[EN] Nowadays, there are many electronic products that incorporate elements and features coming from the research in the field of mobile robotics. For instance, the well-known vacuum cleaning robot Roomba by iRobot, which belongs to the field of service robotics, one of the most active within the sector. There are also numerous autonomous robotic systems in industrial warehouses and plants. It is the case of Autonomous Guided Vehicles (AGVs), which are able to drive completely autonomously in very structured environments. Apart from industry and consumer electronics, within the automotive field there are some devices that give intelligence to the vehicle, derived in most cases from advances in mobile robotics. In fact, more and more often vehicles incorporate Advanced Driver Assistance Systems (ADAS), such as navigation control with automatic speed regulation, lane change and overtaking assistant, automatic parking or collision warning, among other features. However, despite all the advances there are some problems that remain unresolved and can be improved. Collisions and rollovers stand out among the most common accidents of vehicles with manual or autonomous driving. In fact, it is almost impossible to guarantee driving without accidents in unstructured environments where vehicles share the space with other moving agents, such as other vehicles and pedestrians. That is why searching for techniques to improve safety in intelligent vehicles, either autonomous or manual-assisted driving, is still a trending topic within the robotics community. This thesis focuses on the design of tools and techniques for planning and control of intelligent vehicles in order to improve safety and comfort. The dissertation is divided into two parts, the first one on autonomous driving and the second one on manual-assisted driving. The main link between them is the use of clothoids as mathematical formulation for both trajectory generation and collision detection. Among the problems solved the following stand out: obstacle avoidance, rollover avoidance and advanced driver assistance to avoid collisions with pedestrians. / [ES] En la actualidad se comercializan infinidad de productos de electrónica de consumo que incorporan elementos y características procedentes de avances en el sector de la robótica móvil. Por ejemplo, el conocido robot aspirador Roomba de la empresa iRobot, el cual pertenece al campo de la robótica de servicio, uno de los más activos en el sector. También hay numerosos sistemas robóticos autónomos en almacenes y plantas industriales. Es el caso de los vehículos autoguiados (AGVs), capaces de conducir de forma totalmente autónoma en entornos muy estructurados. Además de en la industria y en electrónica de consumo, dentro del campo de la automoción también existen dispositivos que dotan de cierta inteligencia al vehículo, derivados la mayoría de las veces de avances en robótica móvil. De hecho, cada vez con mayor frecuencia los vehículos incorporan sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS por sus siglas en inglés), tales como control de navegación con regulación automática de velocidad, asistente de cambio de carril y adelantamiento, aparcamiento automático o aviso de colisión, entre otras prestaciones. No obstante, pese a todos los avances siguen existiendo problemas sin resolver y que pueden mejorarse. La colisión y el vuelco destacan entre los accidentes más comunes en vehículos con conducción tanto manual como autónoma. De hecho, la dificultad de conducir en entornos desestructurados compartiendo el espacio con otros agentes móviles, tales como coches o personas, hace casi imposible garantizar la conducción sin accidentes. Es por ello que la búsqueda de técnicas para mejorar la seguridad en vehículos inteligentes, ya sean de conducción autónoma o manual asistida, es un tema que siempre está en auge en la comunidad robótica. La presente tesis se centra en el diseño de herramientas y técnicas de planificación y control de vehículos inteligentes, para la mejora de la seguridad y el confort. La disertación se ha dividido en dos partes, la primera sobre conducción autónoma y la segunda sobre conducción manual asistida. El principal nexo de unión es el uso de clotoides como elemento de generación de trayectorias y detección de colisiones. Entre los problemas que se resuelven destacan la evitación de obstáculos, la evitación de vuelcos y la asistencia avanzada al conductor para evitar colisiones con peatones. / [CAT] En l'actualitat es comercialitzen infinitat de productes d'electrònica de consum que incorporen elements i característiques procedents d'avanços en el sector de la robòtica mòbil. Per exemple, el conegut robot aspirador Roomba de l'empresa iRobot, el qual pertany al camp de la robòtica de servici, un dels més actius en el sector. També hi ha nombrosos sistemes robòtics autònoms en magatzems i plantes industrials. És el cas dels vehicles autoguiats (AGVs), els quals són capaços de conduir de forma totalment autònoma en entorns molt estructurats. A més de en la indústria i en l'electrònica de consum, dins el camp de l'automoció també existeixen dispositius que doten al vehicle de certa intel·ligència, la majoria de les vegades derivats d'avanços en robòtica mòbil. De fet, cada vegada amb més freqüència els vehicles incorporen sistemes avançats d'assistència al conductor (ADAS per les sigles en anglés), com ara control de navegació amb regulació automàtica de velocitat, assistent de canvi de carril i avançament, aparcament automàtic o avís de col·lisió, entre altres prestacions. No obstant això, malgrat tots els avanços segueixen existint problemes sense resoldre i que poden millorar-se. La col·lisió i la bolcada destaquen entre els accidents més comuns en vehicles amb conducció tant manual com autònoma. De fet, la dificultat de conduir en entorns desestructurats compartint l'espai amb altres agents mòbils, tals com cotxes o persones, fa quasi impossible garantitzar la conducció sense accidents. És per això que la recerca de tècniques per millorar la seguretat en vehicles intel·ligents, ja siguen de conducció autònoma o manual assistida, és un tema que sempre està en auge a la comunitat robòtica. La present tesi es centra en el disseny d'eines i tècniques de planificació i control de vehicles intel·ligents, per a la millora de la seguretat i el confort. La dissertació s'ha dividit en dues parts, la primera sobre conducció autònoma i la segona sobre conducció manual assistida. El principal nexe d'unió és l'ús de clotoides com a element de generació de trajectòries i detecció de col·lisions. Entre els problemes que es resolen destaquen l'evitació d'obstacles, l'evitació de bolcades i l'assistència avançada al conductor per evitar col·lisions amb vianants. / Girbés Juan, V. (2016). Clothoid-based Planning and Control in Intelligent Vehicles (Autonomous and Manual-Assisted Driving) [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/65072 / TESIS

El control de robots manipuladores tiene por objeto mejorar la calidad, productividad y funcionalidad de dichos sistemas industriales. Para ello, se hace necesario que el diseño de los métodos de control tengan en cuenta el carácter no lineal de la dinámica de estos sistemas. Por este motivo la presente tesis se centra en el control no lineal de sistemas robotizados, por lo tanto se aborda el modelado dinámico de robots y el desarrollo de controladores dinámicos así como su implementación en entornos de tiempo real. Por una parte, se desarrolla el modelo dinámico de un robot manipulador a partir de las ecuaciones de la dinámica de acuerdo al formalismo de Gibbs-Appell. Para ello, se asume el robot constituido por barras rígidas y pares ideales. Este algoritmo está formulado de una forma recursiva logrando por ello un coste computacional lineal, que permite desarrollar aplicaciones de tiempo real. Además se tiene en cuenta que los algoritmos de resolución del modelo dinámico necesitan conocer de forma fiable los parámetros físicos del robot, por lo que se tienen que desarrollar procedimientos para poder utilizar un conjunto de parámetros base identificados tanto en el Problema Dinámico como a la hora de construir la ecuación del movimiento del robot. Por otra parte, a partir del modelo del robot se aborda el control dinámico de éste. Los controladores de movimiento desarrollados son controladores basados en el modelo del robot, es decir, aquellos que tienen en cuenta la descripción no lineal del sistema robotizado. De todos los posibles controladores de esta clase que existen, nos centramos en dos tipos, los controladores por dinámica inversa y los controladores basados en pasividad. Los primeros alcanzan el objetivo de seguimiento de trayectoria mediante la linealización por realimentación de la dinámica no lineal del robot. El segundo grupo modifica la energía mecánica del sistema con el fin de alcanzar el objetivo de control. / Rosillo Guerrero, N. (2009). Estudio e implementación de controladores dinámicos de robots industriales en tiempo real [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/6121 / Palancia

