Ingeniería de Sistemas y Automática

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Digital Twin Approaches for Automatic Control Systems: Concepts, Methods, and Applications
(2025-07-23) Chicaiza Salazar, William David; Escaño González, Juan Manuel; Sánchez del Pozo Fernández, Adolfo Juan; Ingeniería de Sistemas y Automática
Esta tesis investiga la viabilidad de utilizar modelos basados en datos como alternativa viable a los modelos de primeros principios para aplicaciones de control automático en el marco del Gemelo Digital (DT). Estos modelos, que forman el dominio de comportamiento de un DT, se evalúan en términos de su capacidad para capturar, representar y predecir la dinámica del sistema con suficiente fidelidad y eficiencia computacional. La investigación identifica y aborda retos clave en la implementación del DT, como la fidelidad del modelo, la sincronización con el sistema físico y la operabilidad en tiempo real. Se lleva a cabo un análisis comparativo entre los modelos basados en datos y los de primeros principios, que pone de relieve las compensaciones en la precisión de la sincronización, el rendimiento computacional y la aplicabilidad en tareas de control y optimización. Además, se analiza el despliegue práctico de estos modelos en hardware industrial, como los controladores lógicos programables (PLC). Además del modelado y el control, esta tesis explora la robustez de los DT bajo amenazas ciberfísicas, centrándose en los ataques de inyección de datos falsos y su impacto en la sincronización y el rendimiento del control. Se proponen estrategias de detección de anomalías, verificación de la integridad de los datos y adaptación de modelos para evitar la propagación de errores y garantizar un funcionamiento fiable. Sin embargo, la inyección de datos falsos es sólo una de las muchas amenazas que pueden comprometer el marco DT. Por lo tanto, este trabajo también investiga el papel más amplio de los DT en la identificación y mitigación de los ciberataques en los Sistemas de Control Industrial (ICS). Aprovechando las capacidades de monitorización y predicción en tiempo real del DT, las desviaciones entre el comportamiento esperado y el real del sistema se utilizan como indicadores de amenazas a la ciberseguridad, estableciendo los DT como capas proactivas para la detección de anomalías y la mitigación de ciberamenazas. Las metodologías desarrolladas se validan mediante estudios de casos en instalaciones operativas de energías renovables, lo que demuestra la aplicabilidad práctica de las estrategias de control basadas en DT. Los resultados confirman que los modelos basados en datos pueden respaldar eficazmente la toma de decisiones en tiempo real, mejorar el rendimiento del control y aumentar la resistencia y fiabilidad de los sistemas industriales en condiciones normales y adversas.
Trajectory planning Algorithms for bio-inspired Drones
(2025-07-08) Rodríguez Sánchez, Fabio; Capitán Fernández, Jesús; Díaz Báñez, José Miguel; Ingeniería de Sistemas y Automática; Matemática Aplicada II
Las matemáticas y la optimización computacional son fundamentales para el avance de la robótica, particularmente en el caso de los Vehículos Aéreos No Tripulados (UAVs), comúnmente conocidos como drones. Esta tesis aborda desafíos clave en la planificación y coordinación de diversos sistemas robóticos que integran drones, motivados por la creciente complejidad de las aplicaciones que involucran sistemas multi-robot y diseños bioinspirados. A diferencia de gran parte de la investigación existente, que a menudo prioriza la construcción de sistemas y las pruebas empíricas, este trabajo se centra en enfoques formales de resolución de problemas basados en técnicas de optimización y diseño algorítmico. La tesis realiza contribuciones significativas en tres áreas principales: (1) planificación de trayectorias para sistemas de drones multi-robot, (2) planificación de trayectorias para drones ornitópteros y (3) planificación de trayectorias para sistemas robóticos marsupiales. En primer lugar, se introduce un algoritmo novedoso para evitar colisiones en sistemas multi-robot que minimiza el consumo de energía y el tiempo de misión. Al asignar ángulos de giro a los drones, el algoritmo garantiza una navegación segura y la resolución dinámica de conflictos. Los experimentos computacionales realizados demuestran su eficiencia y un rendimiento superior en comparación con el estado del arte. En segundo lugar, la tesis presenta un enfoque basado en optimización para planificar trayectorias eficientes en drones ornitópteros, alternando entre fases de aleteo y planeo. Este método también se amplía mediante técnicas de aprendizaje automático, lo que permite la generación de trayectorias eficientes en tiempo real incluso en entornos con incertidumbres. Finalmente, se propone una estrategia para la planificación de rutas en sistemas robóticos marsupiales con cable (un dron conectado a un vehículo terrestre), garantizando una navegación sin colisiones para los robots y el cable en entornos 3D complejos. Combinando el modelado geométrico del cable con heurísticas eficientes, el algoritmo consigue planificar en tiempo real y supera a otras aproximaciones del estado del arte tanto en precisión como en eficiencia. Todos los algoritmos desarrollados en esta tesis han sido implementados en Python y publicados como código abierto. Además, se han realizado experimentos exhaustivos para evaluar su rendimiento. Estas contribuciones impulsan el estado del arte en la coordinación multi-robot, el vuelo eficiente de vehículos ornitópteros autónomos, y los sistemas marsupiales robóticos con cable, estableciendo una base sólida para futuras investigaciones e innovaciones en estos campos.
