Swarm robotics focuses on the study and development of robot systems containing a large number of agents that interact with each other in a collective behaviour in order to achieve tasks or overcome obstacles. Bristlebots are vibration-driven mobile robots. They are characterized by small size, high speed, simple design and low costs for production and application – qualities which are advantageous for agents of swarm robotic systems. However, most studies have been developed over systems with no control or systems with two or more actuators. The aim of this master thesis is the development of a bristle based robot agent for a swarm robotics microsystem with units for locomotion, sensing, data processing, control, communication and energy storage. New approaches in modelling and development of swarm agents are given, and a robot prototype is presented. The robot is driven by a single DC motor and uses a bristle system to create locomotion. It should be noted, that within the system design, considerations for the size, weight and minimalist architecture are taken. Experiments are presented and the system’s capabilities for displacement, velocity and trajectory generation are analysed. While the parallel velocity maintains a positive magnitude in both motor rotation directions, the rotation speed and transversal velocity of the robot have opposite directions, creating curved trajectories with opposite orientations. In Frequencies up to 210 Hz, the rotation direction of the robot is maintained while the magnitude slightly varies. However, for higher frequencies, the rotation direction of the robot is reversed, maintaining a similar magnitude. The transversal speeds at this frequency range, maintain their direction but are clearly reduced compared to lower frequencies. / Tesis

Swarm robotics focuses on the study and development of robot systems containing a large number of agents that interact with each other in a collective behaviour in order to achieve tasks or overcome obstacles. Bristlebots are vibration-driven mobile robots. They are characterized by small size, high speed, simple design and low costs for production and application – qualities which are advantageous for agents of swarm robotic systems. However, most studies have been developed over systems with no control or systems with two or more actuators. The aim of this master thesis is the development of a bristle based robot agent for a swarm robotics microsystem with units for locomotion, sensing, data processing, control, communication and energy storage. New approaches in modelling and development of swarm agents are given, and a robot prototype is presented. The robot is driven by a single DC motor and uses a bristle system to create locomotion. It should be noted, that within the system design, considerations for the size, weight and minimalist architecture are taken. Experiments are presented and the system’s capabilities for displacement, velocity and trajectory generation are analysed. While the parallel velocity maintains a positive magnitude in both motor rotation directions, the rotation speed and transversal velocity of the robot have opposite directions, creating curved trajectories with opposite orientations. In Frequencies up to 210 Hz, the rotation direction of the robot is maintained while the magnitude slightly varies. However, for higher frequencies, the rotation direction of the robot is reversed, maintaining a similar magnitude. The transversal speeds at this frequency range, maintain their direction but are clearly reduced compared to lower frequencies. / Tesis

La robótica de enjambre es un campo de investigación dentro del área de la robótica que estudia la coordinación de un gran número de robots simples. Este campo de investigación se inspira en el comportamiento observado en los insectos sociales, los cuales son grandes ejemplos de cómo un gran número de individuos simples pueden interactuar para crear sistemas inteligentes colectivos. En estos sistemas el comportamiento colectivo emerge de forma auto-organizada a partir de las interacciones entre los individuos y entre los individuos y el entorno. De la misma manera, en los sistemas de enjambre artificiales, la inteligencia es una propiedad emergente a partir del comportamiento global del enjambre. En estos sistemas, el enjambre es capaz de llevar a cabo tareas, de manera global, que están fuera de las capacidades de un robot individual. Los sistemas robóticos de enjambre deben cumplir una serie de características que los diferencian de otros sistemas multi-robóticos. Algunas de estas características son compartidas con los sistemas multi-agente, por lo tanto, éstos pueden ser una alternativa para la construcción de este tipo de sistemas. En este trabajo se presentan un conjunto de comportamientos colectivos para enjambres artificiales. Para dotar de un marco de implantación a estos comportamientos, se define un modelo de arquitectura híbrida para el control de un enjambre de robots basada en un sistema multi-agente. Una de las características básicas de este modelo es su división en capas, que permite utilizar la capa inferior, de enjambre puro, de manera aislada, para tareas donde el comportamiento colectivo del enjambre emerge únicamente a partir de las interacciones entre los agentes y el entorno. En primer lugar, se analizan tres comportamientos básicos de robótica de enjambre: agregación, movimiento coordinado (flocking) y dispersión. Posteriormente, se definen dos comportamientos concretos para un enjambre de robots. El primero de éstos muestra un comportamiento para la localización de recursos en el entorno, donde los robots son capaces de localizar la fuente de recursos más prometedora en entornos desconocidos, con ruido y con diversas fuentes de recursos. El segundo caso define un comportamiento capaz de detectar, monitorizar, cubrir y marcar el perímetro de un vertido petrolífero marítimo.

