos a la tasa de errores depende del disen¿o espec¿¿fico de cada circuito, pero en general se asume que entorno al 90 % de la tasa de error se debe a fallos en elementos de memoria (latches, biestables o celdas de memoria). Los soft-errors pueden afectar tanto al circuito l¿ogico como al bitstream cargado en la memoria de configuraci¿on de la FPGA. Debido a su gran taman¿o, la memoria de configuraci¿on tiene m¿as probabilidades de ser afectada por un SEE. La existencia de problemas generados por estos efectos reafirma la importancia del concepto de tolerancia a fallos. La tolerancia a fallos es una propiedad relativa a los sistemas digitales, por la cual se asegura cierta calidad en el funcionamiento ante la presencia de fallos, debiendo los sistemas poder soportar los efectos de dichos fallos y funcionar correctamente en todo momento. Por tanto, para lo- grar un disen¿o robusto, es necesario garantizar la funcionalidad de los circuitos y asegurar la seguridad y confiabilidad en las aplicaciones cr¿¿ticas que puedan verse comprometidos por los SEE. A la hora de hacer frente a los SEE existe la posibilidad de explotar tecnolog¿¿as espec¿¿ficas centradas en la tolerancia a fallos, como por ejemplo las FPGAs de tipo fusible, o por otro lado, utilizar la tecno- log¿¿a comercial combinada con t¿ecnicas de tolerancia a fallos. Esta u¿ltima opci¿on va cobrando importancia debido al menor precio y mayores prestaciones de las FPGAs comerciales. Generalmente las t¿ecnicas de endurecimiento se aplican durante la fase de di- sen¿o. Existe un gran nu¿mero de t¿ecnicas y se pueden llegar a combinar entre si. Las t¿ecnicas prevalentes se basan en emplear algu¿n tipo de redundancia, ya sea hardware, software, temporal o de informaci¿on. Cada tipo de t¿ecnica presenta diferentes ventajas e inconvenientes y se centra en atacar distintos tipos de SEE y sus efectos. Dentro de las t¿ecnicas de tipo redundancia, la m¿as utilizada es la hardware, que se basa en replicar el m¿odulo a endurecer. De esta forma, cada una de las r¿eplicas es alimentada con la misma entrada y sus salidas son comparadas para detectar discrepancias. Esta redundancia puede implementarse a diferentes niveles. En t¿erminos generales, un mayor nivel de redundancia hardware implica una mayor robustez, pero tambi¿en incrementa el uso de recursos. Este incremento en el uso de recursos de una FPGA supone tener menos recursos disponibles para el disen¿o, mayor consumo energ¿etico, el tener m¿as elementos susceptibles de ser afectados por un SEE y generalmente, una reducci¿on de la m¿axima frecuencia alcanzable por el disen¿o. Por ello, los niveles de redundancia hardware m¿as utili- zados son la doble, conocida como DMR (Dual Modular Redundancy) y la triple o TMR (Triple Modular Redundancy). La DMR minimiza el nu¿mero de recursos redundantes, pero presenta el problema de no poder identificar el m¿odulo fallido ya que solo es capaz de detectar que se ha producido un error. Ello hace necesario combinarlo con t¿ecnicas adicionales. Al caso de DMR aplicado a procesadores se le denomina lockstep y se suele com- binar con las t¿ecnicas checkpoint y rollback recovery. El checkpoint consiste en guardar peri¿odicamente el contexto (contenido de registros y memorias) de ins- tantes identificados como correctos. Gracias a esto, una vez detectado y reparado un fallo es posible emplear el rollback recovery para cargar el u¿ltimo contexto correcto guardado. Las desventajas de estas estrategias son el tiempo requerido por ambas t¿ecnicas (checkpoint y rollback recovery ) y la necesidad de elementos adicionales (como memorias auxiliares para guardar el contexto). Por otro lado, el TMR ofrece la posibilidad de detectar el m¿odulo fallido me- diante la votaci¿on por mayor¿¿a. Es decir, si tras comparar las tres salidas una de ellas presenta un estado distinto, se asume que las otras dos son correctas. Esto permite que el sistema continu¿e funcionando correctamente (como sistema DMR) au¿n cuando uno de los m¿odulos quede inutilizado. En todo caso, el TMR solo enmascara los errores, es decir, no los corrige. Una de las desventajas m¿as destacables de ¿esta t¿ecnica es que incrementa el uso de recursos en m¿as de un 300 %. Tambi¿en cabe la posibilidad de que la salida discrepante sea la realmente correcta (y que por tanto, las otras dos sean incorrectas), aunque este caso es bas- tante improbable. Uno de los problemas que no se ha analizado con profundidad en la bibliograf¿¿a es el problema de la sincronizaci¿on de procesadores soft-core en sistemas TMR (o de mayor nivel de redundancia). Dicho problema reside en que, si tras un fallo se inutiliza uno de los procesadores y el sistema continua funcionando con el resto de procesadores, una vez reparado el procesador fallido, ¿este necesita sincronizar su contexto al nuevo estado del sistema. Una pr¿actica bastante comu¿n en la implementaci¿on de sistemas redundantes es combinarlos con la t¿ecnica conocida como scrubbing. Esta t¿ecnica basada en la reconfiguraci¿on parcial din¿amica, consiste en sobrescribir peri¿odicamente el bits- tream con una copia libre de errores apropiadamente guardada. Gracias a ella, es posible corregir los errores enmascarados por el uso de algunas t¿ecnicas de endurecimiento como la redundancia hardware. Esta copia libre de errores suele omitir los bits del bitstream correspondientes a la memoria de usuario, por lo que solo actualiza los bits relacionados con la configuraci¿on de la FPGA. Por ello, a esta t¿ecnica tambi¿en se la conoce como configuration scrubbing. En toda la lite- ratura consultada se ha detectado un vacio en cuanto a t¿ecnicas que propongan estrategias de scrubbing para la memoria de usuario. Con el objetivo de proponer alternativas innovadoras en el terreno de la toleran- cia a fallos para procesadores soft-core, en este trabajo de investigaci¿on se han desarrollado varias t¿ecnicas y flujos de disen¿o para manejar los datos de usuario a trav¿es del bitstream, pudiendo leer, escribir o copiar la informaci¿on de registros o de memorias implementadas en bloques RAMs de forma aut¿onoma. As¿¿ mismo se ha desarrollado un abanico de propuestas tanto como para estrategias lockstep como para la sincronizaci¿on de sistemas TMR, de las cuales varias hacen uso de las t¿ecnicas desarrolladas para manejar las memorias de usuario a trav¿es del bitstream. Estas u¿ltimas t¿ecnicas tienen en comu¿n la minimizaci¿on de utilizaci¿on de recursos respecto a las estrategias tradicionales. De forma similar, se propo- nen dos alternativas adicionales basadas en dichas t¿ecnicas: una propuesta de scrubbing para las memorias de usuario y una para la recuperaci¿on de informa- ci¿on en memorias implementadas en bloques RAM cuyas interfaces hayan sido inutilizadas por SEEs. Todas las propuestas han sido validadas en hardware utilizando una FPGA de Xilinx, la empresa l¿¿der en fabricaci¿on de dispositivos reconfigurables. De esta forma se proporcionan resultados sobre los impactos de las t¿ecnicas propuestas en t¿erminos de utilizaci¿on de recursos, consumos energ¿eticos y m¿aximas frecuencias alcanzables.

