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En este artículo se resumen los resultados obtenidos en el proyecto AWARE coordinado por el Grupo de Robótica Visión y Control (GRVC) de la Universidad de Sevilla y financiado por la Comisión Europea en el VI Programa Marco (IST-2006-33579). El artículo describe brevemente la arquitectura desarrollada para la cooperación autónoma descentralizada entre vehículos aéreos no tripulados, redes inalámbricas de sensores/actuadores y redes de cámaras en tierra. Todo el desarrollo fue validado mediante experimentos de campo con helicópteros equipados con dispositivos heterogéneos tales como c´amaras visuales y de infrarrojos, e instrumentos para el transporte y despliegue de sensores y otras cargas. This paper summarizes the results of the AWARE project coordinated by the Robotics, Vision and Control Group (GRVC) of the University of Seville and funded by the European Commission under the VI Framework Program (IST-2006-33579). The paper briefly describes the architecture developed for the autonomous decentralized cooperation between unmanned aerial vehicles, wireless sensor/actuator networks and ground camera networks. The full approach was validated in field experiments with different autonomous helicopters equipped with heterogeneous devices on-board, such as visual/infrared cameras and instruments to transport loads and to deploy sensors. Comisión Europea programa IST del VI Programa Marco IST-2006-33579

[EN] Rapidly-Exploring Random Trees (RRT) have been the focus of a significant amount of interest during the last years. This article describes the basis of this method. Even more, the most outstanding versions of this technique are illustrated. Likewise, the extension of the algorithm to path planning for nonholonomic vehicles is also presented. Finally, a new approach for nonholonomic motion planning using the concept of restricted manoeuvre and the RRT algorithm is proposed. The efficiency of the method is illustrated by applying the approach to a differential steering vehicle and a car-like robot., [ES] Dentro de los métodos de planificación de trayectorias, las técnicas basadas en el algoritmo RRT (Rapidly Exploring Random Trees) están deparando especial interés. En este artículo se describen los fundamentos de este novedoso algoritmo. Asimismo, se detallan las versiones más significativas aportadas por la bibliografía más reciente. Se ilustra también su aplicación en sistemas robóticos no holónomos. Finalmente se presenta una técnica basada en el concepto de maniobra restringida y su aplicación tanto a vehículos con guiado diferencial como con configuración Ackerman., Este trabajo ha sido parcialmente financiado po rel proyecto DPI2005-02293.

Este trabajo va a tratar sobre el estudio de varias librerías de procesamiento de nubes de puntos y el desarrollo de algoritmos mediante GPU para el pre-procesamiento y la detección de obstáculos enfocado a UAVs. Para determinar los escenarios más interesantes en los que obtener métricas para el posterior análisis, se usarán implementaciones previas en sets de datos reales capturados en entornos urbanos con un LIDAR 3D embarcado en un UAV. Se analizará la comparativa de los resultados obtenidos tras ejecutar los algoritmos tanto en CPU como en GPU, teniendo en cuenta los tiempos de ejecución, el rendimiento y el tamaño de las nubes de puntos. Dicha comparativa se realizará no solo en un portátil, sino también en un kit de desarrollador de la familia NVIDIA Jetson, concretamente una Jetson TX2, la cual cuenta con varios procesadores CPU y una GPU y puede ser integrada en un UAV. La comparativa de los resultados en estos dos dispositivos nos permitirá analizar mejor las ventajas que supone el procesamiento con GPU y determinar los escenarios más eficientes para su uso en UAVs, teniendo en cuenta las limitaciones de los sistemas embebidos. This project is about studying some different point clouds libraries and the development of GPU-based algorithms for pre-processing and detecting obstacles focused on UAVs. In order to decide the most interesting scenes to obtain metrics for the later analysis, some previous implementations on real data sets captured at urban environments with a 3D-LIDAR embedded into an UAV will be used. A comparison of the obtained results will be analysed, after executing the algorithms on both CPU and GPU, with regard to the execution times, the efficiency and the size of the point clouds. The aforementioned comparison will be made not only on the laptop, but also on a NVIDIA Jetson TX2 developer kit, which has some CPU processors and a GPU and it can be embedded into an UAV. The comparison of the results between these two devices will allow us to do a better analysis of the GPU-based processing advantages and determine the most efficient scenes for its use on UAVs, taking into account the embedded systems limitations. Universidad de Sevilla. Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica

Los drones se encuentran cada vez más integrados en la vida diaria de las personas. Desde usos industriales como la inspección de líneas de alta tensión o refinerías, pasando por aplicaciones de reconocimiento aéreo como las operaciones de búsqueda y rescate en desastres natural, hasta llegar a un uso recreativo de los mismos, como la grabación de eventos o los espectáculos lumínicos. Uno de los campos en los que el uso de drones autónomos tiene un gran prospecto es en el envío de paquetería y mercancías en entornos urbanos y remotos. Para poder navegar en dichos entornos, el dron necesita conocer su posición GNSS en todo momento, además del punto al que debe desplazarse para realizar la entrega. Dicha localización se obtiene de receptores que indicar directamente la posición del dron en latitud y longitud. Sin embargo, a la hora de implementar algoritmos de posicionamiento junto a otros sensores, esa posición devuelta por el receptor no puede ser utilizada, ya que los algoritmos requieren la posición del dron sin ningún tipo de filtrado adicional, ya que estos se implementarán dentro del propio algoritmo de posicionamiento. El objetivo de este Trabajo Fin de Grado es el de desarollar una aplicación en C++ que obtenga de un receptor una serie de medidas denominadas pseudorangos, que son la distancia aparente entre cada satélite y el receptor, y a través de ellos aplicar un algoritmo de posicionamiento que sea capaz de la posición instantánea del dron sin aplicar ningún filtro o post-procesado extra al posicionamiento. Una vez desarrollado, se comprobarán los resultados obtenidos realizando distintas pruebas de vuelo con el receptor tomando datos abordo de un dron. Se probarán distintas soluciones a la ecuación de posicionamiento, incluyendo un método de ajuste por mínimos cuadrados ponderados. Drones are increasingly integrated into people’s daily lives. From industrial uses such as the inspection of power lines or refineries, through aerial reconnaissance applications such as search and rescue operations in natural disasters, to recreational uses such as the recording of events or light shows. One of the fields in which the use of autonomous drones has great prospects is in the delivery of parcels and goods in urban and remote environments. In order to navigate in such environments, the drone needs to know its GNSS position at all times, as well as the point to which it must travel to make the delivery. This location is obtained from receivers that directly indicate the drone’s latitude and longitude. However, when it comes to implementing localization algorithms fused with other sensors, this position returned by the receiver isn’t suitable, due to the algorithm requiring the position of the drone without any additional filtering, which will be implemented when fusing the localization obtained with other sensors. The objective of this Project is to develop a C++ application that obtains from a receiver a series of measurements called pseudoranges, which are the apparent distance between each observed satellite and the receiver, and feed them to the localization algorithm which should be able to obtain the instantaneous position of the drone without applying any extra filtering or post-processing to the positioning itself. Once developed, the application will be verified by performing different flight tests with the receiver taking data onboard a drone. Different solutions to the positioning equation will be tested, including a weighted least squares fitting method. Universidad de Sevilla. Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica.

La fundación FADA-CATEC desarrolló en 2020 un framework para la creación y ejecución de misiones de seguimiento de waypoints para autopilotos de DJI. El fin, era poder controlar el dron de forma autónoma en escenarios donde la cobertura GPS no estaba disponible, pues esta es necesaria para poder utilizar las herramientas propias del fabricante que ofrecen este tipo de funcionalidades. Dotando a la aeronave de un sistema de localización alternativo y gracias al framework, se consiguió recuperar la funcionalidad de las misiones. Este, además, ofrece la posibilidad de: controlar el armado de los motores, realizar maniobras de despegue y aterrizaje y alternar entre distintos modos de vuelo (manual, automático y asistido). El presente Trabajo de Fin de Grado tiene como objetivo añadir nuevas funcionalidades al framework, centradas principalmente en: • Mejorar la seguridad del sistema mediante la detección de fallos y ejecución de rutinas de prevención de accidentes. • Añadir compatibilidad con el estándar para autopilotos open-source Pixhawk, adaptando las comunicaciones y funciones a la arquitectura de este tipo de sistemas. Se partirá como base del código ya existente, siendo necesario un previo estudio del mismo, con el fin de poder reutilizar las funcionalidades ya implementadas y seguir la línea de diseño ya establecida por los autores originales. In 2020, the FADA-CATEC foundation developed a framework for the creation and execution of waypoint following missions for DJI autopilots. The purpose was to be able to control the drone autonomously in scenarios where GPS coverage was not available, since it is necessary to be use the manufacturer’s own tools that offer this type of functionality. By equipping the aircraft with an alternative location system and thanks to the framework, it was possible to recover the functionality of executing missions. The framework, in addition, offers the possibility of: arming the motors, executing takeoff and landing maneuvers and alternating between different flight modes (manual, automatic and assisted). The purpose of this project is to add new functionalities to the framework, mainly focused on: • Improving system security by detecting faults and executing accident prevention routines. • Adding compatibility with the open-source Pixhawk autopilot standard, adapting communications and functionalities to this new architecture. It will be based on the existing code, requiring a previous study of it, in order to be able to reuse the functionalities already implemented and follow the design line already established by the original authors. Universidad de Sevilla. Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica

El objetivo de este trabajo consiste en modelar el consumo energético de un vehículo aéreo no tripulado (UAV) de tipo multicóptero y validar el modelo. Se ha modelado los diferentes regímenes de vuelo como vuelo estacionario, vuelo de ascenso, vuelo de descenso, vuelo de avance, vuelo de avance ascensional y descensional para un multicóptero. A partir de la teoría de helicópteros, se han usado el teorema de cantidad de movimiento, el teorema de elemento de pala para realizar un modelo de potencias. Como el modelo de potencias no nos aporta suficiente información sobre el consumo de una batería en un múlticóptero, utilizando un modelo de intensidad, se ha realizado un modelo de consumo a partir de la potencia para encontrar una relación directa entre un régimen de vuelo y el consumo de una batería. The aim of this project is to make a model of energy consumption about an unmanned aerial vehicle (UAV) multicopter’s type and validate this model. This project has modelled the different flight regimes as hovering flight, axial climb and descent flight, forward flight, inclined forward flight. Momentum Theory and Blade Element Momemtum Theory have been used to achieve a power model from Helicopter’s Theory. As the power model does not provide enough information for energy consumption of a battery in a multicopter, using a intensity model, a model of energy consumption has been derived in order to find a direct relation between flight regime and battery consumption. Universidad de Sevilla. Grado en Ingeniería Aeroespacial

Las personas que sufren una parada cardíaca tienen un 70% más de posibilidad de vivir si son atendidas en los tres primeros minutos. Esto convierte en crucial la reducción del tiempo que transcurre antes de esa primera atención. Este trabajo tiene como fin posibilitar la asistencia sanitaria mediante un RPAS, que se desplazará de forma autónoma e irá equipado con un desfibrilador, de forma que la víctima pueda ser atendida rápidamente por un transeúnte antes de que lleguen los servicios de emergencia habituales. Se hará uso de la red 5G para aprovechar las altas capacidades de cómputo de servidores remotos que, de otro modo, debería realizarse a bordo, lastrando su peso y consumo, así como la capacidad de cargar otros elementos, como el material sanitario. Para la navegación inteligente del RPAS se contará con un sensor LiDAR, tanto para evitación de obstáculos como para la búsqueda de una zona segura de aterrizaje. Además, para el correcto seguimiento de todo el proceso será esencial implementar una comunicación en tiempo real con los servicios de emergencias sanitarias People who suffer from a heart attack are 70% more likely to survive if they are treated within the first three minutes. This makes it crucial to reduce the time elapsed before that first care. This project aims to enable healthcare by means of an RPAS, which will travel autonomously and be equipped with a defibrillator, so that the victim can be quickly attended by a bystander before the arrival of the usual emergency services. It will make use of the 5G network in order to take advantage of the high computational capabilities of remote servers that would otherwise have to be carried on board, increasing its weight and consumption, as well as impending the transportation of other items, such as medical equipment. For the smart navigation of the RPAS there will be a LiDAR sensor, both for obstacle avoidance and for the search of safe landing zones. In addition, for the correct monitoring of the whole process, it will be essential to implement real-time communication with the emergency health services. Universidad de Sevilla. Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica.

En este trabajo se ha llevado a cabo la puesta en marcha de un sistema que permite volar simultáneamente un elevado número de vehículos aéreos no tripulados en un entorno controlado. El propósito de dicho sistema es servir de infraestructura que habilite futuras investigaciones relacionadas con los sistemas multi-UAV, permitiendo llevar a cabo pruebas de concepto para la validación experimental de nuevos algoritmos. Los UAVs empleados se encuentran disponibles comercialmente y son especialmente adecuados para este fin, por tratarse de una plataforma de código abierto. A pesar de esto, su uso como sistema multi-UAV no es inmediato y está fuertemente condicionado por el hardware adicional del que se disponga. En nuestro caso, disponemos de un sistema de posicionamiento en interiores que nos permite obtener la localización de cada dron de manera precisa. A la fecha de este documento el sistema cuenta con 10 UAVs, sin embargo, es previsible que en el futuro se plantee incrementar esta cifra. Por este motivo, desde el comienzo se ha tenido presente el asunto de la escalabilidad. Esto plantea ciertos retos, tales como la imposibilidad de hacer uso de tantas antenas como UAVs cuando la cantidad de vehículos comience a ser significativa. De dicha restricción se han derivado numerosos problemas, por lo que ha sido necesario adquirir un profundo conocimiento del sistema para identificar las causas y buscar soluciones. En este documento se detalla todo el proceso y se justifican las decisiones tomadas. Finalmente, se presentan resultados experimentales con hasta 9 UAVs. In this project, it has been carried out the set-up of a system that enables the simultaneous fly of a large number of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in a structured environment. The main goal is to serve as an infrastructure for future researches related to multi-UAV systems, allowing the execution of proof-ofconcept tests to validate new algorithms. The UAVs employed are commercially available and especially well-suited for this end, as they constitute an open-source platform. Despite this, their usage as a multi-UAV system is not an out-of-thebox feature and is strongly conditioned by the additional hardware that is available. In our case, we use an indoor positioning system that provides the localization of each drone with high accuracy. At the time of writing this document the system has 10 UAVs. However, this number is expected to be increased in the future. For this reason, we have kept in mind the scalability issue from the beginning. It poses certain challenges, such as the impossibility of using as many antennas as UAVs when the number of these becomes higher. Several problems arose because of this constraint; therefore, a deep understanding of the system was required to identify the causes and propose solutions. In this document, we detail the whole process and justify the decisions taken. Finally, experimental results are provided for up to nine UAVs. Universidad de Sevilla. Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica

El objetivo principal de este trabajo consiste en implementar una solución del denominado Problema del Viajero (TSP) en el recorrido de un UAV simulado en el entorno de ROS (Robotic Operating System). En dicho problema, concebiremos al UAV que recorre una serie de waypoints de su recorrido como el viajero que se plantea recorrer una serie de ciudades, optimizando la distancia recorrida en el viaje. Con ayuda de dicha analogía, supondremos que el viajero parte de una ciudad origen y pretende llegar a una ciudad destino pasando tan solo una vez por las ciudades intermedias del recorrido. Posteriormente, abordaremos la variante del MTSP (Multiple Traveling Salesman Problem) en la que se consideran varios viajeros que deben llegar a sus respectivos destinos, partiendo del mismo origen y repartiéndose entre ellos las ciudades intermedias del recorrido con el fin de obtener una solución aceptable conjuntamente. Universidad de Sevilla. Máster en Ingeniería Electrónica, Robótica y Automática

The objective of this paper is the learning and initiation into the world of neural networks using the Google tool, TensorFlow. In order to do this, we consider a series of algorithms whose purpose is the control of a drone which can move in a specific environment, avoiding static and mobile obstacle while, at the same time, guaranteeing a safe navigation. This tool is the main different with respect to older research in this field. Furthermore, we look into the structure and the diverse tools that this platform offers with the intention of discovering the areas in which TensorFlow can be useful. Therefore, the organization of this paper is structured as follows: In the first place, we offer an introduction that covers Neural Networks that are so important nowadays in the wide range of application available. We also explain what they are based on and how the information is used. Next, TensorFlow structure is briefly introduced, explaining also how it works and some of the basics tools provided by it. After that, the setting in which we are currently working is illustrated in three different steps. First, a data set is created, then the TensorFlow algorithms are implemented for the different scenarios and finally the "learning" obtain by the neural networks are analysed. Lastly in our conclusions we offer two significant points: first, we demonstrate the findings of the different neural networks in the simulator provided and, second, the conclusions that we have reached in this paper and the future line of researches that this study put forth. Universidad de Sevilla. Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica

En los últimos años se ha incrementado notablemente la investigación con sistemas de aeronaves no tripuladas (UAS por sus siglas en ingles). Actualmente existe cada vez más interés en la utilización de UAS en campos como la fotografía aérea, la inspección y vigilancia, medición, búsqueda y rescate o gestión de desastres, etc. En el campo de la robótica aérea, dentro de los diferentes tipos de plataformas disponibles los helicópteros y otras aeronaves basadas en alas giratorias son las más utilizadas debido a las características especiales que poseen, como la capacidad de despegue y aterrizaje vertical o el vuelo estacionario. Sin embargo, este potencial se ve en ocasiones limitado por factores como el tiempo de vuelo, la estabilidad o la regulación en seguridad. Una posible manera de solucionar estas limitaciones es el uso de configuraciones con cables. Las misiones que involucran un alto riesgo para los pilotos, especialmente operaciones en el mar como búsqueda y rescate en condiciones de tormenta, estudio de capas de hielo, o inspección de aerogeneradores en alta mar, se pueden beneficiar del uso de helicópteros no tripulados con la habilidad de aterrizar en la cubierta de un barco. En el marco del proyecto EC-SAFEMOBIL FP7-ICT-2011-7 (2015a) del Séptimo Programa Marco de investigación de la Comisión Europea, esta tesis presenta contribuciones en el campo de modelado, control y estimación del estado de helicópteros no tripulados de pequeño tamaño. En concreto, se propone el uso de un cable como elemento de guiado para el aterrizaje seguro sobre plataformas en movimiento, como la cubierta de un barco. También se analiza la posibilidad de incluir en el sistema una plataforma de Stewart para garantizar una superficie de aterrizaje horizontal estable compensando los movimientos de balanceo y cabeceo del barco. Para tal fin, usando la metodología de modelado de Kane, que permite obtener ecuaciones diferenciales de primer orden desacopladas, se obtienen modelos mecánicos para cada parte del sistema (helicóptero, cable, cabrestante para el control de tensión del cable y plataforma de Stewart). Estos modelos son un balance entre ecuaciones lo más simple posibles para facilitar el análisis y el diseño de controladores, y expresiones que reproduzcan de forma fiable el comportamiento real de los sistemas. Tras analizar el modelo, se comprueba que la tensión del cable proporciona un efecto estabilizador frente a perturbaciones externas, como las ráfagas de viento. Además, también proporciona una novedosa forma de estimar la posición relativa del helicóptero, cuya fiabilidad no se ve afectada por la falta de precisión del GPS. Teniendo esto en cuenta, se proponen diversas leyes de control para cada parte del sistema. Por una parte, se estudia la aplicación de estrategias lineales de control del helicóptero (por ejemplo, regulador lineal cuadrático con acción integral, control basado en técnicas de loop-shaping, planificación de ganancias, etc.) en el escenario de la tesis. Por otra parte, se desarrollan estrategias más elaboradas de control no lineal basadas en modelo. El diseño de estos controladores depende de la orientación y posición relativa entre el helicóptero y la plataforma. Por lo tanto, es absolutamente necesario desarrollar algoritmos que permitan estimar de forma precisa el estado del sistema utilizando fusión de datos de los diversos sensores a bordo. Para ello, se propone el uso de un filtro de Kalman de raíz cuadrada “sin aroma” (SR-UKF por sus siglas en ingles) numéricamente eficiente para cerrar el lazo de control de manera fiable. La configuración con cable propuesta se valida con simulaciones correspondientes al escenario de aterrizaje sobre la cubierta de un barco considerando perturbaciones externas, así como con los experimentos realizados con la aeronave real en el marco del proyecto de investigación. Esta tesis está compuesta por nueve capítulos y tres apéndices. El siguiente es un resumen del contenido y las publicaciones del autor relacionadas con cada uno. En el Capítulo 1 se explica la motivación del trabajo y se presenta el marco de investigación correspondiente. El Capítulo 2 presenta un breve repaso del estado del arte en cuanto a el aterrizaje de helicópteros no tripulados sobre plataformas en movimiento. Como esta tesis propone el uso de un cable como sistema de guiado, se repasa también en general el uso de este tipo de configuraciones en el campo de los UAS. Como se menciono anteriormente, en esta tesis se obtienen modelos mecánicos para cada parte del sistema usando la metodología de modelado