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[EN] As the popularity and the number of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) increases, new protocols are needed to coordinate them when flying without direct human control, and to avoid that these UAVs collide with each other. Testing such novel protocols on real UAVs is a complex procedure that requires investing much time, money and research efforts. Hence, it becomes necessary to first test the developed solutions using simulation. Unfortunately, existing tools present significant limitations: some of them only simulate accurately the flight behavior of a single UAV, while some other simulators can manage several UAVs simultaneously, but not in real time, thus losing accuracy regarding the mobility pattern of the UAV. In this work we address such problem by introducing Arducopter Simulator (ArduSim), a novel simulation platform that allows controlling in soft real-time the flight and communications of multiple UAVs, being the developed protocols directly portable to real devices. Moreover, ArduSim includes a realistic model for the WiFi communications link between UAVs, which was proposed based on real experiments. The chances that two UAVs get close to each other during their flights is increasing as more and more of them populate our skies, causing concerns regarding potential collisions. Therefore, this thesis also proposes the Mission Based Collision Avoidance Protocol (MBCAP), a novel UAV collision avoidance protocol applicable to all types of multicopters flying autonomously. It relies on wireless communications in order to detect nearby UAVs, and to negotiate the procedure to avoid any potential collision. Experimental and simulation results demonstrate the validity and effectiveness of the proposed solution, which typically introduces a small overhead in the range of 15 to 42 seconds for each risky situation successfully handled. The previous solution aims at UAVs performing independent flights, but they can also form a swarm, where more constraints have to be met to avoid collisions among them, and to allow them to complete their task efficiently. Deploying an UAV swarm instead of a single UAV can provide additional benefits when, for example, cargo carrying requirements exceed the lifting power of a single UAV, or when the deployment of several UAVs simultaneously can accelerate the accomplishment of the mission, and broaden the covered area. To this aim, in this work we present the Mission-based UAV Swarm Coordination Protocol (MUSCOP), a solution that allows multiple UAVs to perfectly coordinate their flight when performing planned missions. Experimental results show that the proposed protocol is able to achieve a high degree of swarm cohesion independently of the flight formation adopted, and even in the presence of very lossy channels, achieving minimal synchronization delays and very low position offsets with regard to the ideal case. Currently, there are some other scenarios, such as search and rescue operations, where the deployment of manually guided swarms of UAVs can be necessary. In such cases, the pilot's commands are unknown a priori (unpredictable), meaning that the UAVs must respond in near real-time to the movements of the leader UAV in order to maintain swarm consistency. Hence, in this thesis we also propose the FollowMe protocol for the coordination of UAVs in a swarm where the swarm leader is controlled by a real pilot, and the other UAVs must follow it in real-time to maintain swarm cohesion. Simulation results show the validity of the proposed swarm coordination protocol, detailing the responsiveness limits of our solution, and finding the minimum distances between UAVs to avoid collisions. / [ES] A medida que la popularidad de los Vehículos Aéreos No Tripulados (VANTs) se incrementa, también se hacen necesarios nuevos protocolos para coordinarlos en vuelos sin control humano directo, y para evitar que colisionen entre sí. Probar estos nuevos protocolos en VANTs reales es un proceso complejo que requiere invertir mucho tiempo, dinero y esfuerzo investigador. Por lo tanto, es necesario probar en simulación las soluciones previamente implementadas. Lamentablemente, las herramientas actuales tienen importantes limitaciones: algunas simulan con precisión el vuelo de un único VANT, mientras que otros simuladores pueden gestionar varios VANTs simultáneamente aunque no en tiempo real, perdiendo por lo tanto precisión en el patrón de movilidad del VANT. En este trabajo abordamos este problema introduciendo Arducopter Simulator (ArduSim), una nueva plataforma de simulación que permite controlar en tiempo real el vuelo y la comunicación entre múltiples VANTs, permitiendo llevar los protocolos desarrollados a dispositivos reales con facilidad. Además, ArduSim incluye un modelo realista de un enlace de comunicaciones WiFi entre VANTs, el cual está basado en el resultado obtenido de experimentos con VANTs reales. La posibilidad de que dos VANTs se aproximen entre sí durante el vuelo se incrementa a medida que hay más aeronaves de este tipo surcando los cielos, introduciendo peligro