Pushing the Boundaries of Aerial Manipulators: From Pipeline Inspections to Human Collaborative Tasks
(2025-07-01) González Morgado, Antonio; Heredia Benot, Guillermo; Ollero Baturone, Aníbal; Ingeniería de Sistemas y Automática
Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are extensively used in a wide range of applications, primarily for monitoring and sensing the environment, such as in agriculture, surveillance, and disaster response. In recent years, research has led to the emergence of a new field known as aerial manipulation, which aims to go beyond passive observation by enabling physical interaction with the environment. This has opened the door for aerial robots to perform tasks such as material transportation, object grasping, and contact-based inspections. Although aerial manipulators have already revolutionized various sectors, there is still significant room for improvement in current applications, as well as potential in yet unexplored areas. This thesis aims to develop novel aerial platforms and advanced control strategies to push the boundaries of aerial manipulation toward new tasks and applications. To achieve the overall goal of expanding the current applications of aerial manipulators, this thesis begins by analyzing their present limitations and challenges. Specifically, this thesis focuses on three main fields of application: (i) pipeline inspections; (ii) environmental tasks; and (iii) collaborative tasks with humans. With the aim of enabling new applications, this work develops advanced aerial platforms such as fully-actuated hexarotors, tilting-rotor multirotors, and omnidirectional platforms, which are subsequently employed in the different target scenarios. For pipeline inspections, the thesis presents the use of two distinct aerial platforms to perform perimeter inspections of pipelines. In the field of environmental tasks, it introduces controlled shaking of trees and branches, paving the way for aerial fruit sampling, and floating litter collection from water using a multi-robot aerial manipulation approach. Finally, in the context of human collaboration, the thesis presents a novel through-window aerial delivery system, as well as the use of aerial manipulators for cooperative transport tasks with human partners. In addition, the thesis proposes new solutions to mitigate aerodynamic disturbances encountered when flying in close proximity to the environment.
Cybersecurity in model-based Control: Resilient Design and Software rejuvenation Methods
(2025-05-08) Araúz Pisón, María Teresa; Camacho, Eduardo F.; Maestre Torreblanca, José María; Ingeniería de Sistemas y Automática
La interconexión actual de las arquitecturas de control exige estrategias de control resilientes capaces de garantizar la estabilidad y el rendimiento en condiciones adversas. Esta tesis doctoral se centra en la ciberseguridad de los sistemas de control basados en modelos, particularmente en entornos en red, donde las amenazas cibernéticas pueden comprometer significativamente el rendimiento y la seguridad del sistema. Para ello, esta tesis presenta los fundamentos del diseño ciberseguro resiliente en sistemas de control basados en modelos, e introduce el concepto de rejuvenecimiento de software (‘software rejuvenation’) en un entorno de control predictivo. En particular, las contribuciones y los resultados obtenidos en los artículos publicados se agrupan en cuatro líneas principales de investigación: i) Ciberseguridad en el control predictivo basado en modelos (MPC): Un estudio exhaustivo examina los riesgos de seguridad en arquitecturas de MPC distribuido (DMPC), categorizando los modelos de ataque y proponiendo estrategias de mitigación para mejorar su resiliencia. ii) Diseño de controladores PI resilientes: Se desarrolla un enfoque basado en modelos mediante técnicas en espacio de estados y LMIs para mejorar la robustez de los controladores PI. iii) Estrategias de MPC estocástico: Se introduce un marco de MPC basado en árboles (TBMPC) que integra explícitamente pérdidas de paquetes y ataques de interferencia (jamming) en el proceso de optimización del control, garantizando la operación robusta del sistema en escenarios adversarios. iv) Rejuvenecimiento de software: Esta tesis amplía el concepto de rejuvenecimiento de software al control predictivo, introduciendo estrategias de lazo abierto y lazo cerrado en TBMPC. Además, esta tesis presenta los manuscritos de los artículos publicados y aceptados, que constituyen la base de esta investigación. Finalmente, se presentan los principales hallazgos y conclusiones de la tesis, junto con posibles líneas futuras de investigación.
Analysis and Modeling of aerodynamic Interactions and hybrid UAV Design for close proximity Operations
(2025-03-28) Garófano Soldado, Ambar; Heredia Benot, Guillermo; Ollero Baturone, Aníbal; Ingeniería de Sistemas y Automática
Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have evolved into versatile tools for diverse applications, particularly in industrial inspection and maintenance. These platforms are increasingly deployed in challenging environments such as tunnels, pipelines, and confined spaces, where their ability to operate near surfaces is critical. This Thesis investigates the aerodynamic interactions that influence UAV performance in these scenarios, addressing phenomena such as ground effect, wall effect, and pipe effect that can destabilize UAVs in confined or complex environments. A combination of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations, experimental studies, and aerodynamic modeling is employed to understand these effects and improve UAV stability and control. While understanding aerodynamic interactions is essential to optimizing UAV performance, this Thesis also demonstrates how such insights can inform innovative design approaches to improve UAV adaptability and operational efficiency. A hybrid aerial-ground UAV design is developed as a result of this aerodynamic understanding, aiming to achieve similar goals as aerodynamic optimization through integrated capabilities. These designs combine aerial flight with ground mobility, enabling UAVs to transition between modes for tasks requiring precision and stability. By perching or rolling along structures, hybrid UAVs reduce energy consumption, extend operational time, and improve stability during inspection and maintenance tasks. The research examines advanced UAV configurations, including tilted and coaxial rotors, with a focus on their aerodynamic interactions in ground effect and confined environments. Ground effect studies highlight the influence of rotor spacing, tilt, and proximity to the ground on thrust generation and aerodynamic efficiency. Aerodynamic models are developed and validated through numerical-experimental data, integrating these key parameters to ensure UAV maneuverability in various scenarios. A ground effect model for a complete UAV platform with tilted rotor is also validated through real-world indoor flight tests. The analysis extends to wall and corner effects on tilted rotors, evaluated through CFD simulations to assess their impact in constrained environments. Pipe effect is also studied in different types of UAV platforms. For morphing multirotors, a specific approach trajectory to pipelines is studied, while conventional multirotors are analyzed more broadly, considering the effect of propeller proximity to a pipe at different horizontal and vertical distances. The findings from the pipeline inspection studies are applied to the design of hybrid systems, ensuring that aerodynamic interactions are accounted for or mitigated to achieve optimal performance in particular applications. The Thesis also examines collaborative UAV operations, focusing on tasks such as power line inspection, where multiple UAVs operate in close proximity. Insights into aerodynamic disturbances, such as downwash effects, inform strategies for optimizing inter-UAV spacing and improving stability during cooperative missions. By integrating aerodynamic modeling, experimental techniques, and hybrid design solutions, this Thesis contributes to the development of UAV systems tailored for complex industrial environments. The findings provide a robust framework for optimizing UAV performance in inspection, maintenance, and collaborative tasks. This dual approach, combining aerodynamic insights and hybrid design innovations, advances the state of UAV technology, enabling safer, more efficient, and versatile operations in demanding scenarios.