Los convertidores multifase han adquirido una gran relevancia debido a sus ventajas sobre los convertidores trifásicos convencionales. Debido a estas ventajas, destacando la tolerancia a fallos, los sistemas multifase se emplean cada vez más en aplicaciones donde la fiabilidad es un factor clave. Sin embargo, estos sistemas no son inmunes a las faltas y, por ello, deben tomarse medidas que aumenten su fiabilidad y robustez. En concreto, esta tesis hace frente a dos de los mayores causantes de faltas en los sistemas basados en motores eléctricos (las faltas por circuito abierto y las faltas en los rodamientos debido a la tensión del modo común) mediante el uso de técnicas de modulación. Por un lado, en caso de perder una de las fases, las técnicas de modulación permiten generar tensiones equilibradas a la salida del convertidor, permitiendo a su vez que el convertidor siga funcionando aunque de forma degradada. Por otro lado, la tensión de modo común generada debido a la conmutación de los dispositivos que forman el convertidor daña los rodamientos de la máquina eléctrica. Por ello, siendo los rodamientos una pieza clave del motor, es necesario desarrollar nuevas técnicas de modulación que minimicen los efectos de la tensión de modo común. De esta forma, esta tesis, además de analizar en profundidad las fuentes causantes de las faltas mencionadas, propone nuevas técnicas de modulación capaces de mejorar el comportamiento del convertidor ante dichos problemas, con el fin de mejorar la tolerancia a fallos del convertidor y alargar la vida útil de los rodamientos del motor.