por posibles colisiones. Por ello, esta tesis propone Mission Based Collision Avoidance Protocol (MBCAP), un nuevo protocolo de evitación de colisiones para VANTs aplicable a todo tipo de multicópteros mientras vuelan autónomamente. MBCAP utiliza comunicaciones inalámbricas para detectar VANTs cercanos y para negociar el proceso de evitación de la colisión. Los resultados de simulaciones y experimentos reales demuestran la validez y efectividad de la solución propuesta, que introduce un pequeño aumento del tiempo de vuelo de entre 15 y 42 segundos por cada situación de riesgo correctamente resuelta. La solución anterior está orientada a VANTs que realizan vuelos independientes, pero también pueden formar un enjambre, donde hay que cumplir más restricciones para evitar que colisionen entre sí, y para que completen la tarea de forma eficiente. Desplegar un enjambre de VANTs en vez de uno solo proporciona beneficios adicionales cuando, por ejemplo, la necesidad de carga excede la capacidad de elevación de un único VANT, o cuando al desplegar varios VANTs simultáneamente se acelera la misión y se cubre un área mayor. Con esta finalidad, en este trabajo presentamos el protocolo Mission-based UAV Swarm Coordination Protocol (MUSCOP), una solución que permite a varios VANTs coordinar perfectamente el vuelo mientras realizan misiones planificadas. Los resultados experimentales muestran que el protocolo propuesto permite al enjambre alcanzar un grado de cohesión elevado independientemente de la formación de vuelo adoptada, e incluso en presencia de un canal de comunicación con muchas pérdidas, consiguiendo retardos en la sincronización insignificantes y desfases mínimos en la posición con respecto al caso ideal. Actualmente hay otros escenarios, como las operaciones de búsqueda y rescate, donde el despliegue de enjambres de VANTs guiados manualmente puede ser necesario. En estos casos, las órdenes del piloto son desconocidas a priori (impredecibles), lo que significa que los VANTs deben responder prácticamente en tiempo real a los movimientos del VANT líder para mantener la consistencia del enjambre. Por ello, en esta tesis proponemos el protocolo FollowMe para la coordinación de VANTs en un enjambre donde el líder es controlado por un piloto, y el resto de VANTs lo siguen en tiempo real para mantener la cohesión del enjambre. Las simulaciones muestran la validez del protocolo de coordinación de enjambres propuesto, detallando los límites de la solución, y definiendo la distancia mínima entre VANTs para evita / [CA] A mesura que la popularitat dels Vehicles Aeris No Tripulats (VANTs) s'incrementa, també es fan necessaris nous protocols per a coordinar-los en vols sense control humà directe, i per a evitar que col·lisionen entre si. Provar aquests nous protocols en VANTs reals és un procés complex que requereix invertir molt de temps, diners i esforç investigador. Per tant, és necessari provar en simulació les solucions prèviament implementades. Lamentablement, les eines actuals tenen importants limitacions: algunes simulen amb precisió el vol d'un únic VANT, mentre que altres simuladors poden gestionar diversos VANTs simultàniament encara que no en temps real, perdent per tant precisió en el patró de mobilitat del VANT. En aquest treball abordem aquest problema introduint Arducopter Simulator (ArduSim), una nova plataforma de simulació que permet controlar en temps real el vol i la comunicació entre múltiples VANTs, permetent portar els protocols desenvolupats a dispositius reals amb facilitat. A més, ArduSim inclou un model realista d'un enllaç de comunicacions WiFi entre VANTs, que està basat en el resultat obtingut d'experiments amb VANTs reals. La possibilitat que dues VANTs s'aproximen entre si durant el vol s'incrementa a mesura que hi ha més aeronaus d'aquest tipus solcant els cels, introduint perill per possibles col·lisions. Per això, aquesta tesi proposa Mission Based Collision Avoidance Protocol (MBCAP), un nou protocol d'evitació de col·lisions per a VANTs aplicable a tota mena de multicòpters mentre volen autònomament. MBCAP utilitza comunicacions sense fils per a detectar VANTs pròxims i per a negociar el procés d'evitació de la col·lisió. Els resultats de simulacions i experiments reals demostren la validesa i efectivitat de la solució proposada, que introdueix un xicotet augment del temps de vol de entre 15 i 42 segons per cada situació de risc correctament resolta. La solució anterior està orientada a VANTs que realitzen vols independents, però també poden formar un eixam, on cal complir més restriccions per a evitar que col·lisionen entre si, i perquè completen la tasca de forma eficient. Desplegar un eixam de VANTs en comptes d'un només proporciona beneficis addicionals quan, per exemple, la necessitat de càrrega excedeix la capacitat d'elevació d'un únic VANT, o quan en desplegar diversos VANTs simultàniament s'accelera la missió i es cobreix una àrea major. Amb aquesta finalitat, en aquest treball presentem el protocol Mission-based UAV Swarm Coordination Protocol (MUSCOP), una solució que permet a diversos VANTs coordinar perfectament el vol mentre realitzen