Contributions to Control Law Designs and Stability Analysis in AC Microgrids
(2025-02-11) Merchán-Riveros, María Camila; Albea-Sánchez, Carolina; Salas Gómez, Francisco; Ingeniería de Sistemas y Automática
The growing global demand for clean energy has made renewable energy sources essential, with microgrids emerging as a promising solution for integrating these resources into conventional power grids in a flexible and sustainable manner. This thesis contributes to the control design and large-signal stability analysis of AC islanded microgrids. It focuses on the development of distributed control loops for state of charge consensus and reactive power sharing between batteries in discharging mode. Continuous-time and hybrid dynamical three-time scale control schemes are proposed for secondary and primary control loops, and large-signal stability properties are provided using singular perturbation theory. In addition, we present and validate a qualitative large-signal stability analysis using bifurcation theory for AC islanded microgrids with constant power loads, supported by both simulation and experimental results.
Unconventional Aerial Robots and Applications to Space Exploration
(2024-10-04) Ruiz Vincueria, Fernando; Arrue Ullés, Begoña C.; Ollero Baturone, Aníbal; Ingeniería de Sistemas y Automática
In recent years, technological advancements have enabled the development of a new category of aerial systems known as unconventional aerial robots. These vehicles are designed to overcome the limitations of traditional UAVs, such as issues with safety, efficiency, landing on different surfaces, operation in extreme environments, manipulation, and multimodal capability. The thesis focuses on addressing these limitations to expand the potential uses of aerial robots for various tasks. Thus, it proposes several innovative solutions, such as deformable aerial robots that can change their shape in flight to improve their aerodynamic properties, safety, and efficiency, or even provide the aerial robot with the ability to land on different surfaces or structures using its deformable arms to grasp. Additionally, flapping-wing aerial robots are developed, capable of changing shape for both aerial and aquatic locomotion, allowing operation in multiple environments. These technologies aim to enhance the performance and versatility of UAVs in various missions. Overall, this thesis develops experimental proof-of-concept prototypes, aiming to advance the state of the art and demonstrate the potential use of these uncon-ventional aerial robots in space applications, addressing challenges such as extreme pressure and temperature conditions. Consequently, the thesis also includes experi-mentation within the framework of the MAHD (Mid-Air Helicopter Deployment at Mars) NASA-JPL project, which proposes a novel entry, descent, and landing (EDL) solution for helicopter-only missions on Mars, based on a propulsive jetpack.
Enhancing Stability In Electric Vehicles With In-Wheel Motors
(2024-10-25) Ahmed Hassan Ahmed, Ibrahim; Domínguez Frejo, José Ramón; Maestre Torreblanca, José María; Ingeniería de Sistemas y Automática
This thesis evaluates advanced control strategies aimed at improving the stability and maneuverability of electric vehicles (EVs) equipped with in-wheel motors (IWMs). It begins with an overview of the in-creasing importance of EVs for their environmental benefits and the potential of IWMs to enhance vehicle mobility and control adaptability. The thesis then focuses on addressing the challenge of lateral motion control during critical cornering scenarios. The primary focus is on the Direct Yaw Control (DYC) method, which utilizes the yaw moment to stabilize the vehicle and enhance handling characteristics. Particularly, addressing oversteering and understeering phenomena, ensuring better control and stability in various driving conditions. The research utilizes a fully functional prototype named FOX, serving as an ideal platform for implementing and evaluating the electronic stability control system. DYC includes two control levels: the upper controller, which determines the desired yaw moment and the lower controller, which allocates it to the four wheels using Torque Vector Control (TVC). The stability algo-rithm combines Model Predictive Control (MPC) with TVC to enhance vehicle stability. MPC determines corrective signals, while the TVC dis-tributes them among the IWMs for effective stability control. Addition-ally, an alternative approach using a Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) further improves stability by accounting for system dynamics, ensuring precise vehicle behavior control. Due to the high computational requirements of NMPC and the need for rapid control signal calcula-tion, the thesis proposes integrating Nonlinear Autoregressive Exoge-nous (NARX) neural networks. In particularly, artificial neural networks (ANNs) were employed and trained using distinct simulation datasets to achieve this integration, So as to enhance lateral stability during cornering by emulating NMPC. The ANN model, trained on simulated NMPC data, includes tuning parameters as inputs, creating a versa-tile family of predictive controllers, that improve vehicle stability and handling while reducing computation time. Additionally, the thesis in-troduces a comprehensive benchmarking framework to evaluate vehicle lateral stability enhancement during double-lane change (DLC). This framework tests control strategies using simulations and performance metrics, supporting the development of advanced control strategies. Fi-nally, the effectiveness of the proposed techniques has been evaluated through MATLAB/Simulink simulations.