Los sistemas de propulsión de los vehículos eléctricos se enfrentan al problema recurrente de la tensión de modo común (CMV), la cual produce serios problemas en los motores cuando se accionan por inversores que se controlan con estrategias de modulación basadas en la modulación por ancho de pulso. La conmutación de los dispositivos produce formas de onda de tensión desequilibradas que oscilan a altas frecuencias y producen una forma de onda de CMV perjudicial para el sistema de propulsión. Como la tendencia de los fabricantes de vehículos eléctricos consiste en aumentar la tensión de las baterías (sistemas de 800 V) y la velocidad de rotación de los motores (aumentando la frecuencia de conmutación), los problemas de la CMV se pueden hacer más frecuentes, lo cual puede provocar un mal funcionamiento del motor o incluso un fallo total del sistema. Considerando lo anterior, en esta tesis doctoral se propone y se analiza detalladamente un nuevo convertidor de potencia, denominado ZVR-D2, el cual se evalúa mediante simulaciones que permiten, por un lado, analizar detalladamente sus prestaciones y, por otro lado, permiten compararlo frente a otras soluciones que han sido previamente propuestas por otros autores. Además, se ha desarrollado un prototipo de este inversor de automoción a escala para validar experimentalmente el concepto de la reducción de la CMV. A partir de los resultados obtenidos se demuestra el alto desempeño del convertidor, logrando reducir esta tensión y, al mismo tiempo, buscando un equilibrio entre el resto de sus prestaciones.

Out-of-hospital cardiac arrest (OHCA) is characterized by the sudden and unexpected loss of the cardiac and respiratory functions. OHCA is one of the leading causes of death in the industrialized world, with an estimated annual incidence in the USA and Europe of 55 and 30 cases per 100000 persons, respectively. Despite the advances of the last years, survival rates remain below 10%. Many factors increase the probability of survival of the OHCA patient, from the early recognition of the arrest to advanced post-arrest treatment. The key early OHCA therapies are cardiopulmonary resuscitation (CPR) and electrical defibrillation, and the objective of these therapies is to lead the patient from a pulseless cardiac rhythm towards the return of spontaneous circulation (ROSC). Monitoring the hemodynamic state of the patient by identifying the patient's heart pulsatility during the arrest permits the early recognition of cardiac arrest and the optimization of treatment when ROSC is identified. Today, pulse is recognized by carotid palpation or by checking for signs of life. Both these methods are inaccurate and time-consuming. The need of automated methods to detect pulse and assist rescuers on scene has boosted the development of algorithms to discriminate rhythms with pulseless electrical activity (PEA) from pulsed rhythms (PR). In the past, algorithms based on signal processing and classification approaches were proposed, using information derived from the electrocardiogram (ECG) and the thoracic impedance (TI). This thesis provides groundbreaking solutions to monitor the hemodynamic state of the OHCA patient. Pulse detection algorithms were developed combining advanced signal processing and novel machine learning techniques, including deep learning algorithms. Algorithms to discriminate PEA/PR rhythms were designed based on the ECG (a universal solution for any defibrillator) and in combination with other biomedical signals, such as the TI and the capnogram. Using the expired end-tidal CO$_2$ measured during resuscitation enhanced the accuracy of the discriminative models. The accuracy of these algorithms to identify patients with ROSC in the restrospective analysis of complete cardiac arrest episodes was also demonstrated. During PEA, the heart may present different levels of mechanical activity, which can be clearly discerned using invasive blood pressure (IBP) measures. True-PEA rhythms with no mechanical activity at all, have different treatment and prognosis than pseudo-PEA rhythms, which show insufficient but existing mechanical activity. This thesis introduces the first algorithms to discriminate these three levels of pulsatility, using a multimodal signal processing and machine learning approach. A unique dataset, which included the IBP signal recorded during OHCA, was used to validate the multimodal solution using signals routinely acquired during OHCA. Finally, OHCA patients that recover a stable pulse frequently suffer a secondary arrest, or re-arrest. In this thesis a novel re-arrest prediction algorithm based on the ECG and machine learning techniques is also introduced. This solution could assist the rescuer to personalize resuscitation treatment to get the best possible outcome for the patient. The research questions addressed by this thesis work require real OHCA datasets. The solutions based on machine and deep learning algorithms demanded access to very specialized OHCA datasets for reliable ground truth annotations of pulse, and to large OHCA datasets to develop deep learning models. The collaboration with some of the most prestigious clinical research groups in the field permitted the development and the rigorous evaluation of the proposed solutions.