missions planificades. Els resultats experimentals mostren que el protocol proposat permet a l'eixam aconseguir un grau de cohesió elevat independentment de la formació de vol adoptada, i fins i tot en presència d'un canal de comunicació amb moltes pèrdues, aconseguint retards en la sincronització insignificants i desfasaments mínims en la posició respecte al cas ideal. Actualment hi ha altres escenaris, com les operacions de cerca i rescat, on el desplegament d'eixams de VANTs guiats manualment pot ser necessari. En aquests casos, les ordres del pilot són desconegudes a priori (impredictibles), el que significa que els VANTs han de respondre pràcticament en temps real als moviments del VANT líder per a mantindre la consistència de l'eixam. Per això, en aquesta tesi proposem el protocol FollowMe per a la coordinació de VANTs en un eixam on el líder és controlat per un pilot, i la resta de VANTs ho segueixen en temps real per a mantindre la cohesió de l'eixam. Les simulacions mostren la validesa del protocol de coordinació d'eixams proposat, detallant els límits de la solució, i definint la distància mínima entre VANTs per a evitar col·lisions. / Fabra Collado, FJ. (2020). Flight coordination solutions for multirotor unmanned aerial vehicles [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/147857 / TESIS

Los problemas de optimización no lineal que poseen una gran cantidad de variables, ecuaciones y no linealidades, suelen presentar un considerable desafío matemático. Si bien existen numerosas plataformas de software para su formulación y resolución, muchas poseen costosas licencias propietarias. Además, aun contando con las herramientas más sofisticadas suele necesitarse un considerable esfuerzo de programación (reformulaciones, descomposiciones, etc.) para implementar y resolver este tipo de modelos. En esta tesis se propone confeccionar una herramienta propia de optimización no lineal basada en metaheurísticas, empleando recursos de software libre, que permitan al grupo realizar proyectos de investigación y transferencia sin depender de los costos asociados a las licencias de las herramientas comerciales. En los últimos años, las metaheurísticas basadas en poblaciones han tomado gran relevancia debido a su eficiencia, facilidad de programación, habilidad para resolver una amplia variedad de problemas y posibilidad de combinarse con otros algoritmos para mejorar sus prestaciones. En este trabajo, se implementó una de estas técnicas, la optimización por enjambre de partículas (PSO), para programar y resolver problemas de optimización no lineal. Dado que la optimización con PSO suele resultar computacionalmente costosa, se paralelizó el algoritmo sobre placas gráficas (GPU) de manera de explotar el paralelismo implícito de la técnica y aprovechar el amplio acceso a estos dispositivos de bajo costo disponibles en las computadoras de escritorio modernas. El PSO implementado, en sus versiones serie y paralelo, se testeó con funciones benchmark de diferente dificultad, con y sin restricciones, ampliamente utilizadas en la literatura. También, se lo aplicó a modelos más complejos y de mayor escala del área de la ingeniería química. En todos los casos se observaron desempeños aceptables, tanto respecto de la calidad de las soluciones halladas como de las aceleraciones obtenidas. / Nonlinear optimization problems, with medium/large number of variables, equations and nonlinearities, usually present a significant mathematical challenge. Despite there are many technologies for their formulation and resolution, the most competitive ones, have expensive proprietary licenses. Moreover, even counting with these commercial tools, usually a considerable additional programming effort is required (reformulations, decompositions, etc.) to implement and solve this type of models. This thesis proposes the development of a non-linear optimization tool based on metaheuristics using free software resources, to allow our group making research and transference projects without depending on the costs associated with commercial licenses. In recent years, population based metaheuristics acquired relevance because of their efficiency, ease of programming, ability to solve a wide range of problems and possibility to combine with others algorithms to improve performance. In this work, one of these techniques, the particle swarm optimization algorithm (PSO) is implemented to program and solve non-linear optimization problems. Since optimization with PSO is often computationally expensive, the algorithm was parallelized on Graphic Processing Units (GPU) in order to exploit the implicit parallelism of this technique and take advantage of the wide access to these low-cost devices available in modern desktop computers. The implemented PSO, in its serial and parallel versions, was tested with benchmark functions of different difficulty, with and without constraints, widely used in the optimization literature. It was also applied to more complex and larger-scale models of the chemical engineering discipline. In all cases, the optimizer provided acceptable performance regarding solution quality and speedups.