Coalitional Model Predictive Control based on Partial Cooperation
(2024-07-17) Sánchez Amores, Ana; Maestre Torreblanca, José María; Camacho, Eduardo F.; Ingeniería de Sistemas y Automática
This doctoral thesis investigates the development of coalitional strategies based on model predictive control (MPC). Our study emphasizes the necessity of managing increasingly complex systems while maintaining efficiency and scalability. To this end, we explore the limits of decentralization in coalitional control, developing algorithms that minimize the amount of data communicated in the network to preserve privacy and enhance autonomy, while still maintaining acceptable levels of performance. The proposed strategies achieve a trade-off between computational efforts and performance. While performance may degrade compared to other coalitional methods, this trade-off allows for increased autonomy and reduced communication requirements. First, we survey the existing literature, motivating the need for non-centralized control strategies to manage large-scale systems, and we introduce the main objectives of this PhD dissertation. The contributions of this thesis can be broadly classified into two main parts. In the first one, we introduce a novel variable decomposition for partially cooperative systems. In this regard, we distribute coupling variables among local agents, developing stochastic and robust coalitional MPC approaches that allow agents to share control authority over certain input portions while maintaining privacy over others. Moreover, we study the limits of control authority delegation by establishing the maximum portion of an agent’s input space that can be ceded to another agent while ensuring the feasibility of the global optimization problem. This ensures that decentralized operations respect system constraints with minimal data communication. On the other hand, the second part focuses on systems with shared resources, developing coalitional methods to decouple joint constraints, allowing agents to operate with greater autonomy. Since this thesis has been developed in the framework of OCONTSOLAR project, the control algorithms presented in this second part are applied to the case study of large-scale solar plants. Finally, we provide conclusions and future research directions of our main contributions
Safe and optimal operation under uncertainty and plant-model mismatch
(2024-06-12) Mirasierra Calleja, Victor; Alamo, Teodoro; Limón Marruedo, Daniel; Ingeniería de Sistemas y Automática
Designing model-based control systems involves addressing uncertainty and modeling errors to ensure robust control. While this is a fundamental control problem, in recent years, the rapid growth of the field of machine learning has led to a significant rise in the development of probabilistic and robust techniques based on data sampling. The objective of this thesis is twofold. On the one hand, improve the estimation of safe regions by means of sample-based techniques. Safe regions bound the probability of meeting the constraints and keep it above a certain threshold. On the other hand, in this thesis we propose techniques that modify the real-time optimization problem in order to calculate the optimal operation of the plant despite the precision of the available model.
Contributions to the implementation of real-time model predictive control in power inverters
(2024-06-11) García Ordóñez, Joaquín; Gordillo Álvarez, Francisco; Limón Marruedo, Daniel; Ingeniería de Sistemas y Automática
Esta tesis explora las complejidades y avances en el control de inversores de potencia con control predictivo basado en modelo, con un enfoque particular en los inversores multiniveles. La importancia de estos últimos está creciendo debido al cambio global en la generación de energía, especialmente en la necesidad de fuentes de energía renovable como la solar y eólica, ya que se requieren inversores de potencia para su integración en las redes eléctricas. El control predictivo basado en modelo es un método de control emergente en este campo, anteriormente limitado por su alto esfuerzo computacional que no se adaptaba bien a las altas frecuencias que necesitan los convertidores de potencia para funcionar. Gracias a la mayor disponibilidad de hardware de cálculo más potente, este método de control se ha vuelto más atractivo debido a sus ventajas, como su optimalidad, flexibilidad y la capacidad de manejar fácilmente sistemas multivariables complejos que requieren varios objetivos de control. En esta tesis se introduce una nueva mejora para el control predictivo llamada ``multirate'' y se adapta a la aplicación de convertidores de potencia. Este trabajo también aborda el problema de la inercia en la creciente integración de fuentes de energía renovable. La reducción de generadores síncronos y su sustitución por fuentes de energía gobernadas por electrónica de potencia disminuye la inercia de la red, creando desafíos en la regulación de frecuencia y aumentando el riesgo de inestabilidad de la red. Aprovechando la flexibilidad del control predictivo basado en modelo, se introduce una nueva formulación como un método prometedor para proporcionar inercia virtual a la red. La tesis concluye con propuestas de implementación de control predictivo basado en modelo en tiempo real, destacando implementaciones basadas en datos y métodos de aprendizaje automático para abordar las difíciles res-tricciones del tiempo real en aplicaciones de electrónica de potencia. En particular, se propone un sistema \textit{hardware-in-the-loop} para superar las demandas computacionales en un dispositivo FPGA. En resumen, este trabajo proporciona un marco para la implementación de control predictivo basado en modelos en tiempo real que aborda desafíos mordernos de control y mejora el rendimiento. El autor desea que este trabajo pueda servir como una base flexible para el futuro para seguir mejorando la eficiencia de la generación y la integración de energía, así como el rendimiento de conversión de los inversores de potencia.