La asfixia perinatal, una de las complicaciones más comunes en partos de alto riesgo, se caracteriza por un intercambio de gases anómalo que da lugar a la falta de oxígeno en tejidos y la correspondiente insuficiencia orgánica. En efecto, un evento prolongado de asfixia puede causar un daño cerebral conocido como encefalopatía hipóxica-isquémica (HIE) que es una de las principales causas de secuelas neurológicas a largo plazo, parálisis cerebral y muerte neonatal. Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), en el año 2017 se produjeron 2.5 millones de muertes neonatales, de las cuales el 24% fueron debidos a complicaciones durante el periodo intraparto como es la asfixia perinatal. Mientras, entre los que sobreviven, se estima que la HIE afecta a 1.5 por cada 1000 a nivel global, aunque este número aumenta de forma considerable en países en vías de desarrollo. En España, diferentes estudios sitúan el ratio de incidencia en torno a 1 por cada 1000, lo que significa que cada año 400 recién nacidos vivos desarrollan HIE. La monitorización fetal juega un papel decisivo en la identificación y prevención de la asfixia perinatal y, por lo tanto, en las muertes neonatales relacionadas y los consecuentes daños neurológicos, como el HIE. Sin embargo, la efectividad de los métodos de diagnóstico actuales como la cardiotocografía (CTG), o el muestreo de sangre fetal en calota (MSF), han sido puestos en duda en la atención obstétrica ya que no posibilitan un diagnóstico exitoso, unívoco y completamente eficaz, en un proceso médico tan sensible socio-sanitariamente como es el parto. Distintos estudios han asociado la CTG, que evalúa el bienestar del feto mediante el registro de la frecuencia cardíaca fetal y las contracciones uterinas, con un aumento de cesáreas y partos instrumentales. A pesar de la recomendación de la Organización Mundial de la Salud (OMS) de que el número de cesáreas no debe superar el 15%, la media mundial se sitúa en torno al 22%, llegando incluso al 40% en algunos países. La OMS también alerta de que una tasa de cesáreas superior al 10% no está asociada con una reducción de la tasa de mortalidad de madres y neonatos, sino todo lo contrario. El MSF pretende reducir el número de cesáreas innecesarias mediante un procedimiento complementario que respalde el diagnóstico de la asfixia perinatal. El diagnóstico se realiza en base a la medición de pH o lactato en sangre obtenida por medio de una punción en la calota fetal. Un déficit de aporte de oxígeno induce el metabolismo anaerobio de la glucosa que deriva en acidosis metabólica. A pesar de ser el parámetro de referencia, el pH, por sí solo, no discrimina entre acidosis respiratoria y metabólica. Aunque la determinación del lactato en calota fetal durante el parto ha sido estudiada desde los años 70 y se hayan publicado resultados comparables al pH, su uso no se ha generalizado. En cualquier caso, además de ser un procedimiento incómodo para la madre, el MSF consiste en una medida invasiva, discontinua y con alto índice de fallo, en el que el resultado, que tarda varios minutos en obtenerse, no ofrece una imagen a tiempo real de lo que está sucediendo. En definitiva, la falta de evidencia y el elevado número de casos neonatales adversos compromete la funcionalidad de los métodos actuales y pone en entredicho su uso clínico para el diagnóstico de la asfixia perinatal. Tanto los profesionales clínicos como los usuarios de los servicios sanitarios demandan un control más riguroso y, al mismo tiempo, menos invasivo en el parto. Sobre todo en partos de riesgo, cuyo porcentaje se ha visto incrementado de manera exponencial en los últimos años debido al aumento de la edad materna o la existencia de cesáreas previas. Ante esta situación, se observa una clara oportunidad para el desarrollo de una nuevo método de diagnóstico para la monitorización de la asfixia perinatal. En esta tesis se propone una alternativa, basada en espectroscopia Raman, que consiste en la combinación de una sonda específica, que se introduciría en la vagina y se colocaría sobre la calota fetal, y algoritmos de aprendizaje automático. La espectroscopia de Raman aporta información de gran valor mediante la interacción de la luz láser con los distintos tejidos. Los datos espectroscópicos constituyen un espacio multidimensional con información de todos los constituyentes de la muestra bajo prueba, como pueden ser la sangre, la piel, el líquido intersticial, las capas lipídicas, el hueso y/o todos aquellos componentes del cráneo del bebé que pueden ser vistos el haz del láser. En otras palabras, a diferencia del estado del arte, donde un único parámetro, como el pH o el lactato, sirve para la toma de decisión, esta tecnología tiene en cuenta la totalidad de la anatomía accesible por la luz incidente. Mediante modelos predictivos se identifican aquellos patrones característicos de un evento de asfixia. De esta manera, se obtiene un diagnóstico más preciso y fiable mediante una monitorización no-invasiva, continua y a tiempo real de la salud del bebé.