[EN] In this thesis, invariant-set theory is used to study the stability and feasibility of constrained scenario-based predictive controllers for Markov-jump linear systems. In the underlying optimisation problem of the predictive controllers technique, considers all possible future realisations of certain variables (uncertainty, disturbances, operating mode) or just a subset of those. Two different scenarios denoted as not risky and risky are studied. In the former, the trajectories of the system with initial states belonging to certain invariant sets, converge (in mean square sense) to the origin or an invariant neighbourhood of it with 100% probability. In such cases, the conditions that scenario trees must meet in order to guarantee stability and feasibility of the optimisation problem are analysed. Afterwards, the scenario-based predictive controller for Markov-jump linear systems under hard constraints and no disturbances is formulated. A study is presented for risky scenarios to determine sequence-dependent controllable sets, for which there exists a control law such that the system can be driven to the origin only for a particular realisation of uncertainty, disturbances, etc. A control law (optimal for disturbances-free systems and suboptimal for disturbed systems) able to steer the system to the origin with a probability less than 100% (denoted as reliability bound), is proposed for states belonging to those regions. Note that closed-loop unstable systems have zero reliability bound. Hence, an algorithm to determine the mean-time to failure is developed. In this context, failure means a violation in the constraints of the process' states and/or inputs in a future time. / [ES] La presente tesis emplea la teoría de conjuntos invariantes para el estudio de estabilidad y factibilidad de controladores predictivos basados en escenarios para sistemas lineales con saltos markovianos sujetos a restricciones. En el problema de optimización subyacente a la técnica de controladores predictivos, se consideran bien sea todas las posibles realizaciones futuras de una variable (incertidumbres, perturbaciones, modo de funcionamiento) o solo un subconjunto de estas. Se estudian dos escenarios diferentes, denotados como: a) escenarios no arriesgados y b) escenarios arriesgados, entendiéndose como no arriesgados, aquellos en donde las trayectorias del sistema con estados iniciales pertenecientes a ciertos conjuntos invariantes, convergen --en media-- al origen o a una vecindad invariante de este con un 100% de probabilidad. Para estos casos, se presenta un análisis de las condiciones que deben cumplir los árboles de escenarios para garantizar estabilidad --en media-- y factibilidad del problema de optimización. Luego se formula el control predictivo basado en escenarios para sistema lineales con saltos markovianos sujeto a restricciones y en ausencia de perturbaciones. En presencia de escenarios arriesgados, se propone el cálculo de conjuntos controlables dependientes de secuencias para los cuales existen una ley de control tal que el sistema puede ser conducido al origen, solo para una realización en particular de la incertidumbre, perturbaciones, etc. Para estados pertenecientes a estos conjuntos, se propone una ley de control (óptima para el caso de sistemas libres de perturbaciones y, subóptima para sistemas perturbados) capaz de dirigir el sistema al origen con una probabilidad menor al 100%, dicha probabilidad es denotada como cota de confiabilidad. Sistemas inestables en lazo cerrado tienen cota de confiabilidad igual a cero, por consiguiente se diseña un algoritmo que determina el tiempo medio para fallar. En este contexto, un fallo se entiende como la violación de las restricciones en los estados y/o entradas del proceso en algún instante de tiempo futuro. / [CAT] La present tesi empra la teoria de conjunts invariants per a l'estudi d'estabili-tat i factibilidad de controladors predictius basats en escenaris per a sistemes lineals amb salts markovians subjectes a restriccions. En el problema d'optimit-zació subjacent a la tècnica de controladors predictius, es consideren bé siga totes les possibles realitzacions futures d'una variable (incerteses, pertorbacions, modes de funcionament) o només un subconjunt d'aquestes. S'estudien dos escenaris diferents, denotats com a escenaris no arriscats i arriscats, entenent-se com no arriscats, aquells on les trajectòries del sistema amb estats inicials pertanyents a certs conjunts invariants, convergeixen --en mitjana-- a l'origen o a un veïnatge invariant d'est amb un 100% de probabilitat. Per a aquests casos, es presenta una anàlisi de les condicions que han de complir els arbres d'escenaris per a garantir estabilitat --en mitjana-- i factibilidad del problema d'optimització. Després es formula el control predictiu basat en escenaris per a sistema lineals amb salts markovians subjecte a restriccions i en absència de pertorbacions. En presència d'escenaris arriscats, es proposa el càlcul de conjunts controlables dependents de seqüències per als quals existeix una llei de control tal que el sistema pot ser conduït a l'origen, solament per a una realització en particular de l'incertesa, pertorbacions, etc. Per a estats pertanyents a aquests conjunts, es proposa una llei de control (òptima per al cas de sistemes lliures de pertorbacions i, subóptima per a sistemes pertorbats) capaç de dirigir el sistema cap a l'origen amb una probabilitat menor del 100%, aquesta probabilitat és denotada com a cota de confiabilitat. Sistemes inestables en llaç tancat tenen cota de confiabilitat igual a zero, per tant es dissenya un algoritme que determina el temps mitjà per a fallar. En aquest context, una fallada s'entén com la violació de les restriccions en els estats i/o entrades del procés en algun instant de temps futur. / Hernández Mejías, MA. (2016). CONTROL PREDICTIVO BASADO EN ESCENARIOS PARA SISTEMAS LINEALES CON SALTOS MARKOVIANOS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68512 / TESIS

Esta tesis considera un enfoque basado en Lyapunov para el análisis y control de sistemas no lineales cuyas ecuaciones dinámicas son reescritas como un modelo Takagi-Sugeno o uno polinomial convexo. Estas estructuras permiten resolver problemas de control mediante técnicas de optimización convexa, más concretamente desigualdades matriciales lineales y suma de cuadrados, que son eficientes herramientas desde un punto de vista computacional. Después de proporcionar una visión general básica del estado actual en el campo de los modelos Takagi-Sugeno, esta tesis aborda cuestiones sobre las funciones de Lyapunov por trozos, dependiente de parámetros e integral de línea, con las siguientes contribuciones: Un algoritmo mejorado para estimaciones del dominio de atracción de sistemas no lineales para sistemas de tiempo continuo. Los resultados se basan en funciones de Lyapunov por trozos, desigualdades matriciales lineales y argumentaciones geométricas; enfoques basados en conjuntos de nivel en la literatura previa se han mejorado significativamente. Una función Lyapunov generalizada dependiente de parámetros para la síntesis de controladores para sistemas Takagi-Sugeno. El enfoque propone una ley de control multi-índice que retroalimenta la derivada del tiempo de las funciones de membresía del modelo Takagi-Sugeno para anular los términos que causan localidad a priori en el análisis de Lyapunov. Una nueva función integral de Lyapunov para el análisis de estabilidad de sistemas no lineales. Estos resultados generalizan aquellos basados en funciones de Lyapunov integral de línea al marco polinomial; resulta que los requisitos de independencia del camino pueden ser anulados por una definición adecuada de una función Lyapunov con términos integrales. / This thesis considers a Lyapunov-based approach for analysis and control of nonlinear systems whose dynamical equations are rewritten as a Takagi-Sugeno model or a convex polynomial one. These structures allow solving control problems via convex optimisation techniques, more specifically linear matrix inequalities and sum-of-squares, which are efficient tools from the computational point of view. After providing a basic overview of the state of the art in the field of Takagi-Sugeno models, this thesis address issues on piecewise, parameter-dependent and line-integral Lyapunov functions, with the following contributions: An improved algorithm to estimate the domain of attraction of nonlinear systems for continuous-time systems. The results are based on piecewise Lyapunov functions, linear matrix inequalities, and geometrical argumentations; level-set approaches in prior literature are significantly improved. A generalised parameter-dependent Lyapunov function for synthesis of controllers for Takagi-Sugeno systems. The approach proposed a multi-index control law that feeds back the time derivative of the membership function of the Takagi-Sugeno model to cancel out the terms that cause a priori locality in the Lyapunov analysis. A new integral Lyapunov function for stability analysis of nonlinear systems. These results generalise those based on line-integral Lyapunov functions to the polynomial framework; it turns out path-independency requirements can be overridden by an adequate definition of a Lyapunov function with integral terms. / Aquesta tesi considera un enfocament basat en Lyapunov per a l'anàlisi i control de sistemes no lineals les equacions dinàmiques dels quals són reescrites com un model Takagi-Sugeno o un de polinomial convex. Aquestes estructures permeten resoldre problemes de control mitjançant tècniques d'optimització convexa, més