Strengthening robot perception in information-degraded environments for aerial inspection and maintenance
(2024-05-24) López Paneque, Julio José; Martínez de Dios, José Ramiro; Ollero Baturone, Aníbal; Ingeniería de Sistemas y Automática
Esta Tesis Doctoral aborda el diseño, desarrollo y validación experimental de diferentes métodos para reforzar la percepción de los robots aéreos en escenarios de Inspección y Mantenimiento de infraestructuras industriales y civiles. Los métodos desarrollados permiten la operación totalmente autónoma de los robots aéreos sin depender de ninguna infraestructura externa, asumiendo que todos los sensores, métodos de percepción y dispositivos de procesamiento se encuentran a bordo del robot, y no requieren ninguna alteración del entorno. A lo largo de la Tesis se han seguido tres enfoques principales para el diseño de los diferentes métodos. Primero, el uso de esquemas multisensor que aprovechan las sinergias entre sensores para mitigar las debilidades de cada dispositivo individual. Segundo, la selección del modelo más adecuado para representar y estimar el estado del robot en cada escenario. Tercero, el uso de técnicas de percepción activa que mejoren la calidad de las entradas de percepción. Los enfoques propuestos aportan soluciones complementarias, que han dado lugar al desarrollo de cinco métodos contenidos en esta tesis, diseñados en función de las necesidades de cada aplicación estudiada. En primer lugar, esta Tesis Doctoral presenta un método de localización robusta basado en un enfoque multisensor y multihipótesis, que permite la navegación segura y autónoma de robots aéreos sin GNSS en escenarios complejos de inspección industrial y civil. El método integra características de cámara RGB y LiDAR en el mismo marco estadístico, y adopta un enfoque iterativo multihipótesis eficiente. En segundo lugar, esta Tesis Doctoral introduce el uso de mallas (meshes) probabilísticas para representar superficies localmente planares en misiones de inspección de largo alcance en escenarios pobres en información geométrica. Las mallas permiten representar de forma coherente las superficies planas y usar técnicas de decimación para mejorar la fidelidad del mapa, reduciendo la influencia del ruido de medida. La formulación probabilística está basada en variedades y refleja de forma natural la incertidumbre del mapa, evitando inconsistencias en la estimación del estado. En tercer lugar, esta Tesis Doctoral desarrolla un sistema de inspección de líneas eléctricas reactivo, embarcado y en tiempo real, que realiza una segmentación semántica para identificar los diferentes elementos del escenario, y adapta la velocidad de la plataforma aérea para adquirir más datos de estos elementos hasta alcanzar la calidad requerida. El sistema es capaz de proporcionar datos de alta calidad para la aplicación prevista, y genera un mapa preliminar preciso que puede utilizarse para tareas en las que el tiempo es un factor crítico, sin esperar a resultados de posprocesado. En cuarto lugar, esta Tesis Doctoral presenta un sistema de generación de trayectorias de aproximación al posado en tendidos eléctricos que tiene en cuenta la percepción y produce maniobras versátiles, ágiles, sin colisiones y dinámicamente posibles. Se propone una formulación matemática eficiente para considerar configuraciones genéricas de líneas de alta tensión, que puede usarse para generar trayectorias de posado que consideran la percepción, así como para realizar navegación reactiva en tiempo real. Finalmente, esta Tesis Doctoral presenta el diseño, desarrollo y validación de un sistema robótico aéreo totalmente autónomo adaptado para buscar herramientas perdidas en una planta de fabricación aeronáutica. Se presenta un sistema altamente robusto basado en etiquetas de Ultra Ancho de Banda (UWB), que funciona en las condiciones complejas de una planta de planta de fabricación de Airbus D&S. La investigación llevada a cabo en esta Tesis Doctoral no sólo se ha centrado en el desarrollo de estos métodos, sino también en proporcionar validaciones experimentales intensivas para cada una de las aportaciones, en muchos casos durante demostraciones en vivo de los sistemas propuestos.
Contribuciones a la interconexión de sistemas a través de red y control robusto
(2024-03-15) Díaz Cano, Juan María; Acosta Rodríguez, José Ángel; López Martínez, Manuel; Ingeniería de Sistemas y Automática
En el ámbito de la tecnología aeroespacial contemporánea, los Vehículos Aéreos No Tripulados (UAVs), comúnmente conocidos como drones, han desempeñado un papel revolucionario en la exploración de espacios aéreos. Entre los diversos tipos de UAVs, los Quad-Rotor, que funcionan con cuatro rotores, han destacado debido a su agilidad en entornos tridimensionales. Esta tesis, titulada "Contribuciones a la Interconexión de Sistemas a través de Red y Control Robusto," se centra en mejorar el control y la estabilidad de estos sistemas. La tesis se divide en dos áreas clave: el diseño de módulos para la interconexión de sistemas de control remoto y sistemas lineales, y el desarrollo de estrategias de control robusto basadas en modelos (linealización por realimentación más modos deslizantes), específicamente para sistemas subactuados. Además, se investiga la viabilidad de utilizar redes de comunicación diversas, como 3G y Wi-Fi, para mejorar la conectividad y el control remoto de UAVs. Para respaldar la investigación, se construyó una plataforma experimental dedicada a Quad-Rotor, que se utilizó para validar las estrategias de control propuestas. En resumen, esta tesis representa un avance significativo en el campo del control de UAVs, abordando cuestiones de interconexión y control robusto en entornos desafiantes de comunicación asíncrona y retrasos.
Optimal navigation management in natural inland waterways
(2024-03-20) Moreno Nadales, Juan; Alamo, Teodoro; Limón Marruedo, Daniel; Muñoz de la Peña Sequedo, David; Ingeniería de Sistemas y Automática
Today, maritime freight transport is one of the most important factors in the development and growth of world economies in an increasingly interconnected and interdependent world. Within the different scenarios, one of the critical environments whose management is particularly delicate and which today continues to pose different challenges to be solved are natural inland waterways, which are natural logistical navigation channels connected to inland ports. Unlike artificial channels, transportation in natural inland waterways presents formidable challenges due to ever-changing environmental conditions and the unpredictability of different natural phenomena, such as the effect of the tide, in addition to the various operational constraints that arise from environmental, economic and safety issues. This doctoral thesis addresses one of the main challenges in this type of canals, which is the optimal and safe management of navigation within the waterways, all this from a practical approach taking into account the industrial framework in which this work takes place. In the first component of this research, we introduce a methodology aimed at finding optimal navigation plans, which are intended to serve as reference guidelines to which vessel pilots can adhere. These plans are designed with the objective of optimising the waiting and sailing times of vessels, which not only leads to a significant improvement in the efficiency of port and logistics operations, but also has a strong economic impact due to the importance of good channel management on the prestige and positioning of the port. It is important to highlight here the great importance of the effect of the tide, which conditions the time windows in which the channel is available due to the dynamic effect it has on the depth of the channel. To address this issue, a methodology for the search of safe crossing windows is proposed in this work, which guarantees the existence of at least one feasible safe trajectory for each vessel included in the plan. To facilitate the practical implementation of the proposed scheduling methodology, an open-source software tool has been developed. This tool equips navigation planners with a practical solution for optimizing vessel routes by considering real-time data and environmental conditions. The second facet of this thesis tackles the inherent uncertainty associated with inland waterways. Unforeseen incidents, including delays and mechanical failures, can disrupt even the best-laid plans. To counteract these uncertainties, we propose strategies for dynamic rescheduling that allow for real-time optimal adjustments in response to unexpected events. These strategies prioritize safety and aim to minimize the overall impact of the incident. To carry out all this, it is necessary to establish an architecture that allows real-time detection of the incident based on the localization data provided by the vessel, as well as a filter that allows the correct identification of the type of incident that has occurred in order to be able to take the correct action. In the last stage of the present work, we go one step further by looking into the future and propose an autonomous strategy for the control of the vessels, thus making each of the them an autonomous robot capable of navigating the estuary without any human intervention and thus reducing the risk of accidents due to human error, and the need for expert pilots. To this end, the use of distributionally robust control strategies applied to the problem of navigation control in natural inland waterways is presented. The main advantage of this type of methodology is that, unlike conventional robust control strategies that require a perfect identification of the different sources of uncertainty affecting navigation, particularly the effect of the tide, the proposed control strategy is able to improve performance relying only on the knowledge of a very limited set of historical depth data.