Este trabajo de tesis ha tenido un largo desarrollo temporal, que ha permitido abordar campos de aplicación de contextos tradicionalmente muy distantes, permitiendo tener una visión más amplia y fortaleciendo el trabajo realizado. Un agente inteligente es una entidad que actúa de manera racional intentando lograr un objetivo, para ello percibe su entorno, procesa estas percepciones y responde en su entorno. Pero la resolución de un problema complejo presenta grandes dificultades y restricciones, tanto de tiempo como de recursos, así como necesita gran cantidad de conocimiento. Esto hace que la dificultad de resolución de los problemas aumente o las haga inviables para un agente trabajando individualmente. En los sistemas multiagente un grupo de agentes colaborarán, combinando sus habilidades y su conocimiento, permitiendo la resolución del problema de manera conjunta. Los sistemas multiagente son cada vez más demandados y utilizados. Su aplicación la podremos encontrar en un amplio número de campos como robótica, Big Data, aplicaciones de transporte y logística, sistemas de información geográfica, balanceo de redes y móviles, diagnóstico médico, aplicaciones gráficas, juegos, así como en muchos otros campos. A lo largo de los años se ha trabajado mucho para facilitar el diseño y la construcción de sistemas multiagente, han aparecido diversas arquitecturas, metodologías y herramientas, incluso se ha creado un estándar, el estándar IEEE-FIPA (Foundation for Intelligent Physical Agents). Pero se ha dejado la implementación a bajo nivel en manos de los equipos de desarrollo, los cuales han ido creando soluciones adhoc para cada uno de sus problemas. En esta tesis se presenta una arquitectura versátil que permita avanzar en el diseño y construcción de sistemas multiagente. Para ello proponemos una arquitectura híbrida multinivel y una metodología que nos facilita la creación de estos sistemas de una manera rápida, con bajo coste y de alta calidad. Para validar la arquitectura y demostrar su versatilidad la hemos aplicado a tres contextos de diferentes: • Edificios inteligentes: en sistema multiagente para mejorar el ahorro energético en un hotel, donde podremos observar una de las ventajas de la arquitectura: la integración de elementos de bajo nivel a través de la integración de elementos IoT (Internet of Things). • Robótica: en sistema de enjambre robótico para la detección de señales de radiofrecuencia, que demostrará la flexibilidad, escalabilidad y robustez de la arquitectura al aplicarse en un contexto de múltiples robots y de simulación. • Sistemas biomédicos: en una herramienta tecnológica para medir y registrar movimiento de hiperactividad (ADHD), donde podemos observar la versatilidad de la arquitectura a través de un contexto totalmente diferente, el de diagnósticos en salud.

Durante la última década, los métodos de optimización heurísticos basados en imitar a nivel computacional procesos naturales, biológicos, sociales o culturales, han despertado el interés de la comunidad científica debido a su capacidad para explorar eficientemente espacios de soluciones multimodales y multidimensionales. En este ámbito, esta tesis aborda el desarrollo, análisis y puesta a punto de diferentes métodos de optimización tradicionales y heurísticos. En concreto, se considera un método de búsqueda local basado en símplex y varios métodos heurísticos, tales como el recocido simulado, los algoritmos genéticos y la optimización con enjambre de partículas. Para estos dos últimos algoritmos se investigan diferentes esquemas con el objetivo de superar las limitaciones propias de los esquemas clásicos.La puesta a punto de los diferentes métodos de optimización se realiza considerando como problema de referencia la caracterización de la radiación de antenas a partir de medidas en campo próximo sobre geometría plana, utilizando un método de transformación de campo cercano a campo lejano basado en corrientes equivalentes. Para cada método de optimización se incluye un análisis paramétrico, en los casos en los que se ha considerado necesario, así como resultados de transformación de campo teóricos obtenidos para diferentes antenas de apertura y antenas de bocina piramidal. Los resultados de un estudio comparativo, realizado utilizando fuentes teóricas y medidas, demuestran la utilidad del método y permiten concluir que la optimización con enjambre de partículas es el algoritmo que proporciona las mejores prestaciones para esta aplicación.Los métodos de optimización desarrollados e investigados en este trabajo han sido también aplicados a otros problemas como son la síntesis de agrupaciones lineales o el modelado de fuente en aplicaciones de compatibilidad electromagnética. / For the last decade, heuristic optimization methods based on imitating natural, biological, social or cultural processes in a computational way have aroused great interest among the scientific community, due to its ability to explore efficiently multimodal and high-dimension solution spaces. On this basis, this thesis tackles the development, analysis and tuning of different traditional and heuristic optimization methods. In short, a local search method based on simplex and several heuristic methods, such as simulated annealing, genetic algorithms and particle swarm optimization are considered. For these last two algorithms different schemes are investigated so as to overcome the typical limitations of classical schemes.The tuning of the optimization methods is carried out considering as a reference problem the antenna radiation characterization from near-field measurements over a planar geometry, using a near-field to far-field transformation method based on equivalent currents. A parametric analysis is included for each optimization method, in those cases in which it has been considered necessary, as well as theoretical field transformation results obtained with aperture and pyramidal horn antennas. Results of a comparative study, carried out using theoretical sources and measurements, demonstrate the usefulness of the method and make it possible to conclude that the particle swarm optimization is the algorithm that provides the best performance for this application.The optimization methods developed and investigated in this work have also been applied to other problems, such as the synthesis of linear arrays or the source modelling in electromagnetic compatibility applications.