concretament desigualtats matricials lineals i suma de quadrats, que són eines eficients des d'un punt de vista computacional. Després de proporcionar una visió general bàsica de l'estat actual en el camp dels models Takagi-Sugeno, aquesta tesi aborda qüestions sobre les funcions de Lyapunov per trossos, dependent de paràmetres i integral de línia, amb les següents contribucions: Un algoritme millorat per a estimar el domini d'atracció de sistemes no lineals per a sistemes de temps continu. Els resultats es basen en funcions de Lyapunov per trossos, desigualtats matricials lineals i argumentacions geomètriques; enfocaments basats en conjunts de nivell en la literatura prèvia s'han millorat significativament. Una funció Lyapunov generalitzada dependent de paràmetres per a la síntesi de controladors per a sistemes Takagi-Sugeno. L'enfocament proposa una llei de control multi-índex que retroalimenta la derivada del temps de les funcions de membres del model Takagi-Sugeno per anul·lar els termes que causen localitat a priori en l'anàlisi de Lyapunov. Una nova funció integral de Lyapunov per a l'anàlisi d'estabilitat de sistemes no lineals. Aquests resultats generalitzen aquells basats en funcions de Lyapunov integral de línia al marc polinomial; resulta que els requisits d'independència del camí poden ser anul·lats per una definició adequada d'una funció Lyapunov amb termes integrals. / González Germán, IT. (2018). Contributions to analysis and control of Takagi-Sugeno systems via piecewise, parameter-dependent, and integral Lyapunov functions [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/101282 / TESIS

Tesis por compendio / [ES] El mecanizado con brazos robots ha sido estudiado aproximadamente desde los años 90, durante este tiempo se han llevado a cabo importantes avances y descubrimientos en cuanto a su campo de aplicación. En general, los robots manipuladores tienen muchos beneficios y ventajas al ser usados en operaciones de mecanizado, tales como, flexibilidad, gran área de trabajo y facilidad de programación, entre otras, frente a las Máquinas Herramientas de Control numérico (MHCN) que necesitan de una gran inversión para trabajar piezas muy grandes o incrementar sus grados de libertad. Como desventajas, frente a las MHCN, los brazos robóticos poseen menor rigidez, lo que combinado con las altas fuerzas producidas en los procesos de mecanizado hace que aparezcan errores de precisión, desviaciones en las trayectorias, vibraciones y, por consiguiente, una mala calidad en las piezas fabricadas. Entre los brazos robots, los brazos colaborativos están en auge debido a su programación intuitiva y a sus medidas de seguridad, que les permiten trabajar en el mismo espacio que los operadores sin que estos corran riesgos. Como desventaja añadida de los robots colaborativos se encuentra la mayor flexibilidad que estos tienen en sus articulaciones, debido a que incluyen reductores del tipo Harmonic drive. El uso de un control de fuerza en procesos de mecanizado con brazos robots permite controlar y corregir en tiempo real las desviaciones generadas por la flexibilidad en las articulaciones del robot. Utilizar este método de control es beneficioso en cualquier brazo robot; sin embargo, el control interno que incluyen los robots colaborativos presenta ventajas que permiten que el control de fuerza pueda ser aplicado de una manera más eficiente. En el presente trabajo se desarrolla una propuesta real para la inclusión del control de esfuerzos en el brazo robot, así como también, se evalúa y cuantifica la capacidad de los robots industriales y colaborativos en tareas de mecanizado. La propuesta plantea cómo mejorar la utilización de un control de fuerza por bucle interior/exterior aplicado en un brazo colaborativo cuando se desconocen los pares reales de los motores del robot, así como otros parámetros internos que los fabricantes no dan a conocer. Este bucle de control interior/exterior ha sido utilizado en aplicaciones de pulido y lijado sobre diferentes materiales. Los resultados indican que el robot colaborativo es factible para realizar tales operaciones de mecanizado. Sus mejores resultados se obtienen cuando se utiliza un bucle de control interno por velocidad y un bucle de control externo de fuerza con algoritmos, Proporcional-Integral-Derivativo o Proporcional más Pre-Alimentación de la Fuerza. / [CA] El mecanitzat amb braços robots ha estat estudiat aproximadament des dels anys 90, durant aquest temps s'han dut a terme importants avanços i descobriments en el que fa al seu camp d'aplicació. En general, els robots manipuladors tenen molts beneficis i avantatges al ser usats en operacions de mecanitzat, com ara, flexibilitat, gran àrea de treball i facilitat de programació, entre d'altres, davant de Màquines Eines de Control Numèric (MECN) que necessiten d'una gran inversió per treballar peces molt grans o incrementar els seus graus de llibertat. Com a desavantatges, enfront de les MECN, els braços robòtics posseeixen menor rigidesa, el que combinat amb les altes forces produïdes en els processos de mecanitzat fa que apareguin errors de precisió, desviacions en les trajectòries, vibracions i, per tant, una mala qualitat en les peces fabricades. Entre els braços robots, els braços col·laboratius estan en auge a causa de la seva programació intuïtiva i a les seves mesures de seguretat, que els permeten treballar en el mateix espai que els operadors sense que aquests corrin riscos. Com desavantatge afegida als robots col·laboratius es troba la major flexibilitat que aquests tenen en les seves articulacions, a causa de que inclouen reductors del tipus Harmonic drive. L'ús d'un control de força en processos de mecanitzat amb braços robots permet controlar, i corregir, en temps real les desviacions generades per la flexibilitat en les articulacions del robot. Utilitzar aquest mètode de control és beneficiós en qualsevol braç robot, però, el control intern que inclouen els robots col·laboratius presenta avantatges que permeten que el control de força es puga aplicar d'una manera més eficient. En el present treball es desenvolupa una proposta real per a la inclusió del control d'esforços en el braç robot, així com s'avalua i quantifica la capacitat dels robots industrials i col·laboratius en tasques de mecanitzat. La proposta planteja com millorar la utilització d'un control de força per bucle interior/exterior aplicat en un braç col·laboratiu, quan es desconeixen els parells reals dels motors del robot, així com altres paràmetres interns que els fabricants no donen a conèixer. Aquest bucle de control interior/exterior ha estat utilitzat en aplicacions de polit sobre diferents materials. Els resultats indiquen que el robot col·laboratiu és factible de realitzar aquestes operacions de mecanitzat. Els seus millors resultats s'obtenen quan s'utilitza un bucle de control intern per velocitat i un bucle de control extern de força amb els algoritmes Proporcional-Integral-Derivatiu o Proporcional més Pre-alimentació de la Força. / [EN] Machining with robot arms has been studied approximately since the 90s; during this time, important advances and discoveries have been made in its field of application. In general, manipulative robots have many benefits and advantages when they are used in machining operations, such as flexibility, large work area, and ease of programming, among others, compared to Numerical Control Machine Tools (NCMT) that need a great investment to work very large pieces or increase their degrees of freedom. As for disadvantages, compared to NCMT, robotic arms have lower rigidity, which, combined with the high forces produced in machining processes, causes precision errors, path deviations, vibrations, and, consequently, poor quality in the manufactured parts. Among robot arms, collaborative arms are on the rise due to their intuitive programming and safety measures, which allow them to work in the same space without risk for the operators. An added disadvantage of collaborative robots is their flexibility in their joints because they include Harmonic drive type reducers. The use of force control in machining processes with robot arms makes possible to control and correct, in real-time, the deviations generated by the flexibility in the robot's joints. The use of this control method is beneficial for any robot arm. However, the internal control included in collaborative robots has advantages that allow the force control to be applied more efficiently. In this work, a real proposal is developed to include effort control in the robot arm. The capacity of industrial and collaborative robots in machining tasks is evaluated and quantified. The proposal recommends how to improve the use of an inner/outer force control loop applied in a collaborative arm, when the real torques of the robot's motors are unknown and other internal parameters that manufacturers do not disclose. This inner/outer control loop has been used in polishing and sanding applications on different materials. The results indicate that the collaborative robot is feasible to perform such machining operations. Best results are obtained using an internal velocity control loop and external force control loop with Proportional-Integral-Derivative or Proportional plus Feed Forward. / The authors are grateful for the financial support of the Spanish Ministry of Economy and European Union, grant DPI2016-81002-R (AEI/FEDER, UE). This work was funded by the CONICYT PFCHA/DOCTORADO BECAS CHILE/2017 – 72180157. / Pérez Ubeda, RA. (2022). Propuesta de inclusión de esfuerzos en el control de un brazo robot para asegurar el cumplimiento de la rugosidad superficial durante operaciones de lijado en diferentes materiales [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182000 / TESIS / Compendio