Multi-robot sensor networks for thermosolar power plants
(2023-10-10) García Martín, Javier; Camacho, Eduardo F.; Maestre Torreblanca, José María; Ingeniería de Sistemas y Automática
Esta tesis, enmarcada dentro del proyecto OCONTSOLAR, aborda la gestión de una flota de robots heterogénea, compuesta tanto por robots aéreos como terrestres (UAVs y UGVs respectivamente por sus siglas en inglés), con el objetivo de obtener un mapa estimado de irradiación solar a lo largo y ancho de una planta termosolar. En la primera parte de esta tesis nos centramos en afrontar el problema de la asignación de tareas en sistemas multirobot (MRTA por sus siglas en inglés) en el contexto de una planta termosolar, que se caracteriza generalmente, además de por sus grandes dimensiones, por constituir un entorno estructurado con obstáculos conocidos. Para ello, se asume que una capa superior es capaz de generar tareas consistentes en ir a un determinado punto de la planta y tomar una medición, y que dichas tareas deberían ser asignadas a los robots sólo en función de su posición y diversas variables como su nivel de energía. También se asume la posible imposición de una penalización arbitraria a cada robot en función de si queremos utilizarlo más o menos, lo que tiene sentido si consideramos que las tareas pueden tener distintas urgencias y duraciones y queremos reservar los UAVs para misiones más relevantes y urgentes. Para resolver el MRTA atendiendo a un equilibrio entre la distancia recorrida por los robots (y por tanto la energía que gastan) y el tiempo necesario para realizar las tareas, se han desarrollado varios algoritmos. En primer lugar, un algoritmo de subastas donde se ha introducido un postor extra que puja por dejar las tareas sin asignar en función del tiempo que lleven en espera. Este nuevo postor se resiste inicialmente a dejar las tareas sin asignar a no ser que éstas ya lleven mucho tiempo en espera, y únicamente las libera pronto si hay un robot relativamente cercano a las mismas. Sin embargo, tratar de enfrentar los antes citados objetivos con estrategias de asignación instantánea resulta ser una estrategia muy limitada, y por eso proponemos unas variables discretas para describir la asignación extendida en el tiempo y desarrollamos un algoritmo de ramificación y poda y un algoritmo genético adaptados a dichas variables. En cualquier caso, el algoritmo de ramificación y poda sólo es viable ante problemas con poca cantidad de robots y tareas, y el algoritmo genético, aunque es capaz de abordar problemas algo más grandes dada su naturaleza metaheurística, tampoco resulta eficaz con problemas demasiado grandes. Con el objetivo de dividir estos grandes problemas en pequeños problemas en los que aplicar alguno de los algoritmos antes comentados, no atendiendo únicamente a la distancia entre robots y tareas, sino también a sus parámetros intrínsecos, proponemos un algoritmo basado en teoría de juegos cooperativos y más concretamente en el valor de Shapley. Este algoritmo se basa en estimar el valor de Shapley, tanto de los robots como de las tareas y luego crear coaliciones que tengan un valor de Shapley agregado equilibrado. Por último, para tratar con grandes problemas también se ha propuesto una serie de asunciones para convertirlo en un problema de programación lineal (LP por sus siglas en inglés). La ventaja de los problemas LP es que se pueden resolver de una forma mucho más rápida, por lo que se puede resolver iterativamente. Por este motivo, se ha aplicado a problemas dinámicos con tareas en movimiento utilizando una estrategia basada en el control predictivo con horizonte deslizante, es decir, recalculando el problema en cada tiempo de control y aplicando la primera de las asignaciones. En la segunda parte de esta tesis nos centramos en la estimación del mapa de irradiación solar. Para ello, partimos de la inferencia bayesiana, asumiendo que en cada punto de la planta termosolar tenemos una distribución de probabilidad de la irradiación y que esta distribución puede ser modificada por nuevas medidas cercanas. Además, se consideramos que la distribución tiene una tendencia natural a recuperar la forma de la distribución uniforme, es decir, total incertidumbre. De esta forma, aplicando un filtro que hace uso de dos parámetros que se pueden obtener de la distribución de probabilidad, en concreto del valor esperado y de la entropía de la información de Shannon, se puede obtener el mapa estimado de irradiación. Es más, a partir del valor esperado o de la entropía de Shannon, se pueden obtener distintas capas que representen el interés que tiene visitar cada punto de la planta desde el punto de vista de la irradiación que tenemos en un instante y de la certidumbre que tenemos a lo largo y ancho de la planta. Por lo tanto, superponiendo estas capas, y otras que podemos crear para modificar el resultado (como una capa que de más valor a los puntos por los que pueden aparecer nuevas sombras), y asignando un peso a cada una, podemos generar nuevas tareas para nuestra flota de robots. Por último, también con el objetivo de obtener una estimación distribuida de la irradiación solar, se propone una malla de pirheliómetros de bajo coste utilizando la técnica del krigeage espacio- temporal, ampliamente utilizada en la literatura en otras variables ambientales. Esta técnica hace uso de un variograma espacio-temporal para asignar distintos pesos a las medidas cercanas a un punto donde se quiere hacer una estimación. La principal contribución de este trabajo consiste en proponer un variograma espacio-temporal dinámico y anisotrópico en la dirección del viento. Bajo esta premisa, una medida en la dirección de la que proviene el viento es más relevante si fue tomada en un cierto momento, aunque este efecto se atenúa con el tiempo. El siguiente paso es unir los dos trabajos realizados en torno a la creación de un mapa estimado de irradiación, puesto que utilizando el krigeage espacio-temporal también podemos obtener un mapa de incertidumbre, y por tanto se puede emular la estrategia basada en capas para generar nuevas tareas.