de Kane. Por una parte, en el Capítulo 3 se obtiene un modelo del helicóptero. La metodología de Kane se compara numéricamente con métodos clásicos como el método de Newton-Euler o las ecuaciones de Lagrange. Esta contribución ha sido publicada en Sandino et al. (2011b, 2013d). Finalmente, se propone también un modelo para los diversos sensores a bordo del helicóptero. Por otra parte, en el Capítulo 5 se presenta el modelo completo del sistema con cable. Primero se añade un cable al modelo del helicóptero obtenido previamente. A continuación se estudian los efectos de la tensión de dicho cable sobre la dinámica del helicóptero, así como las propiedades estabilizadores que este proporciona. Para finalizar la caracterización mecánica del sistema, se propone un modelo viscoelástico del cable. Estas contribuciones han sido publicadas en Sandino et al. (2012, 2013a,b, 2014a). Además, se obtiene también un modelo mecánico de la plataforma de Stewart y de los sensores adicionales que incluye esta configuración. Respecto al control del helicóptero, en el Capitulo 4 se comparan varias estrategias. En la primera parte, se estudia la aplicación de estrategias lineales de control del helicóptero en el escenario de la tesis. Esta contribución ha sido publicada en Sandino et al. (2011a, 2012, 2013b). A continuación, se desarrollan estrategias más elaboradas de control no lineal basadas en modelo. Esta contribución ha sido publicada en Sandino et al. (2013a,c, 2014a). Finalmente, todas las estrategias propuestas se comparan y validan en simulación. Continuando con el trabajo de control, el Capítulo 6 está dedicado al control del sistema con cable, incluyendo las modificaciones pertinentes al controlador del helicóptero, una solución para el control de la tensión del cable utilizando un cabrestante controlado en la plataforma, y el controlador de la plataforma de Stewart para compensar los movimientos de balanceo y cabeceo del barco. Las dos primeras contribuciones mencionadas se han publicado en Sandino et al. (2014a). Finalmente, las estrategias propuestas se validan en simulación. Para cerrar el lazo del sistema de control propuesto, el Capítulo 7 está dedicado a la estimación de la orientación y la posición relativa usando un filtro de Kalman numéricamente eficiente. Esta contribución ha sido publicada en Sandino et al. (2015). En el Capítulo 8 se presentan las diversas simulaciones, así como los experimentos realizados con la aeronave real en el marco del proyecto de investigación. Las simulaciones corresponden al escenario de aterrizaje sobre la cubierta de un barco considerando perturbaciones externas como ráfagas de viento y oscilación de la superficie de aterrizaje causada por el oleaje según diversos estados de mar (2, 4 y 6) dados por la escala de Beaufort. Los resultados experimentales con la aeronave real que demuestran las propiedades estabilizadoras del cable han sido publicados en Sandino et al. (2016), mientras que los resultados experimentales con la aeronave real correspondientes a la primera prueba de aterrizaje del sistema con cable sin utilización del GPS han sido publicados en Sandino et al. (2014b). Experimentos adicionales donde se demuestra satisfactoriamente el aterrizaje del sistema con cable sobre una plataforma elevadora oscilando en dirección vertical mientras que es tirada por un vehículo, pueden verse en FP7-ICT-2011-7 (2015b). Para concluir el trabajo, en el Capítulo 9 se revisan las principales contribuciones de la Tesis en el campo de modelado, control y estimación del estado. A continuación se analizan y comparan los resultados experimentales obtenidos. Finalmente, se contemplan las posibles líneas futuras de trabajo. Respecto a los apéndices, el Apéndice A esta concebido como una guía sobre la expresión de los términos de inercia en el modelado de sistemas mecánicos para lectores que no estén familiarizados con la notación con diadas propuesta por Josiah Willard Gibbs en 1884. El Apéndice B muestra los modelos en 3D utilizados para visualizar mejor las simulaciones usando las herramientas de Simulink 3D Animation. Finalmente, el Apéndice C incluye graficas adicionales que no se muestran en el Capitulo 8 en favor de su legibilidad (ángulos de Euler, señales de control, estimación de la posición relativa y errores de estimación), correspondientes a los resultados de las simulaciones que recrean las condiciones del escenario de aterrizaje sobre la cubierta de un barco considerando perturbaciones externas como ráfagas de viento y oscilación de la superficie de aterrizaje causada por el oleaje.