Tesis por compendio / [ES] La Unión Europea plantea una serie de retos en el GREEN DEAL para conseguir un escenario donde sus miembros sean climáticamente neutros en 2050. Para ello se plantean unas acciones entre las que destaca la descarbonización del sector de la energía. Por otra parte, se ha puesto como objetivo conseguir una capacidad de energía eólica de 1200 GW en 2050, desde los 190 GW que se tenía en 2019. El cierre de centrales eléctricas basadas en grandes generadores síncronos junto con el aumento en la construcción de centrales eléctricas con fuentes basadas en electrónica de potencia como parques eólicos o plantas fotovoltaicas, hace necesario la incorporación de controladores grid forming en energías renovables basadas en electrónica de potencia. La integración de estrategias de control grid forming en turbinas eólicas debe considerar las funciones de reparto de potencia activa y reactiva (control droop en generadores síncronos), así como un sistema de protección ante faltas que permita una recuperación rápida cuando se despeja la falta. Por otra parte, en la transición de los actuales parques eólicos grid following que funcionan como fuentes de corriente a parques eólicos grid forming que funcionan como fuentes de tensión se debe considerar que ambas tecnologías van a coexistir conjuntamente por mucho tiempo. Por tanto, se hace necesario el estudio de estabilidad de parques eólicos con ambas tecnologías, así como el estudio de cuanta generación grid forming es necesaria para mantener el parque eólico estable en cualquier situación. Además, el uso de parques eólicos grid foming permite diferentes aplicaciones como la energización de redes eléctricas después de un apagón desde estos parques eólicos, o el uso de diodos rectificadores en enlaces HVDC para la conexión de parques eólicos marinos. Para facilitar el estudio y diseño de aerogeneradores grid forming, en la presente tesis se propone una técnica de agregación de aerogeneradores tipo-4. Esta técnica permite reducir la complejidad del parque eólico para su estudio y análisis. Esta tesis incluye las siguientes contribuciones: Para el funcionamiento de aerogeneradores grid forming en paralelo con aerogeneradores grid following se propone un método de diseño analizando la estabilidad del sistema completo. Además, se propone una estrategia de control ante faltas para asegurar una recuperación rápida y segura. Se propone el uso de técnicas de control H∞ para la sintonización de controladores grid forming. El uso de estas técnicas para el diseño de controladores puede mejorar la robustez de los controladores, así como el rendimiento de estos. Considerando la aplicación de la energización de redes HVAC desde parques eólicos, se ha propuesto como llevar a cabo dicha maniobra a partir de parque con aerogeneradores grid forming y grid following. Los resultados obtenidos validan el funcionamiento de la operación. Además, muestran que la cantidad de generación grid forming está relacionada con la dimensión de cargas que tienen que aguantar dichas turbinas más que con la estabilidad del sistema con un porcentaje bajo de generación grid forming. Finalmente, se han propuesto estrategias de protección para la integración de parque eólicos en redes malladas HVDC utilizando rectificadores de diodos. Los parques eólicos grid forming pueden ayudar a gestionar faltas disminuyendo los requisitos en las protecciones necesarias en el enlace HVDC. Esto permite una reducción del coste de la instalación, además de aumentar la robustez del sistema. / [CA] La Unió Europea planteja uns reptes al GREEN DEAL per a aconseguir un escenario on els seus membres siguen climàticament neutrals al 2050. Per a aconseguir aquest objectiu es plantegen unes accions entre les quals destaca la de descarbonitzar el sector energètic. D'altra banda, s'ha posat com a objectiu aconseguir una capacitat d'energia eòlica de 1200 GW al 2050, des dels 190 GW que es tenia al 2019. El tancament de centrals elèctriques basades en grans generadors síncrons juntament amb l'augment en la construcció de centrals elèctriques basades en electrónica de potència com a parcs eòlics o plantes fotovoltaiques, fa necessari la incorporació de controladors grid forming en energies renovables que es basan en electrònica de potència. La integració d'estratègies de control grid forming per a turbines eòliques ha de considerar les funcions de repartiment de potència activa i reactiva, així com un sistema de protecció davant faltes que permeta una recuperació ràpida quan s'aïlla la falta. D'altra banda, en la transició dels actuals parcs eòlics grid following que funcionen com a fonts de corrent a parcs eòlics grid forming que funcionen com a fonts de tensió, s'ha de considerar que totes dues tecnologies coexistiran conjuntament per molt de temps. Per tant, es fa necessari l'estudi d'estabilitat d'un parc eòlic amb totes dues tecnologies, així com l'estudi del percentatge de generació grid forming necessari per a mantindre el parc eòlic estable en qualsevol situació. A més, l'ús de parcs eòlics grid foming permet diferents aplicacions com l'energització de xarxes elèctriques després d'una apagada des d'aquests parcs eòlics, o l'ús de díodes rectificadors en enllaços HVDC per a la connexió de parcs eòlics marins. Per a facilitar l'estudi i disseny d'aerogeneradors grid forming, en la present tesi es proposa una tècnica d'agregació d'aerogeneradors tipus-4. Aquesta técnica permet reduir la complexitat del parc eòlic per al seu estudi i anàlisi. La present tesi inclou les següents contribucions: Per al funcionament d'aerogeneradors grid forming en paral¿lel amb aerogeneradors grid following es proposa un mètode de disseny analitzant l'estabilitat del sistema complet. A més, es proposa una estratègia de control davant faltes per a assegurar una recuperació ràpida i segura. Es proposa l'ús de tècniques de control H∞ per a la sintonització de controladors grid forming. L'ús d'aquestes tècniques per al disseny de controladors pot millorar la robustesa dels controladors, a mé del rendiment d'aquestos. Considerant l'aplicació de l'energització de xarxes HVAC des de parcs eòlics, s'ha proposat com dur a terme aquesta maniobra a partir d'un parc eòlic amb aerogeneradors grid forming i grid following. Els resultats obtinguts validen el funcionament de l'operació. A més, mostren que la quantitat de generació grid forming està més relacionada amb la dimensió de les càrregues que ha d'aguantar el parc eòlic, que amb l'estabilitat del sistema que permet un menr percentatge de generació grid forming. Finalment, s'han proposat estratègies de protecció per a la integració de parcs eòlics marins en xarxes multi-punt HVDC utilitzant rectificadors de díodes. Els parcs eòlics grid forming poden ajudar a gestionar faltes disminuint els requisits de les proteccions necessàries en l'enllaç HVDC. Això permet una reducció del cost de la instal¿lació, a més d'augmentar la robustesa del sistema. / [EN] The European Union GREEN DEAL aims to make its 27 members climate-neutral by 2050. The decarbonization of the energy sector stands out as one of the proposed actions. To achieve that goal, the target for wind power generation is set at 1,200 GW in 2050, from the 190 GW that was had in 2019. The closure of power plants based on large synchronous generators and the increase of power electronics based generation such as Wind Power Plants (WPPs) or photovoltaic plants, leads to the use of grid forming controllers for power electronics based renewable energy. Grid forming control strategies for wind turbines generators (WTGs) must consider active and reactive power sharing control (droop control in synchronous generators) as well as a protection system that allows a quick recovery after fault clearance. Moreover, a transition from the conventional grid following WPPs to new grid forming WPPs is required. The transition must consider the parallel operation of both technologies for a long time. Thus, it is necessary to study the stability of Wind Power Plants with both technologies, as well as the study of how much grid forming generation is required to keep a mixed grid forming and grid following WPP stable in any situation. In addition, the use of grid forming WPPs allows different applications such as the energization of HVAC and HVDC grids after a blackout from these WPPs, or the use of diode rectifiers in HVDC links for the off-shore WPPs connection. An aggregation technique for type-4 WTGs has been proposed in this thesis in order to facilitate the study and design of grid forming WPPs. The aggregation technique allows to reduce the WPP complexity for its study and analysis. The main contributions of this theses are: A design methodology has been proposed for the parallel operation of grid forming and grid following WTGs. Including the stability analysis of the complete system. Additionally, a fault control strategy is proposed to ensure a fast and safe recovery. The use of H∞ control techniques is also proposed for grid forming controller tuning. Using H∞ control techniques for controller design may improve the robustness of the controllers as well as the performance of the controllers. A procedure to carry out black start operation of HVAC grid from mixed grid forming and grid following WPPs has been proposed. The obtained results validate that the procedure works as expected. Moreover, the results show that the amount of grid-forming generation usually is determined by the load size steps as stability limits are usually less stringent. Finally, protection strategies have been proposed for the integration of off-shore WWPs in multi-terminal HVDC grids using diode rectifiers. Grid forming WPPs are able to help managing faults. Their use allow lower requirements of the HVDC protection equipment, leading to overall cost reduction and an increment of the system robustness. / Martínez Turégano, J. (2022). Grid Forming Wind Power Plants: Black start operation for HVAC grids and Diode Rectifier-based Wind Power Plant integration [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181529 / TESIS / Compendio