Desarrollo de herramientas software y hardware para aplicaciones de inspección industrial con UAVs
(2023-09-15) Pérez Jiménez, Manuel; Arrue Ullés, Begoña C.; Ramón Soria, Pablo; Ingeniería de Sistemas y Automática
Los avances tecnológicos producidos en ordenadores, baterías y nuevas formas de fabricación han desencadenado que se pueda usar hoy en día vehículos aéreos no tripulados para el desarrollo de aplicaciones industriales. Tareas que antiguamente eran realizadas por operadores, pueden ser sustituidas por drones y otros vehículos que faciliten la recopilación de datos o ejecución de acciones concretas. Por lo tanto, se podrían evitar accidentes y poner en riesgo a la persona. El objetivo de esta Tesis es dotar de herramientas y soluciones específicas a distintos casos de uso de aplicaciones de inspección industrial. Por ello, se han desarrollado varias librerías de código libre que facilitan la integración de brazos robóticos en vehículos aéreos no tripulados y permiten controlar la aeronave para realizar vuelos autónomos. Además, las librerías integran diferentes interfaces gráficas para realizar tareas de configuración y simplificar su uso. Como resultado del desarrollo de la Tesis, se han creado distintas aplicaciones industriales que solucionan algunos problemas actuales. Para validar los resultados, ha sido necesario realizar experimentos en el laboratorio y, posteriormente, en entornos reales. Confirmando así, el diseño de las herramientas y distintos algoritmos de control afrontando situaciones no controladas y variables. Las librerías resultantes, proponen un comienzo para que personas de todo el mundo puedan colaborar para desarrollar nuevas herramientas y seguir solucionando problemas que se encuentren para hacer más robusto y fiable el código escrito. A diferencia de una solución cerrada, este tipo de producto puede adaptarse para soluciones específicas.
Coalitional model predictive control: Optimization, heuristics, and robustness
(2023-06-05) Masero Rubio, Eva; Camacho, Eduardo F.; Maestre Torreblanca, José María; Ingeniería de Sistemas y Automática
This doctoral thesis focuses on coalitional techniques for controllers based on model predictive control (MPC). These controllers are considered agents that form coalitions to collaborate in the control of the overall system, taking into account the interactions between subsystems and varying operating conditions while ensuring that constraints are satisfied, feasibility is maintained, and stability is preserved. First, we present the challenges of large-scale systems, review existing methods in the literature for control, introduce the main objectives of this research, and also list the articles that compose this thesis. Second, our contributions and results obtained in the articles are presented, which can be classified into three main topics: i) the optimization of cooperation topology in hierarchical coalitional MPC schemes, ii) the use of light and heuristic mechanisms for coalitional control to avoid the combinatorial explosion of control topologies when dealing with numerous agents, and iii) a robust strategy for ensuring recursive feasibility and stability despite variations in disturbances caused by changing control topologies and plug-and-play operations. We also show the manuscripts of the published and accepted articles that compose this dissertation. Finally, the main findings of this thesis and possible future research directions are provided.
Arquitectura de seguridad para la cooperación entre robots aéreos y redes de sensores
(2023-05-29) Fernández Jiménez, Francisco José; Martínez de Dios, José Ramiro; Ingeniería de Sistemas y Automática
En esta Tesis Doctoral se ha diseñado, desarrollado, implementado, experimentado y validado SNSR (Sensor Network Security using Robots), una arquitectura novedosa, abierta y flexible que mejora la seguridad en las redes inalámbricas de sensores estáticas al beneficiarse de la cooperación de la red de sensores con los robots. En SNSR, los robots realizan la autenticación de nodos sensores y la localización basada en radio (lo que permite el cálculo de topología centralizado y el establecimiento de rutas) e interactúan directamente con los nodos para enviarles configuraciones o recibir informes de estado y anomalías sin intermediarios. El funcionamiento de SNSR se divide en etapas configuradas en una estructura iterativa de retroalimentación, que permite repetir la ejecución de etapas para adaptarse a cambios, responder a ataques o detectar y corregir errores. El uso de robots brinda a SNSR capacidades mejoradas de detección y mitigación de ataques, y mejora la prevención al reemplazar tareas que en las arquitecturas tradicionales son propensas a ataques o requieren información preestablecida. Esto proporciona altos niveles de seguridad y adaptabilidad sin requerir mecanismos complejos. Para implementar SNSR se ha creado un nuevo sistema operativo de red simple e independiente de la red de sensores que proporciona flexibilidad para probar diferentes configuraciones, algoritmos y protocolos, pero sin llegar a los niveles físico y de enlace. Se ha desarrollado e implementado una nueva pila de protocolos, ubicada sobre una capa de enlace existente. Esta pila de protocolos se compone de un nivel de aplicación, un nivel de transporte, un nivel de red y un nivel de adaptación al nivel de enlace. El nivel de adaptación hace que los niveles superiores sean independientes del nivel de enlace real. El nivel de aplicación permite ejecutar las aplicaciones de gestión de cada entidad siguiendo las especificaciones de SNSR. Se ha realizado un análisis cualitativo de seguridad frente a 33 ataques de seguridad diferentes. Además, se ha creado una plataforma de pruebas que permita la experimentación repetible y rigorosa de nuevas tecnologías, protocolos y métodos de seguridad basados en SNSR tanto en escenarios reales como en virtualizados. Con ella se han realizado miles de experimentos con distintos escenarios virtuales y reales con robots terrestres y aéreos. Los resultados han demostrado la seguridad, eficiencia y escalabilidad de SNSR.