L'objectiu principal d'aquesta tesi consisteix a estudiar la factibilitat d'implementar un sensor càmera CNN amb plena funcionalitat basat en FPGA de baix cost adequat per a aplicacions en robots mòbils. L'estudi dels fonaments de les xarxes cel•lulars no lineals (CNNs) i la seva aplicació eficaç en matrius de portes programables (FPGAs) s'ha complementat, d'una banda amb el paral•lelisme que s'estableix entre arquitectura multi-nucli de les CNNs i els eixams de robots mòbils, i per l'altre banda amb la correlació dinàmica de CNNs i arquitectures memristive. A més, els memristors es consideren els substituts dels futurs dispositius de memòria flash per la seva capacitat d'integració d'alta densitat i el seu consum d'energia prop de zero. En el nostre cas, hem estat interessats en el desenvolupament d’FPGAs que han deixat de ser simples dispositius per a la creació ràpida de prototips ASIC per esdevenir complets dispositius reconfigurables amb integració de la memòria i els elements de processament general. En particular, s'han explorat com les arquitectures implementades CNN en FPGAs poden ser optimitzades en termes d’àrea ocupada en el dispositiu i el seu consum de potència. El nostre objectiu final ens ah portat a implementar de manera eficient una CNN-UM amb complet funcionament a un baix cost i baix consum sobre una FPGA amb tecnología flash. Per tant, futurs estudis sobre l’arquitectura eficient de la CNN sobre la FPGA i la interconnexió amb els robots comercials disponibles és un dels objectius d'aquesta tesi que se seguiran en les línies de futur exposades en aquest treball. / El objetivo principal de esta tesis consiste en estudiar la factibilidad de implementar un sensor cámara CNN con plena funcionalidad basado en FPGA de bajo coste adecuado para aplicaciones en robots móviles. El estudio de los fundamentos de las redes celulares no lineales (CNNs) y su aplicación eficaz en matrices de puertas programables (FPGAs) se ha complementado, por un lado con el paralelismo que se establece entre arquitectura multi -núcleo de las CNNs y los enjambres de robots móviles, y por el otro lado con la correlación dinámica de CNNs y arquitecturas memristive. Además, los memristors se consideran los sustitutos de los futuros dispositivos de memoria flash por su capacidad de integración de alta densidad y su consumo de energía cerca de cero. En nuestro caso, hemos estado interesados en el desarrollo de FPGAs que han dejado de ser simples dispositivos para la creación rápida de prototipos ASIC para convertirse en completos dispositivos reconfigurables con integración de la memoria y los elementos de procesamiento general. En particular, se han explorado como las arquitecturas implementadas CNN en FPGAs pueden ser optimizadas en términos de área ocupada en el dispositivo y su consumo de potencia. Nuestro objetivo final nos ah llevado a implementar de manera eficiente una CNN-UM con completo funcionamiento a un bajo coste y bajo consumo sobre una FPGA con tecnología flash. Por lo tanto, futuros estudios sobre la arquitectura eficiente de la CNN sobre la FPGA y la interconexión con los robots comerciales disponibles es uno de los objetivos de esta tesis que se seguirán en las líneas de futuro expuestas en este trabajo. / The main goal of this thesis consists in studying the feasibility to implement a full-functionality CNN camera sensor based on low-cost FPGA device suitable for mobile robotic applications. The study of Cellular Nonlinear Networks (CNNs) fundamentals and its efficient implementation on Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) has been complemented, on one side with the parallelism established between multi-core CNN architecture and swarm of mobile robots, and on the other side with the dynamics correlation of CNNs and memristive architectures. Furthermore, memristors are considered the future substitutes of flash memory devices because of its capability of high density integration and its close to zero power consumption. In our case, we have been interested in the development of FPGAs that have ceased to be simple devices for ASIC fast prototyping to become complete reconfigurable devices embedding memory and processing elements. In particular, we have explored how the CNN architectures implemented on FPGAs can be optimized in terms of area occupied on the device or power consumption. Our final accomplishment has been implementing efficiently a fully functional reconfigurable CNN-UM on a low-cost low-power FPGA based on flash technology. Therefore, further studies on an efficient CNN architecture on FPGA and interfacing it with commercially-available robots is one of the objectives of this thesis that will be followed in the future directions exposed in this work.