En esta tesis se estudia la utilización de un accionamiento eléctrico basado en una máquina simétrica dual trifásica aplicada al sistema de propulsión de un vehículo eléctrico. Dicho accionamiento está basado en una máquina síncrona de imanes permanentes interiores. Además, dispone de un bus CC con una configuración en cascada. Por otra parte, se incorpora un convertidor CC/CC entre el módulo de baterías y el inversor de seis fases para proveer el vehículo con capacidades de carga rápida, y evitando al mismo tiempo la utilización de semiconductores de potencia con altas tensiones nominales. En este escenario, el algoritmo de control debe hacer frente a las no linealidades de la máquina, proporcionando un comando de consigna preciso para todo el rango de par y velocidad del convertidor. Por lo tanto, deben tenerse en cuenta los efectos de acoplamiento cruzado entre los devanados, y la tensión de los condensadores de enlace en cascada debe controlarse y equilibrarse activamente. En vista de ello, los autores proponen un novedoso enfoque de control que proporciona todas estas funcionalidades. La propuesta se ha validado experimentalmente en un prototipo a escala real de accionamiento eléctrico de 70 kW, probado en un laboratorio y en un vehículo eléctrico en condiciones reales de conducción.

La tesis se desarrolla en el ámbito de la parada cardiorrespiratoria extra-hospitalaria (PCEH). Más concretamente, en el desarrollo de algoritmos y metodologías para la caracterización de la resucitación cardiopulmonar (RCP) en general, y de la ventilación en particular, a partir de las señales biomédicas adquiridas por equipos monitores-desfibriladores. La tesis se divide en tres bloques/objetivos principales: 1) Desarrollo de soluciones basadas en procesado de señal e inteligencia artificial para la detección y caracterización de la ventilación usando la señal de impedancia torácica. Esta señal presenta una muy elevada disponibilidad durante la PCEH, y permite además realizar estimaciones potencialmente relevantes del volumen de aire insuflado. Sin embargo, es afectada también por diversas fuentes de ruido, incluidas las propias compresiones durante la RCP, que pueden enmascarar las ventilaciones. 2) Desarrollo y validación de metodologías unificadas (combinando diferentes algoritmos y fuentes de datos) para el análisis automático de la RCP en registros de PCEH multi-dispositvo, en los que los equipos de diferentes fabricantes pueden implicar diferentes señales disponibles. 3) Aplicación de las soluciones y metodologías anteriores al estudio comparativo de la RCP para diferentes estrategias de manejo avanzado de la vía aérea (intubación vs tubo laríngeo).