Event-based Perception for Aerial Robots: From Multirotors to Ornithopters
(2023-05-12) Rodríguez Gómez, Juan Pablo; Martínez de Dios, José Ramiro; Ollero Baturone, Aníbal; Ingeniería de Sistemas y Automática
This Ph.D. Thesis aims at contributing to the robot perception community by exploring the advantages of event cameras for aerial robotics, in particular on flapping-wing robots in which event-based vision is almost unexplored. It proposes a set of tools and perception algorithms to leverage the advantages of event-based vision in aerial robot applications. The proposed methods are experimentally validated in two types of aerial robots: multirotors and ornithopters. These platforms describe several challenges for vision-based perception. For instance, the agile motion of multirotors and the flapping strokes caused by ornithopters generate blurred images which may hinder the performance of frame-based approaches. Further, ornithopters and multirotors performing fast maneuvers require quick perception algorithms to update as soon as possible the perception information for robot navigation. Besides, both types of robots have limited payload and power capacity to mount and feed perception hardware. In particular, equipping ornithopter robots with additional sensors is a complex task as they have very constrained payload and strict weight distribution. Event cameras offer relevant advantages for robot perception such as microsecond pixel resolution, robustness to motion blur, high dynamic range, and low power consumption. This Ph.D. Thesis focuses on leveraging these advantages for aerial robot perception and validating the use of event-based vision on board these platforms. First, this Ph.D. Thesis presents a set of event-based low-level processing algorithms. These methods intend to contribute to the event-based vision community by providing a set of low-level algorithms that directly process the event stream instead of using frame-based representations. The proposed methods are integrated into the different high-level perception algorithms described in this Ph.D. Thesis. Second, this Ph.D. Thesis proposes an event-vision guidance method for aerial robots. It includes a set of event-based algorithms to detect and track a reference pattern that defines the goal configuration. An Event-Based Visual Servoing (EBVS) method computes the velocity commands to guide the robot toward the goal. The guidance scheme is initially validated in a multirotor and later in an ornithopter. Third, a dynamic sense-and-avoid method for large-scale flapping-wing robots is described in this Ph.D. Thesis. It exploits the event cameras’ property of triggering pixel information from moving objects to detect dynamic obstacles. The reactive avoidance policy evaluates possible collision risk situations and activates evasive maneuvers if necessary. The system is extensively evaluated in a large-scale ornithopter. Fourth, this Ph.D. Thesis proposes an event-based intrusion monitoring system for multirotors. It includes a specific method to detect moving intrudes by analyzing the spatial-temporal information of events, and an automatic tuning method to adjust the parameters of the detection algorithm. The system is validated in a multirotor platform that performs surveillance missions in scenarios with different background configurations and illumination conditions. Finally, this Ph.D. Thesis presents two perception tools for the development of event-based algorithms for aerial robots, especially ornithopters. The first tool is a simulation architecture that emulates the sensor measurements generated during the execution of bioinspired landing trajectories. The second tool describes a dataset collected on board a large-scale flapping-wing robot. It includes measurements from different perception sensors and ground truth robot position data.
Contributions to deconfliction advanced U-space services for multiple unmanned aerial systems including field tests validation
(2023-01-13) Pérez León, Héctor; Maza Alcañiz, Iván; Ollero Baturone, Aníbal; Ingeniería de Sistemas y Automática
Unmanned Aerial Systems (UAS) will become commonplace, the number of UAS flying in European airspace is expected to increase from a few thousand to hundreds of thousands by 2050. To prepare for this approaching, national and international organizations involved in aerial traffic management are now developing new laws and restructuring the airspace to incorporate UAS into civil airspace. The Single European Sky ATM Research considers the development of the U-space, a crucial step to enable the safe, secure, and efficient access of a large set of UAS into airspace. The design, integration, and validation of a set of modules that contribute to our UTM architecture for advanced U-space services are described in this Thesis. With an emphasis on conflict detection and resolution features, the architecture is flexible, modular, and scalable. The UTM is designed to work without the need for human involvement, to achieve U-space required scalability due to the large number of expected operations. However, it recommends actions to the UAS operator since, under current regulations, the operator is accountable for carrying out the recommendations of the UTM. Moreover, our development is based on the Robot Operating System (ROS) and is open source. The main developments of the proposed Thesis are monitoring and tactical deconfliction services, which are in charge of identifying and resolving possible conflicts that arise in the shared airspace of several UAS. By limiting the conflict search to a local search surrounding each waypoint, the proposed conflict detection method aims to improve conflict detection. By splitting the issue down into smaller subproblems with only two waypoints, the conflict resolution method tries to decrease the deviation distance from the initial flight plan. The proposed method for resolving potential threats is based on the premise that UAS can follow trajectories in time and space properly. Therefore, another contribution of the presented Thesis is an UAS 4D trajectory follower that can correct space and temporal deviations while following a given trajectory. Currently, commercial autopilots do not offer this functionality that allows to improve the airspace occupancy using time as an additional dimension. Moreover, the integration of onboard detect and avoid capabilities, as well as the consequences for U-space services are examined in this Thesis. A module capable of detecting large static unexpected obstacles and generating an alternative route to avoid the obstacle online is presented. Finally, the presented UTM architecture has been tested in both software-in-theloop and hardware-in-the-loop development enviroments, but also in real scenarios using unmanned aircraft. These scenarios were designed by selecting the most relevant UAS operation applications, such as the inspection of wind turbines, power lines and precision agriculture, as well as event and forest monitoring. ATLAS and El Arenosillo were the locations of the tests carried out thanks to the European projects SAFEDRONE and GAUSS.

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