Tesis por compendio / [ES] El desarrollo tecnológico en la creación de trayectorias que permitan navegación libre de colisiones de Vehículos Autónomos (AVs) ha sido un objetivo constante de estudio debido a su fuerte interés científico y tecnológico en las últimas tres décadas. Las diferentes clases de AVs, ya sean Vehículos Aéreos no Tripulados (UAVs), Vehículos Terrestres no Tripulados (UGVs) o Vehículos Submarinos no Tripulados (UUVs), fomentan el desarrollo e implementación de trayectorias en el espacio tridimensional (3D). Un grupo especial de tecnología UAV está caracterizado por su ala fija, lo cual destaca características particulares en los AVs, debido a las restricciones no-holonómicas (un sistema que se describe mediante un conjunto de parámetros sujetos a restricciones diferenciales que no permiten que un vehículo se mueva de forma instantánea en cualquier dirección). En este sentido, las trayectorias navegables para estos UAVs no deben ser construidas como un conjunto de líneas rectas y círculos como en la gran mayoría de planificadores basados en primitivas, ya que no se garantiza una continuidad en su curvatura. Por lo tanto, las trayectorias construidas para esta rama tecnológica deben ser resueltas considerando las diferentes restricciones de maniobrabilidad del UAV, además de criterios de continuidad de curvas (el problema de continuidad se refiere principalmente a la continuidad geométrica, en términos de continuidad tangencial o de curvatura), suavidad en las curvas (una curva es suave si sus derivadas son continuas en el intervalo definido) y la seguridad en el vuelo (el control de seguridad garantiza que una trayectoria suave esté suficientemente lejos de los obstáculos). Finalmente, la cinemática del movimiento de los vehículos es otro factor que debe ser considerado mientras se suavizan las trayectorias. El presente trabajo está enfocado en la creación de trayectorias navegables en el espacio 3D, para UAVs de características no-holonómicas. La principal dificultad al solventar este problema se debe a la movilidad de esta clase de UAVs, pues se ven obligados a avanzar sin la posibilidad de detenerse a través de trayectorias 3D, realizando curvas con curvaturas limitadas (una máxima capacidad de giro a una velocidad definida). En consecuencia, se han desarrollado las herramientas necesarias para proporcionar una completa caracterización de trayectorias óptimas (con un radio de giro limitado) para UAVs que se mueven en el espacio 3D a una velocidad constante. Esta tesis se centra en la generación de caminos con trayectorias navegables en el espacio Euclídeo 3D, que contenga curvas con curvatura continua, considerando de esta manera las restricciones cinemáticas de los UAVs. Por tal motivo el objetivo principal es el desarrollo de la matemática necesaria para definir curvas clotoides en el espacio tridimensional, de modo que puedan ser utilizadas como primitivas en la generación de trayectorias. Finalmente, culminado el desarrollo de esta herramienta básica, y en función de los obstáculos del entorno, se puede completar una planificación y replanificación activa de movimientos. Para complementar la investigación, la verificación de las herramientas de planificación de trayectorias y del sistema, se han realizado simulaciones con la ayuda del entorno de desarrollo integrado (IDE) Matlab. De la misma forma, se ha preparado una plataforma de simulación de vuelo, tomando las virtudes del simulador de vuelo FlightGear 2018, y el modelo dinámico del avión de ala fija con restricciones no-holonómicas (Kadett 2400 ). En cuanto a la generación de trayectorias 3D, se han desarrollado simulaciones off-line, donde las acciones de control que debe ejecutar el avión para que siga la trayectoria calculada son definidas por: acceleración, brusquedad de curvatura y brusquedad de torsión. Por último, el enfoque de revisión bibliográfica presente en este documento se ha centrado en trabajos realizados que buscan cumplir con las tareas de planificación. / [CA] El desenvolupament tecnològic en la creació de trajectòries que permeten navegació lliure de col·lisions de Vehicles Autònoms (AVs) ha estat un objectiu constant d'estudi a causa del seu fort interés científic i tecnològic en les últimes tres dècades. Les diferents classes d'AVs, ja siguen Vehicles Aeris no Tripulats (UAVs), Vehicles Terrestres no Tripulats (UGVs) o Vehicles Submarins no Tripulats (UUVs), fomenten el desenvolupament i la implementació de trajectòries a l'espai tridimensional (3D). Un grup especial de tecnologia UAV està caracteritzat per la seua ala fixa, cosa que destaca característiques particulars en els AVs, a causa de les restriccions no-holonòmiques (un sistema que es descriu mitjançant un conjunt de paràmetres subjectes a restriccions diferencials que no permeten que un vehicle es menege de forma instantània en qualsevol direcció). En aquest sentit, les trajectòries navegables per a aquests UAVs no han de ser construïdes com un conjunt de línies rectes i cercles com a la gran majoria de planificadors basats en primitives, ja que no es garanteix una continuïtat en la seua curvatura. Per tant, les trajectòries construïdes per a aquesta branca tecnològica han de ser resoltes considerant les diferents restriccions de maniobrabilitat de l'UAV, a més de criteris de continuïtat de corbes (el problema de continuïtat es refereix principalment a la continuïtat geomètrica, en termes de continuïtat tangencial o de curvatura), suavitat a les corbes (una corba és suau si les seves derivades són contínues en l'interval definit) i la seguretat en el vol (el control de seguretat garanteix que una trajectòria suau estiga prou lluny dels obstacles). Finalment, la cinemàtica del moviment dels vehicles és un altre factor que cal considerar mentre se suavitzen les trajectòries. Aquest treball està enfocat a la creació de trajectòries navegables a l'espai 3D, per a UAVs de característiques no-holonòmiques. La principal dificultat en solucionar aquest problema es deu a la mobilitat d'aquesta classe de UAVs, ja que es veuen obligats a avançar sense la possibilitat d'aturarse a través de trajectòries 3D, fent corbes amb curvatures limitades (una màxima capacitat de gir a una velocitat definida). En conseqüència, s'han desenvolupat les ferramentes necessàries per proporcionar una completa caracterització de trajectòries òptimes (amb un radi de gir limitat) per a UAVs que es mouen al pla 3D a una velocitat constant. Aquesta tesi se centra en la generació de camins amb trajectòries navegables a l'espai Euclidià 3D, que continguen corbes amb curvatura contínua, considerant així les restriccions cinemàtiques dels UAVs. Per aquest motiu, l'objectiu principal és el desenvolupament de la matemàtica necessària per definir corbes clotoides a l'espai tridimensional, de manera que puguen ser utilitzades com a primitives en la generació de trajectòries. Finalment, culminat el desenvolupament d'aquesta ferramenta bàsica, i en funció dels obstacles de l'entorn, es pot completar una planificació i una replanificació activa de moviments. Per complementar la investigació, la verificació de les ferramentes de planificació de trajectòries i del sistema, s'han fet simulacions amb l'ajuda de l'entorn de desenvolupament integrat (IDE) Matlab. De la mateixa manera, s'ha preparat una plataforma de simulació de vol, prenent les virtuts del simulador de vol FlightGear 2018 i el model dinàmic de l'avió d'ala fixa amb restriccions no-holonòmiques (Kadett 2400). Pel que fa a la generació de trajectòries 3D, s'han desenvolupat simulacions off-line, on les accions de control que ha d'executar l'avió perquè seguisca la trajectòria calculada són definides per: acceleració, brusquedat de curvatura i brusquedat de torsió. Finalment, l'enfocament de revisió bibliogràfica present en aquest document s'ha centrat en treballs realitzats que busquen complir les tasques de planificació de trajectòria, planificació de moviment i construcció de corbes suaus per a AVs. / [EN] The technological development in the creation of trajectories that allow collision-free navigation of Autonomous Vehicles (AVs) has been a continuous target of study due to its strong scientific and technological