Los sistemas de almacenamiento energético de baterías basadas en litio son una de las tecnologías más importantes para la transición energética y la descarbonización de los sectores energético y de movilidad urbana. Las baterías de litio son acumuladores químicos con una densidad energética y energía específica superior a otras tecnologías de almacenamiento. Su mayor inconveniente es que son seguras siempre y cuando se utilicen dentro de un área de operación segura. Para ello, los Sistemas de Gestión de Baterías se encargan de monitorizarlas y protegerlas. Sin embargo, numerosos accidentes donde las baterías han acabado incendiándose han demostrado que las técnicas convencionales de diseño de Sistemas de Gestión de Baterías no son suficientemente efectivas. Estos desafortunados eventos han llamado la atención de agentes de estandarización y certificación, fabricantes, desarrolladores y usuarios finales, presentando un gran impacto socioeconómico. De este modo, se ha hecho evidente la necesidad de medidas adicionales para un uso seguro de la tecnología. En esta tesis se presenta una metodología de diseño de Sistemas de Gestión de Baterías para baterías basadas en litio fundamentada en técnicas de seguridad funcional. La metodología desarrollada está basada en la metodología de diseño en V y es compatible con las normativas de seguridad IEC 61508 e ISO 26262.

El sector de la biotecnología demanda innovación constante para hacer frente a los retos del sector sanitario. Hechos como la reciente pandemia COVID-19, el envejecimiento de la población, el aumento de las tasas de dependencia o la necesidad de promover la asistencia sanitaria personalizada tanto en entorno hospitalario como domiciliario, ponen de manifiesto la necesidad de desarrollar dispositivos médicos de monitorización y diagnostico cada vez más sofisticados, fiables y conectados de forma rápida y eficaz. En este escenario, los sistemas embebidos se han convertido en tecnología clave para el diseño de soluciones innovadoras de bajo coste y de forma rápida. Conscientes de la oportunidad que existe en el sector, cada vez son más las denominadas ¿biotech start-ups¿ las que se embarcan en el negocio de los dispositivos médicos. Pese a tener grandes ideas y soluciones técnicas, muchas terminan fracasando por desconocimiento del sector sanitario y de los requisitos regulatorios que se deben cumplir. La gran cantidad de requisitos técnicos y regulatorios hace que sea necesario disponer de una metodología procedimental para ejecutar dichos desarrollos. Por ello, esta tesis define y valida una metodología para el diseño y desarrollo de dispositivos médicos embebidos.

Los sensores basados en fibra óptica han alcanzado una madurez en entornos industriales gracias a su mayor versatilidad y rendimiento frente a los sensores tradicionales, por lo que se han convertido en una alternativa viable y prometedora. Estos sensores tienen aplicaciones en sectores tan diversos como la salud, telecomunicaciones, seguridad, espaciales, aeronáuticas, entre otras, por lo tanto, los sensores de fibra óptica se han vuelto prácticamente indispensables para todas las ramas de la industria. De hecho, no hay área industrial que pueda prescindir de la medición, las pruebas, la supervisión o la automatización. En esta tesis se presenta como un compendio de artículos publicados. Su estructura consta de una primera sección de síntesis que incluye una introducción al tema de la investigación, la descripción del marco teórico y las herramientas metodológicas utilizadas para tal fin, la definición de la hipótesis y los objetivos que se persiguen. Así mismo un resumen y discusión de los resultados. En la segunda sección se presentan las conclusiones de la investigación realizada durante la tesis, así como las futuras líneas de investigación. Por último, en la tercera sección, se mencionan las contribuciones durante la tesis que incluyen una patente europea, trabajos presentados en congresos internacionales, tres artículos publicados en revistas especializadas. Esto es lo que ha permitido presentar esta tesis como un compendio de artículos. La investigación descrita en esta tesis se divide en dos líneas, en ambas se explican en detalle el diseño, fabricación y prueba de cada sensor. En la primera, se explica el desarrollo de un sensor de índice de refracción con un gran rango de medición e independencia a la temperatura basado en un interferómetro Fabry Perot. Dicha investigación y sus resultados han dado lugar a una patente europea y a un artículo científico que se incluyen en el Artículo 1. En la segunda parte se describen dos sensores basados en fibras multi-núcleo fuertemente acopladas, MCF por sus siglas en inglés. Esta tecnología consiste en excitar y recombinar solo dos modos de luz en un segmento corto de fibra óptica MCF. El primer sensor es capaz de medir dos variables simultáneamente (temperatura e índice de refracción). El segundo sensor se basa en la inscripción de redes de Bragg en una fibra MCF, el cual tiene la capacidad de medir curvatura con independencia a la temperatura, con una aplicación en la monitorización de vibraciones (curvatura cíclica).