El objetivo de este Trabajo Fin de Máster es la simulación en el entorno de programación MATLAB® de distintos casos de vuelo con múltiples vehículos aéreos no tripulados (UAVs). Para ello se han diseñado tres programas diferentes en MATLAB® cada uno con distintas simulaciones para ver como actuarían en la vida real los UAVs ante diferentes perturbaciones. Hay un primer programa para barrer áreas rectangulares, pudiéndose desactivar un UAV en plena simulación. Un segundo programa para ver como interaccionan entre sí varios conjuntos de UAVs al localizar objetivos para después profundizar más en esos objetivos con otro UAV y un tercer programa que se parece al primero, pero en el cual, los UAVs de un único conjunto despegan y aterrizan de una base para barrer un área cuya única condición es que sea convexa. Se han utilizado diversas interfaces gráficas para modificar cómodamente los parámetros de los programas por parte del usuario. The aim of this Master’s Work is the simulation programming environment MATLAB® different flight cases with multiple unmanned aerial vehicles (UAVs). This work has been designed three different programs in MATLAB® , each one with different simulations to see how they would act in real life UAVs to various disturbances. There is a first program to sweep rectangular areas, being able to deactivate a UAV in full simulation. A second program to see how they interact with each other several sets of UAVs to locate targets for later deeper into these objectives with other UAVs and a third program that looks like the first, but in which UAVs of a single set of UAVs off and landing of a base to sweep an area whose only condition is that is convex. They have used various graphical interfaces to easily modify the parameters of the programs by the user. Universidad de Sevilla. Máster en Ingeniería Aeronáutica

Este trabajo aborda el problema de planificación local de trayectorias en entornos desconocidos. Para ello se utilizan diagramas de Voronoi para modelar el entorno percibido mediante un grafo permitiendo determinar las zonas más alejadas de los obstáculos detectados. Una vez generado el grafo, se hace uso del algoritmo Dijsktra para la búsqueda del camino más adecuado al destino, ya que es un algoritmo de gran sencillez para grafos con una cantidad de puntos reducida. El desarrollo del proyecto está dividido en dos partes bien diferenciadas; la primera de estas consiste en la obtención de trayectorias para entornos conocidos utilizando la herramienta informática Matlab. En la segunda se hace uso de lo aprendido en la primera parte para realizar un sistema de evitación de obstáculos utilizando el Sistema Operativo Robótico (en inglés Robot Operating System, ROS) que es un framework para el desarrollo de software para robots que provee la funcionalidad de un sistema operativo. En este framework se ha utilizado el robot Turtlebot con una cámara Kinect a bordo en el entorno de simulación Gazebo. También se ha utilizado el Robotic System toolbox de Matlab para el conexionado con ROS en tiempo real. This project addresses the problem of trajectories planning using a local path planning method for unknown environments. Voronoi diagrams are used as the main algorithm to generate a visibility graph. These diagrams permit determinate the zone in which the distance from a set of points is maximum. Then, the Dijsktra´s algorithm is used for the research of the shortest path from the origin to the goal because of its simplicity and good results for graph of a reduced quantity of points. The development of the project is divided in two well differentiable parts; the first one consists on the computation of trajectories for known environments using the informatics tool Matlab. The second parts is based on the first one results by implementing an obstacles avoiding system in a reactive way using ROS (Robot Operating System), and Robotic Systems toolbox from Matlab in order to connect both programmes in real time. Simulations have been performed with a Turtleboot robot and a Kinect camera on board, tackling all the cases in the simulation environment tool Gazebo. Universidad de Sevilla. Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales

La localización es un problema crítico en la tecnología de sistemas de computación ubicua. Mientras que la localización en exteriores ha mejorado significativamente con la adopción del GPS, la localización en interiores todavía atrae bastante interés en I+D y ha propiciado el desarrollo de una gran variedad de sensores, tecnologías y técnicas de localización en los últimos años. Esta Tesis describe el diseño, integración, evaluación y validación de un conjunto de técnicas basadas en información y esquemas distribuidos para localización y seguimiento eficientes basados en clústeres utilizando sensores de rango y ángulo en sistemas de computación ubicuos. El presente trabajo de investigación se ha construido sobre los cimientos de un estudio sobre las técnicas de localización y seguimiento en sistemas ubicuos. La mayoría de esquemas de localización y seguimiento en sistemas de computación ubicuos están basados en medidas de la potencia de señal de los paquetes recibidos (RSSI). Esos esquemas obtienen medidas de rango sin necesitar un software o hardware adicional y una gran variedad de técnicas se han propuesto en la literatura utilizando diferentes maneras de integrar las medidas. Las cámaras son también ampliamente utilizadas para seguimiento de objetivos en los sistemas de computación ubicua. Los esquemas basados en cámaras son normalmente más precisos que los esquemas basados en RSSI pero conllevan mucho mayor consumo energético y requieren línea de visión directa con el objetivo. Algunos pocos métodos integran medidas de RSSI y cámaras alternando entre los dos tipos de medida según su disponibilidad para reducir el consumo energético. La mayoría de los enfoques adoptan esquemas basados en clústeres. La gestión del clúster requiere métodos para incluir/excluir nodos del clúster y para decidir el papel de los nodos que participan en el clúster. La primera contribución de esta Tesis es una arquitectura general para la localización y seguimiento basada en clúster en sistemas de computación ubicua. Esta arquitectura se compone de cuatro métodos que se pueden combinar de diferentes maneras que resultan en tres esquemas adecuados para el seguimiento de objetivos mediante: (1) medidas sólo de cámaras, (2) medidas sólo de RSSI y (3) la combinación de ambos tipos de medidas. Todos los esquemas utilizan un filtro extendido de información (EIF) distribuido para la integración de las medidas. La etapa de predicción del EIF es ejecutada por el jefe del clúster, pero el cálculo de la etapa de actualización del EIF es compartido: todos los nodos en el clúster calculan su contribución a la actualización del EIF. El jefe de clúster sólo calcula la predicción del EIF y su contribución a la actualización del EIF: ambas conllevan un tiempo de cálculo constante, independientemente del tamaño del clúster. En comparación con los sistemas existentes, el EIF distribuido propuesto mejora significativamente la escalabilidad y reduce la carga computacional soportada por el jefe de clúster. Como segunda contribución, esta tesis propone técnicas en la que cada nodo estático calcula dinámicamente modelos de RSSI y rango adaptados a las particularidades del entorno que lo rodea. Las técnicas propuestas operan en tiempo real y sólo requieren unas pocas medidas para calcular modelos actualizados de RSSI y rango, de manera que pueden ser aplicados en tiempo real. Se proponen dos técnicas diferentes para la calibración dinámica del modelo de RSSI y rango. La primera de ellas se puede aplicar en caso de realizar el seguimiento de objetivo usando solamente medidas de RSSI. En este caso, cada nodo estático calibra su propio modelo de RSSI y rango utilizando medidas de RSSI obtenidas de los paquetes que recibe desde otros nodos estáticos. La segunda técnica se puede aplicar en caso de realizar el seguimiento de objetivo usando RSSI y también medidas de cámaras. En ese caso, cada nodo estático utiliza las estimaciones del objetivo obtenidas utilizando sólo medidas de la cámara para entrenar en tiempo real su modelo de RSSI y rango. Es significativamente más precisa que la primera técnica. La tercera y cuarta contribuciones en esta Tesis consisten en técnicas de selección de sensores que determinan actuaciones con el fin de optimizar el seguimiento en sistemas basados en clústeres. Se han desarrollado dos métodos principales de selección de sensores: (1) técnicas para activar/desactivar los nodos sensores y para incluir o excluir los nodos del clúster, y (2) técnicas para mejorar la selección del nodo que toma el papel de jefe en el clúster. El método de activación/desactivación reduce el consumo de energía ampliando el tiempo de vida útil de la red, manteniendo sólo activos los sensores con un balance positivo entre la reducción de la incertidumbre y el uso de recursos. El método adoptado resuelve el problema de selección de sensores eligiendo la acción que optimiza un criterio voraz basado en el mencionado balance. Se presentan cuatro técnicas diferentes del método de activación/desactivación en función del número y tipo de medidas recogidos por los sensores: activación de sólo cámaras, activación en seguimiento mediante sólo RSSI, activación conjunta de cámara-RSSI y activación independiente cámara-RSSI. El método de selección del jefe de clúster elige como nodo jefe aquél que puede obtener la incertidumbre más baja usando las medidas de los nodos actualmente activos. Analiza todos los nodos activos y selecciona el más adecuado para llevar a cabo el papel de jefe de clúster. Ambos métodos (activación/desactivación y selección de jefe de clúster) toman en consideración el efecto de los errores de transmisión y adoptan un enfoque óptimo probabilístico. El uso de la traza de la matriz de información como métrica de la incertidumbre permite una implementación distribuida muy eficiente y la integración con el EIF adoptado para la fusión de medidas. Los métodos reducen significativamente la carga computacional, el consumo de energía y mejoran la escalabilidad con respecto a trabajos existentes. La quinta contribución de esta Tesis es la integración de estos métodos en tres esquemas distribuidos: El Esquema Propuesto1 para seguimiento utilizando únicamente medidas de cámaras, el Esquema Propuesto2 para seguimiento utilizando únicamente medidas de RSSI y el Esquema Propuesto3 para seguimiento con medidas de cámaras y RSSI. Los métodos desarrollados se integran armoniosamente y de manera eficiente en esquemas distribuidos. Dos implementaciones diferentes han sido desarrolladas para cada esquema: Implementación1, la combinación directa de los métodos e Implementación2, que simplifica los métodos de activación/desactivación de sensores y selección de jefe de clúster con el fin de reducir la complejidad y los recursos necesarios para comunicaciones. Por último, el comportamiento y la robustez de los métodos y esquemas desarrollados en esta Tesis se han analizado y comparado con trabajos existentes en la literatura. Los resultados de la validación muestran que la ejecución conjunta de los métodos en un esquema distribuido genera sinergias que mejoran el comportamiento de la localización y seguimiento. Esto está especialmente demostrado en los esquemas que integran medidas de RSSI y cámaras. En este caso la combinación de los métodos genera un comportamiento emergente en el que las medidas de las cámaras se utilizan para entrenar modelos de RSSI y rango. Una vez entrenados, el método de activación/desactivación de sensores tiende a desactivar cámaras debido a su mayor consumo. El comportamiento es autorregulado. Cuando demasiadas cámaras están inactivas, la precisión de los modelos de RSSI se degrada, lo que implica una mayor incertidumbre en la estimación global del objetivo, lo cual produce que el método de selección de sensores active de nuevo cámaras para reducir la incertidumbre. Esto conduce a una reducción de la carga computacional, del consumo de energía y una mejora en la escalabilidad respecto a trabajos existentes, logrando a su vez una precisión similar y con la misma robustez frente a errores típicos en redes de cámaras inalámbricas.

Universidad de Sevilla. Ingeniería de Telecomunicación

Esta tesis aborda el problema de diseñar e implantar sistemas de detección y monitorización en entornos exteriores no estructurados empleando imágenes de infrarrojos. Para cumplir este objetivo se han desarrollado diversos métodos, algoritmos y sistemas que suplen la falta de conocimiento preciso de los objetos a detectar y del entorno. De entre las aportaciones de esta tesis cabe destacar las sig uientes: 1. Métodos para la selección automática de umbrales en entornos no estructurados, utilizando multirresolución del histograma de las imágenes, combinada con conocimiento heurístico de la aplicación. 2. Métodos para la detección de objetos no rígidos en entornos no estructurados. 3. Contribuciones a la monitorización de objetos en entornos no estructurados. 4. Modelado y control de visibilidad de una cámara de infrarrojos. 5. Realización de experimentos de detección y seguimiento de objetos móviles mediante imágenes de infrarrojos. Todos los algoritmos desarrollados se han particularizado a problemas de detección y monitorización, y aplicados a los incendios forestales.