interest in the last three decades. Different classes of AVs, whether, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), Unmanned Ground Vehicles (UGVs) or Unmanned Underwater Vehicles (UUVs), encourage the development and implementation of paths in three-dimensional (3D) space. A special group of UAV technology is characterized by its fixed wing, which emphasizes particular characteristics in UAVs, due to non-holonomic constraints (a system that is described by a set of parameters subject to differential constraints that do not allow a vehicle to move instantaneously in any direction). In this sense, navigable paths for these UAVs should not be built as a set of straight lines and circles as in the vast majority of primitive-based planners, since no continuity in their curvature is guaranteed. Therefore, the paths built for this technology branch must be solved considering the different maneuverability constraints of the UAV, in addition to curve continuity criteria (the continuity problem refers mainly to geometric continuity, in terms of tangential or curvature continuity), curve smoothness (a curve is smooth if its derivatives are continuous in the defined interval) and flight safety (safety control ensures that a smooth path is sufficiently far away from obstacles). Finally, the kinematics of vehicle motion is another factor to be considered while smoothing paths. This thesis work is focused on the creation of navigable paths in 3D space for UAVs with non-holonomic characteristics. The main difficulty in solving this problem is due to the mobility of this kind of UAVs, since they are forced to move without the possibility of stopping through 3D paths, performing curves with limited curvatures (a maximum turning capacity at a defined speed). Consequently, the needed tools have been developed to provide a complete characterization of optimal paths (with a limited turning radius) for UAVs moving in the 3D plane at a constant velocity. This thesis focuses on the generation of paths with navigable trajectories in 3D Euclidean space, containing curves with continuous curvature, thus considering the kinematic constraints of UAVs. Therefore, the main aim is the development of the necessary mathematics to define clothoid curves in the three-dimensional space, so that they can be used as primitives in the generation of paths. Finally, once the development of this basic tool has been completed, and depending on the obstacles in the environment, an active planning and replanning of movements can be completed. To complement the research, the verification of the path planning tools and the system, simulations have been performed with the help of the integrated development environment (IDE) Matlab. In the same way, a flight simulation platform has been prepared, taking the virtues of the FlightGear 2018 flight simulator, and the dynamic model of the fixed-wing aircraft with non-holonomic constraints (Kadett 2400 ). Regarding the generation of 3D paths, off-line simulations have been developed, where the control actions to be executed by the aircraft to follow the calculated path are defined by: acceleration, curvature sharpness and torsion sharpness. Finally, the literature review approach presented in this document has focused on works that address the tasks of path planning, motion planning and construction of smooth curves for AVs. Special care has been taken in the methodologies used, the variety of techniques, in addition to the advantages and disadvantages presented throughout the literature review. / The authors are grateful to the financial support of Spanish Ministry of Economy and European Union, grant DPI2016-81002-R (AEI/FEDER, UE). This work was also supported by the postdoctoral fellowship “APOSTD/2017/055” and the local administration “GV/2017/029” (Generalitat Valenciana, Conse- lleria d’Educació) Valencia - Spain. / Vanegas Zabala, GI. (2024). Generación de maniobras suaves en el espacio 3D [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203122 / Compendio

Tesis por compendio / [ES] El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de técnicas avanzadas de seguimiento de posturas para reconocimiento de comportamientos del Caenorhabditis elegans o C. elegans. El C. elegans es una clase de nematodo utilizado como organismo modelo para el estudio y tratamientos de diferentes enfermedades patológicas así como neurodegenerativas. Su comportamiento ofrece información valiosa para la investigación de nuevos fármacos (o productos alimenticios y cosméticos saludables) en el estudio de lifespan y healthspan. Al día de hoy, muchos de los ensayos con C. elegans se realizan de forma manual, es decir, usando microscopios para seguirlos y observar sus comportamientos o en laboratorios más modernos utilizando programas específicos. Estos programas no son totalmente automáticos, requieren ajuste de parámetros. Y en otros casos, son programas para visualización de imágenes donde el operador debe etiquetar maualmente el comportamiento de cada C. elegans. Todo esto se traduce a muchas horas de trabajo, lo cual se puede automatizar utilizando técnicas de visión por computador. Además de poder estimar indicadores de movilidad con mayor precisión que un operador humano. El problema principal en el seguimiento de posturas de C. elegans en placas de Petri son las agregaciones entre nematodos o con ruido del entorno. La pérdida o cambios de identidad son muy comunes ya sea de forma manual o usando programas automáticos/semi-automáticos. Y este problema se vuelve más complicado aún en imágenes de baja resolución. Los programas que automatizan estas tareas de seguimiento de posturas trabajan con técnicas de visión por computador usando técnicas tradicionales de procesamiento de imágenes o técnicas de aprendizaje profundo. Ambas técnicas han demostrado excelentes resultados en la detección y seguimiento de posturas de C. elegan}. Por un lado, técnicas tradicionales utilizan algoritmos/optimizadores para obtener la mejor solución, mientras que las técnicas de aprendizaje profundo aprenden de forma automática características del conjunto de datos de entrenamiento. El problema con las técnicas de aprendizaje profundo es que necesitan un conjunto de datos dedicado y grande para entrenar los modelos. La metodología utilizada para el desarrollo de esta tesis (técnicas avanzadas de seguimiento de posturas) se encuadran dentro del área de investigación de la visión artificial. Y ha sido abordada explorando ambas ramas de visión por computador para resolver los problemas de seguimiento de posturas de C. elegans en imágenes de baja resolución. La primera parte, es decir, secciones 1 y 2, capítulo 2, utilizó técnicas tradicionales de procesamiento de imágenes para realizar la detección y seguimiento de posturas de los C. elegans. Para ello se propuso una nueva técnica de esqueletización y dos nuevos criterios de evaluación para obtener mejores resultados de seguimiento, detección, y segmentación de posturas. Las siguientes secciones del capítulo 2 utilizan técnicas de aprendizaje profundo, y simulación de imágenes sintéticas para entrenar modelos y mejorar los resultados de detección y predicción de posturas. Los resultados demostraron ser más rápidos y más precisos en comparación con técnicas tradicionales. También se demostró que los métodos de aprendizaje profundo son más robustos ante la presencia de ruido en la placa. / [CA] L'objectiu principal d'aquesta tesi és el desenvolupament de tècniques avançades de seguiment de postures per a reconeixement de comportaments del Caenorhabditis elegans o C. elegans. El C. elegans és una classe de nematodo utilitzat com a organisme model per a l'estudi i tractaments de diferents malalties patològiques així com neurodegeneratives. El seu comportament ofereix informació valuosa per a la investigació de nous fàrmacs (o productes alimentosos i cosmètics saludables) en l'estudi de lifespan i healthspan. Al dia de hui, molts dels assajos amb C. elegans es realitzen de manera manual, és a dir, usant microscopis per a seguir-los i observar els seus comportaments o en laboratoris més moderns utilitzant programes específics. Aquests programes no són totalment automàtics, requereixen ajust de paràmetres. I en altres casos, són programes per a visualització d'imatges on l'operador ha d'etiquetar maualment el comportament de cada C. elegans. Tot això es tradueix a moltes hores de treball, la qual cosa es pot automatitzar utilitzant tècniques de visió per computador. A més de poder estimar indicadors de mobilitat amb major precisió que un operador humà. El problema principal en el seguiment de postures de C. elegans en plaques de Petri són les agregacions entre nematodes o amb soroll de l'entorn. La pèrdua o canvis d'identitat són molt comuns ja siga de manera manual o usant programes automàtics/semi-automàtics. I aquest problema es torna més complicat encara en imatges de baixa resolució. Els programes que automatitzen aquestes tasques de seguiment de postures treballen amb tècniques de visió per computador usant tècniques tradicionals de processament d'imatges o tècniques d'aprenentatge profund. Totes dues tècniques han demostrat excel·lents resultats en la detecció i seguiment de postures de C. elegans. D'una banda, tècniques tradicionals utilitzen algorismes/optimizadors per a obtindre la millor solució, mentre que les