[ES] En la actualidad, existe una creciente necesidad de cambiar el modelo energético global basado en combustibles fósiles por un modelo cien por cien renovable, proceso conocido como "transición energética". Sin embargo, la mayoría de los recursos de generación renovables no son gestionables y presentan una fuerte variabilidad en su producción de energía difícilmente predecible, lo que requiere de un sistema eléctrico más flexible para poder operarse de forma segura. Por otro lado, las tecnologías de la información y la comunicación han evolucionado rápidamente como resultado del proceso de digitalización y de los continuos desarrollos en este campo, permitiendo a sectores como el eléctrico evolucionar hacia nuevos modelos más avanzados como las "redes inteligentes". Todo esto hace que la respuesta de la demanda (capacidad de modificar la forma de consumir energía en función de una señal externa) pueda ofrecerse como un recurso valioso a los operadores del sistema eléctrico, permitiendo a los consumidores más activos reducir su coste energético, lo que aumenta su competitividad y ayuda a la transición energética. La presente tesis tiene como objetivo general el desarrollo de una metodología y de las herramientas de apoyo necesarias que permitan fundamentalmente plantear soluciones destinadas a la resolución de las barreras más importantes en relación con la participación de los recursos flexibles en la operación del sistema eléctrico. Asimismo, permiten determinar la estrategia óptima de participación de grandes y medianos consumidores en productos y mercados en los que los recursos flexibles sean económicamente competitivos y técnicamente fiables. Este objetivo se ha abordado mediante el cumplimiento de cuatro objetivos específicos, que se han traducido en la realización de un conjunto de modelos, metodologías y herramientas que dan cumplimiento a cada uno de ellos. En este sentido, la tesis se ha dividido en cuatro desarrollos interrelacionados a partir de sus resultados. En primer lugar, se ha propuesto una novedosa arquitectura conceptual del sistema eléctrico para integrar los futuros mercados de electricidad, destinada a establecer un marco de referencia más adecuado para la explotación de los recursos energéticos distribuidos y de demanda. En segundo lugar, se ha elaborado una metodología para la estandarización y validación de los recursos flexibles que pueden ofrecer los consumidores, y que podría servir como base para la creación de un proceso de certificación de productos de demanda. En tercer lugar, se ha desarrollado una primera herramienta de planificación a medio plazo que, partiendo de la caracterización y evaluación técnico-económica de los recursos flexibles obtenida con la metodología anterior, permite ayudar a los propios consumidores a evaluar la rentabilidad asociada a las diferentes estrategias de participación en un mercado de operación específico utilizando sus procesos de consumo flexibles. Por último, se ha llevado a cabo una segunda herramienta destinada a optimizar la programación de la operación para el día siguiente de los recursos de demanda de un determinado consumidor participando en un mercado previamente seleccionado a partir de los resultados de la herramienta anterior y, por tanto, ofreciéndole en definitiva el apoyo técnico y las herramientas necesarias para maximizar el beneficio asociado a dicha participación. Las metodologías y herramientas desarrolladas han sido validadas mediante su aplicación a un caso de estudio compuesto por tres consumidores industriales pertenecientes a segmentos con una elevada replicabilidad en Europa (industria papelera, industria cárnica y centro logístico de producto refrigerado). Los resultados de la tesis permiten afirmar que se ha dado un paso relevante dentro de la investigación en este campo para ayudar a la implantación de sistemas eléctricos sostenibles mediante una participación / [CA] En l'actualitat, existeix una creixent necessitat de canviar el model energètic global basat en combustibles fòssils per un model cent per cent renovable, procés conegut com a transició energètica. Per a dur-ho a terme, és important tindre en compte que la majoria dels recursos de generació renovables no són gestionables i presenten una forta variabilitat en la seua producció d'energia difícilment predictible, la qual cosa fa necessari que el sistema elèctric haja de ser més flexible per a poder operar-se de manera segura. D'altra banda, les tecnologies de la informació i la comunicació han evolucionat ràpidament a conseqüència del procés de digitalització i dels continus desenvolupaments en aquest camp, la qual cosa ha permés a sectors com l'elèctric evolucionar cap a nous models més avançats com les xarxes intel·ligents. Tots aquests canvis fan que la resposta de la demanda (capacitat de modificar la manera de consumir energia en funció d'un senyal extern) puga oferir-se com un recurs valuós als operadors del sistema elèctric, permetent als consumidors més actius tindre una oportunitat per a reduir el seu cost energètic, podent ser més competitius i ajudar en la transició energètica. La present tesi doctoral té com a objectiu general el desenvolupament d'una metodologia i de les ferramentes de suport necessàries que permet fonamentalment plantejar solucions destinades a la resolució de les barreres més importants en relació amb la participació dels recursos flexibles en l'operació del sistema elèctric. Addicionalment, permeten determinar l'estratègia òptima de participació de grans i mitjans consumidors en productes i mercats en els quals els recursos flexibles siguen econòmicament competitius i tècnicament fiables. Aquest objectiu general s'ha abordat mitjançant el compliment de quatre objectius específics, que s'han traduït en la realització d'un conjunt de models, metodologies i ferramentes que donen compliment a cadascun d'ells. En aquest sentit, la tesi s'ha dividit en quatre desenvolupaments interrelacionats a partir