Esta tesis presenta una innovadora arquitectura de computación de alto rendimiento diseñada específicamente para el procesamiento de Valores Muestreados (SMV) en redes inteligentes, con el objetivo de superar las limitaciones de los sistemas basados en CPU en el procesamiento de datos complejos. Mediante la combinación de un IP de silicio de diseño personalizado y una tarjeta aceleradora basada en FPGA, este estudio ofrece una solución eficiente utilizando el marco de cómputo adaptativo acelerador FPGA de Xilinx, mejorando significativamente la velocidad y eficiencia del procesamiento de datos. A través de experimentos, verificamos que la arquitectura puede desplegar múltiples núcleos de procesamiento SV en un solo acelerador FPGA, evaluando su rendimiento en términos de throughput de datos, características de latencia y consumo de energía del sistema. Los resultados indican que esta solución puede satisfacer las necesidades de alta velocidad, alto throughput y baja latencia de las redes inteligentes.

En la industria automotriz, los suministradores de componentes deben adaptarse a las nuevas tendencias del mercado, especialmente en electrónica. La falta de estudios sobre la integración de esta disciplina en negocios tradicionales plantea un vacío en la investigación. Este trabajo busca proporcionar una metodología para la transición de componentes mecánicos a mecatrónicos. Se proponen tres opciones para introducir la electrónica, con un enfoque en cambios estructurales y tecnológicos. Se utiliza un caso de estudio sobre un pedal de freno para validar la metodología y promover la adopción tecnológica. Se investiga la tecnología Brake-by-Wire, destacando su potencial para redefinir estándares industriales y llegar a nuevos clientes. La metodología se espera sea replicable para otras empresas.

Los sistemas de criticidad mixta, muy populares hoy en día, requieren la eje- cución simultanea de varios contextos con distintas necesidades en cuanto a tiempo real o nivel de seguridad. Para conseguirlo, se utilizan sistemas embebidos heterogéneos, donde, mediante la virtualización en base a hipervisores o marcos AMP (Asymmetric Multi-Processing), se pueden ejecutar varios contextos con distintos sistemas operativos en un único dispositivo. Sin embargo, esto supone un reto en cuanto al cumplimiento del tiempo real y aislamiento. La tesis se centra en estas dos características, aplicadas en dispositivos System-on-Chip con una Field-Programmable Gate Array (SoC FPGA). Por un lado, se miden diferentes latencias introducidas por varias tecnologías de virtualización, y se diseña un circuito que facilita los análisis temporales, lo cual supone un avance respecto a las herramientas existentes. Por otro lado, se implementa un método para extender los contextos lógicos que proporcionan los hipervisores a la FPGA, mejorando el aislamiento y la seguridad del sistema.

Durante un paro cardíaco súbito (PCS), puede ocurrir actividad eléctrica sin pulso (AESP), un ritmo cardiaco que muestra actividad eléctrica pero sin contracciones efectivas. En estudios extrahospitalarios, la prevalencia de AESP como primer ritmo es del 20-30%; en estudios intrahospitalarios, es del 40-60%. Investigadores y clínicos estudian la AESP, enfocándose en la frecuencia cardíaca y el ancho del complejo QRS para obtener información pronóstica. Los resultados son inconsistentes y falta un método automatizado para predecir resultados. Esta tesis presenta enfoques innovadores para monitorear el pronóstico de la AESP en pacientes con PCS. Se desarrollaron modelos predictivos mediante procesamiento de señales y técnicas de aprendizaje automático, utilizando electrocardiogramas, impedancia torácica y presión arterial invasiva. La efectividad de estos algoritmos fue validada retrospectivamente en episodios completos de PCS. Pacientes con PCS muestran señales con más ruido y fluctuaciones erráticas. Por lo que se desarrollaron delineadores específicos: uno del complejo QRS usando aprendizaje profundo y otro de la presión arterial invasiva, utilizando umbrales adaptativos y técnicas avanzadas.