tècniques d'aprenentatge profund aprenen de manera automàtica característiques del conjunt de dades d'entrenament. El problema amb les tècniques d'aprenentatge profund és que necessiten un conjunt de dades dedicat i gran per a entrenar els models. La metodologia utilitzada per al desenvolupament d'aquesta tesi (tècniques avançades de seguiment de postures) s'enquadren dins de l'àrea d'investigació de la visió artificial. I ha sigut abordada explorant totes dues branques de visió per computador per a resoldre els problemes de seguiment de postures de C. elegans en imatges de baixa resolució. La primera part, és a dir, secció 1 i 2, capítol 2, va utilitzar tècniques tradicionals de processament d'imatges per a realitzar la detecció i seguiment de postures dels C. elegans. Per a això es va proposar una nova tècnica de esqueletizació i dos nous criteris d'avaluació per a obtindre millors resultats de seguiment, detecció i segmentació de postures. Les següents seccions del capítol 2 utilitzen tècniques d'aprenentatge profund i simulació d'imatges sintètiques per a entrenar models i millorar els resultats de detecció i predicció de postures. Els resultats van demostrar ser més ràpids i més precisos en comparació amb tècniques tradicionals. També es va demostrar que els mètodes d'aprenentatge profund són més robustos davant la presència de soroll en la placa. / [EN] The main objective of this thesis is the development of advanced posture-tracking techniques for behavioural recognition of Caenorhabditis elegans or C. elegans. C. elegans is a kind of nematode used as a model organism for the study and treatment of different pathological and neurodegenerative diseases. Their behaviour provides valuable information for the research of new drugs (or healthy food and cosmetic products) in the study of lifespan and healthspan. Today, many of the tests on C. elegans are performed manually, i.e. using microscopes to track them and observe their behaviour, or in more modern laboratories using specific software. These programmes are not fully automatic, requiring parameter adjustment. And in other cases, they are programmes for image visualisation where the operator must label the behaviour of each C. elegans manually. All this translates into many hours of work, which can be automated using computer vision techniques. In addition to being able to estimate mobility indicators more accurately than a human operator. The main problem in tracking C. elegans postures in Petri dishes is aggregations between nematodes or with noise from the environment. Loss or changes of identity are very common either manually or using automatic/semi-automatic programs. And this problem becomes even more complicated in low-resolution images. Programs that automate these pose-tracking tasks work with computer vision techniques using either traditional image processing techniques or deep learning techniques. Both techniques have shown excellent results in the detection and tracking of C. elegans postures. On the one hand, traditional techniques use algorithms/optimizers to obtain the best solution, while deep learning techniques automatically learn features from the training dataset. The problem with deep learning techniques is that they need a dedicated and large dataset to train the models. The methodology used for the development of this thesis (advanced posture-tracking techniques) falls within the research area of computer vision. It has been approached by exploring both branches of computer vision to solve the posture-tracking problems of C. elegans in low-resolution images. The first part, i.e. sections 1 and 2, chapter 2, used traditional image processing techniques to perform posture detection and tracking of C. elegans. For this purpose, a new skeletonization technique and two new evaluation criteria were proposed to obtain better posture-tracking, detection, and segmentation results. The next sections of chapter 2 use deep learning techniques, and synthetic image simulation to train models and improve posture detection and prediction results. The results proved to be faster and more accurate compared to traditional techniques. Deep learning methods were also shown to be more robust in the presence of plate noise. / This research was supported by Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades [RTI2018-094312-B-I00 (European FEDER funds); FPI PRE2019-088214], and also was supported by Universitat Politècnica de València [“Funding for open access charge: Uni- versitat Politècnica de València”]. The author received a scholarship from the grant: Ayudas para contratos predoctorales para la formación de doctores 2019. / Layana Castro, PE. (2023). Desarrollo de técnicas avanzadas de seguimiento de posturas para reconocimiento de comportamientos de C. elegans [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/198879 / Compendio

[ES] Actualmente existen numerosas y variadas contribuciones basadas en el ADRC. Por un lado, algunos trabajos abordan la metodología ADRC. Sin embargo, son pocos los que ofrecen una explicación exhaustiva de su diseño y aplicación, dirigida a aquellos investigadores que están empezando a explorar esta estrategia de control. Por otro lado, la sintonización del ADRC y el control compuesto basado en ADRC son áreas de investigación abiertas. Una de las discusiones que se mantiene activa en la literatura está relacionada con la forma de seleccionar los parámetros principales del ADRC de modo que se alcance la estabilidad de lazo cerrado con un rechazo de perturbaciones y robustez apropiadas, especialmente cuando el ADRC se emplea para controlar procesos aproximados mediante representaciones más sencillas como el modelo de primer orden más retardo (FOPDT). Asimismo, la estimación activa de la incertidumbre y las perturbaciones ha hecho atractiva la idea de integrar la topología ADRC con técnicas de control avanzado, por ejemplo, con el control predictivo basado en modelo (MPC). El mayor desafío que surge al realizar esta combinación radica en cómo formular el lazo de control para que el mecanismo de rechazo de perturbaciones del ADRC transforme el comportamiento del sistema controlado en el de una planta deseada simplificada, relajando así el requisito de un modelo detallado y considerando directamente las restricciones en las variables del lazo. Esta tesis presenta tres contribuciones al conocimiento del ADRC para abordar los desafíos expuestos anteriormente. La primera de ellas es una guía para el diseño y aplicación de controladores lineales mediante el control convencional por rechazo activo de perturbaciones. Esta guía ofrece, a modo de tutorial, una revisión de la fundamentación teórica del ADRC y condensa en un algoritmo los pasos para el diseño de estos controladores con el propósito de facilitar su implementación de acuerdo con la formulación del problema en el marco de la estimación y rechazo de perturbaciones y la selección empírica de sus ganancias. La segunda contribución de esta disertación es un conjunto de reglas de sintonía para el cálculo de los tres parámetros distintivos del ADRC con los que se diseñan las ganancias del observador de estados y de la ley de control. Estas reglas permiten sintonizar el ADRC para el control de un proceso aproximado mediante un modelo FOPDT y ofrecen al diseñador diferentes conjuntos de parámetros de acuerdo con un nivel de robustez deseado. Esta contribución se basa en el desarrollo de procedimientos de diseño de optimización multiobjetivo enfocados al control de un grupo de plantas FOPDT nominales. Los resultados de dichos procedimientos se ajustaron a las fórmulas de sintonía proporcionadas. La tercera contribución es una nueva arquitectura de control que combina el mecanismo de rechazo de perturbaciones del ADRC y la estrategia de horizonte deslizante del MPC. En este lazo, una ley de control predictivo gobierna una planta de primer orden más integrador que se induce sobre proceso real sujeto a restricciones. Lo anterior es posible compensando el desajuste entre las plantas real y deseada e incorporando el término de compensación del ADRC en la formulación de las restricciones del controlador predictivo. El bucle pretende proporcionar una solución para controlar sistemas con restricciones para los que no se ha identificado un modelo nominal. Esta disertación está dirigida tanto a los investigadores interesados en explorar el control por rechazo activo de perturbaciones como a aquellos que consideran a esta tecnología como una de sus líneas de investigación principales. Las contribuciones sirven a quienes se inician en el estudio del ADRC, a los diseñadores de controladores que buscan implementar el ADRC lineal considerando el rechazo de perturbaciones de procesos FOPDT y a los investigadores abiertos a la discusión de los beneficios potenciales de de combinar el ADRC con el MPC. / [CAT] Actualment existeixen nombroses i variades contribucions basades en l'ADRC. D'una banda, alguns treballs aborden la metodologia ADRC. No obstant això, són pocs els que ofereixen una explicació exhaustiva del seu disseny i aplicació, dirigida a aquells investigadors que estan començant a explorar aquesta estratègia de control. D'altra banda, la sintonització de l'ADRC i el control compost basat en ADRC són àrees d'investigació obertes. Una de les discussions que es manté activa en la literatura està relacionada