dels seus resultats. En primer lloc, s'ha proposat una nova arquitectura conceptual del sistema elèctric per a integrar els futurs mercats d'electricitat, destinada a establir un marc de referència més adequat per a l'explotació dels recursos energètics distribuïts i de demanda. En segon lloc, s'ha elaborat una metodologia per a l'estandardització i validació dels recursos flexibles que poden oferir els consumidors, i que podria servir com a base per a la creació d'un procés de certificació de productes de demanda. En tercer lloc, s'ha desenvolupat una primera ferramenta de planificació a mitjà termini que, partint de la caracterització i avaluació tecnicoeconòmica dels recursos flexibles obtinguda amb la metodologia anterior, permet ajudar als mateixos consumidors a avaluar la rendibilitat associada a les diferents estratègies de participació en un mercat d'operació específic utilitzant els seus processos de consum flexibles. Finalment, s'ha dut a terme una segona ferramenta destinada a optimitzar la programació de l'operació per a l'endemà dels recursos de demanda d'un determinat consumidor participant en un mercat prèviament seleccionat a partir dels resultats de la ferramenta anterior i, per tant, oferint-li en definitiva el suport tècnic i les ferramentes necessàries per a maximitzar el benefici associat a aquesta participació. Les metodologies i ferramentes desenvolupades han sigut validades mitjançant la seua aplicació a un cas d'estudi compost per tres consumidors industrials que pertanyen a segments amb una elevada replicabilitat a Europa (indústria paperera, indústria del sector carni i centre logístic de producte refrigerat). Els resultats de la tesi permeten afirmar que s'ha realitzat un pas rellevant dins de la investigació en aquest camp per tal d'ajudar a la implantació de sistemes d'energia elèctrica sosteni / [EN] The ever-increasing need for electricity in our global and advanced society, along with the requirements to preserve the environment, have forced a fast growth of the use of primary renewable sources to produce it. The process of replacing the current fossil primary sources with renewable ones to produce electricity is known as the "Energy Transition". This transition is conditioned for the highly volatile, intermittent, and unpredictable nature of renewable energy sources. In this sense, two options exist to ensure the security of supply in power systems with a high share of renewable generation: either very robust, redundant, and expensive electricity systems with overcapacity or an electricity system with new and enhanced flexibility resources. Fortunately, relevant and advanced parallel developments in the technology, mainly in the control, information and communication fields have allowed the digitalization of the electricity supply systems towards the "smart grid" paradigm. One of the pillars of smart grids is the opportunity that arises for energy consumers to reduce the cost of their energy bill by modifying the electricity consumption. According to external inputs (e.g. prices), consumers can provide to energy markets and system operators competitive "Demand Response Resources" (DRR) that will significantly enhance the required system flexibility to facilitate the transition to a decarbonized system. The thesis's main objective is to develop a new methodology as well as the necessary associated models and tools to overrun the main barriers that prevent the participation of large and medium electricity consumers in the electricity supply activities. Additionally, these tools allow determining the optimal strategy for the participation of large and medium electricity consumers in products and markets where flexible resources can be economically competitive and technically reliable. Four complimentary and correlated sub-objectives have been fulfilled to address the main objective. First, the thesis proposes an original conceptual architecture for future Smart-Markets in order to establish a more suitable framework for DRR trading and implementation. Second, the research aims to solve the need to have "firm" DRR in the way that DRR can be considered reliable resources. This has been dealt with in the second sub-objective where a new methodology to standardize and validate the DRR offered by the customers has been developed and justified. This methodology can be used to regulate a "certification" process for DRR. The two final sub-objectives are related to provide the customer with valuable knowledge and tools to make feasible the DRR offers generation in the long and short term. The third sub-objective is related to the need for the DRR provider to plan in the medium term (a few years ahead) the strategy for the demand participation and assess the necessary investments. A planning tool has been developed to meet that objective. Finally, the last sub-objective deals with the need of the customer to program the operation of their demand resources in the short term (one day ahead at most) by optimizing all the available resources and prices. Consequently, complementary to medium-term planning tool, a day-ahead optimization tool has been created for that purpose. All methodologies and tools researched in this Ph.D. have been validated through its application to three different industrial environments and customers in sectors with high replicability all over Europe: a paper factory, a meat processing factory, and logistic centres with high freezing and refrigerating needs. The results and justified conclusions allow stating that a relevant step in the research of the implementation of more sustainable energy systems has been produced by enhancing more committed and dynamic participation of the demand side resources. / Rodríguez García, J. (2021). Metodología para la optimización del beneficio de la respuesta de la demanda en consumidores industriales: caracterización por procesos y aplicación [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/165574 / TESIS