amb la manera de seleccionar els paràmetres principals de l'ADRC de manera que s'aconseguisca l'estabilitat de llaç tancat amb un rebuig de pertorbacions i robustesa apropiades, especialment quan l'ADRC s'empra per a controlar processos aproximats mitjançant representacions més senzilles com el model de primer ordre més retard (FOPDT). Així mateix, l'estimació activa de la incertesa i les pertorbacions ha fet atractiva la idea d'integrar la topologia ADRC amb tècniques de control avançat, per exemple, amb el control predictiu basat en model (MPC). El major desafiament que sorgeix en realitzar aquesta combinació radica en com formular el llaç de control perquè el mecanisme de rebuig de pertorbacions de l'ADRC transforme el comportament del sistema controlat en el d'una planta desitjada simplificada, relaxant així el requisit d'un model detallat i considerant directament les restriccions en les variables del llaç. Aquesta tesi presenta tres contribucions al coneixement de l'ADRC per a abordar els desafiaments exposats anteriorment. La primera d'elles és una guia per al disseny i aplicació de controladors lineals mitjançant el control convencional per rebuig actiu de pertorbacions. Aquesta guia ofereix, a manera de tutorial, una revisió de la fonamentació teòrica de l'ADRC i condensa en un algorisme els passos per al disseny d'aquests controladors amb el propòsit de facilitar la seua implementació d'acord amb la formulació del problema en el marc de l'estimació i rebuig de pertorbacions i la selecció empírica dels seus guanys. La segona contribució d'aquesta dissertació és un conjunt de regles de sintonia per al càlcul dels tres paràmetres distintius de l'ADRC amb els quals es dissenyen els guanys de l'observador d'estats i de la llei de control. Aquestes regles permeten sintonitzar l'ADRC per al control d'un procés aproximat mitjançant un model FOPDT i ofereixen al dissenyador diferents conjunts de paràmetres d'acord amb un nivell de robustesa desitjat. Aquesta contribució es basa en el desenvolupament de procediments de disseny d'optimització multiobjectiu enfocats al control d'un grup de plantes FOPDT nominals. Els resultats d'aquests procediments es van ajustar a les fórmules de sintonia proporcionades. La tercera contribució és una nova arquitectura de control que combina el mecanisme de rebuig de pertorbacions de l'ADRC i l'estratègia d'horitzó lliscant del MPC. En aquest llaç, una llei de control predictiu governa una planta de primer ordre més integrador que s'indueix sobre procés real subjecte a restriccions. L'anterior és possible compensant el desajustament entre les plantes real i desitjada i incorporant el terme de compensació de l'ADRC en la formulació de les restriccions del controlador predictiu. El bucle pretén proporcionar una solució per a controlar sistemes amb restriccions per als quals no s'ha identificat un model nominal. Aquesta dissertació està dirigida tant als investigadors interessats a explorar el control per rebuig actiu de pertorbacions com a aquells que consideren a aquesta tecnologia com una de les seues línies d'investigació principals. Les contribucions serveixen als qui s'inicien en l'estudi de l'ADRC, als dissenyadors de controladors que cerquen implementar l'ADRC lineal considerant el rebuig de pertorbacions de processos FOPDT i als investigadors oberts a la discussió dels beneficis potencials de de combinar l'ADRC amb el MPC. / [EN] Numerous and varied contributions based on the ADRC are currently available. On the one hand, some works address the ADRC methodology. Still, only some offer a comprehensive explanation of its design and application aimed at those researchers who are starting to explore this control strategy. On the other hand, the ADRC tuning and the ADRC-based composite control are open research areas. One of the discussions that remain active in the literature is related to how to select the LADRC main parameters so that closed-loop stability is achieved with appropriate disturbance rejection and robustness, mainly when the ADRC is used to control processes approximated by more straightforward representations such as the first-order plus delay (FOPDT) model. Likewise, the active estimation of uncertainty and disturbances has made integrating the ADRC topology with advanced control techniques, like Model-Based Predictive Control (MPC), attractive. The major challenge in realising this combination lies in how to formulate the control loop so that the ADRC disturbance rejection mechanism transforms the behaviour of the controlled system into that of a simplified desired plant, thus relaxing the requirement for a detailed model while directly considering the constraints on the loop variables. This thesis presents three contributions to ADRC knowledge to address the challenges mentioned above. The first is a guide for designing and applying linear controllers using conventional active disturbance rejection control. This guide offers a review of the theoretical foundation of the ADRC. It condenses in an algorithm the steps for designing these control loops to facilitate their implementation according to the problem formulation in the disturbance estimation and rejection framework and the empirical selection of their gains. The second contribution of this dissertation is a set of tuning rules for computing the three distinctive parameters of the ADRC with which the state observer and control law gains are designed. These rules allow tuning the ADRC to control an approximate process using a first-order plus delay model and offer different sets of parameters according to a desired level of robustness. This contribution is based on developing multi-objective optimisation design procedures focused on controlling a group of nominal FOPDT plants. The results of these procedures were fitted to the tuning formulae provided. The third contribution is a new control architecture that combines the disturbance rejection mechanism of the ADRC and the receding horizon strategy of the MPC. In this loop, a predictive control law governs a first-order plus integrator plant enforced on the real process subject to constraints. The above is possible by compensating for the mismatch between the real and desired plants and incorporating the ADRC compensation term in the constraints formulation of the predictive controller. The loop is intended to provide a solution to control constrained systems for which no nominal model has been identified. This dissertation addresses researchers interested in exploring active disturbance rejection control and those considering this technology as one of their main lines of research. The contributions of this dissertation serve those new to the study of ADRC, controller designers seeking to implement linear ADRC by considering the disturbance rejection response of processes approximated using first-order plus delay models, and researchers open to discussing the potential benefits of combining ADRC with advanced techniques such as MPC. / Martínez Carvajal, BV. (2023). Design of controllers based on active disturbance rejection control (ADRC) and its integration with model predictive control (MPC) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196581

En este trabajo se aborda el problema de controlar un proceso cuya salida se muestrea de forma irregular. Para ello se propone utilizar un predictor que estima las salidas del proceso en instantes regulares de tiempo más un controlador convencional que calcula la acción de control a partir de las estimaciones del predictor (técnica conocida como control inferencial). La predicción consiste en estimar las variables de salida que se desean controlar a partir de las mediciones realizadas con diversos sensores utilizando para ello un modelo matemático del proceso. El filtro de Kalman permite hacer la predicción de forma óptima si las perturbaciones tienen una distribución gaussiana de media cero, pero con el inconveniente de requerir un elevado coste computacional cuando se utilizan diferentes sensores con retardos temporales variantes. En este trabajo se propone una estrategia de predicción alternativa de bajo coste computacional cuyo diseño se basa en el conocimiento de la disponibilidad de mediciones y de los retardos (del proceso, del sistema de medición o del sistema de transmisión de datos) y de la naturaleza de las perturbaciones. Los predictores propuestos minimizan el error de predicción frente al muestreo aleatorio con retardos variantes, perturbaciones, ruido de medida, error de modelado, retardos en la acción de control e incertidumbre en los tiempos de medición. Las diferentes estrategias de diseño que se proponen se clasifican según el tipo de información que se dispone de las perturbaciones y del coste computacional requerido. Se han planteado los diseños para sistemas monovariables, multivariables, lineales y no lineales. Asimismo, también se ha elaborado una forma más eficiente de incluir mediciones escasas con retardo en el filtro de Kalman, con el objetivo de reducir el coste computacional de la predicción. En este trabajo se demuestra que los sistemas de control inferencial que utilizan los predictores propuestos cumplen con el principio de sep / Peñarrocha Alós, I. (2006). Sensores virtuales para procesos con medidas escasas y retardos temporales [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/3882 / Palancia