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

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] La era actual se caracteriza por una creciente población envejecida debido al aumento de la esperanza de vida y a una tasa de natalidad en declive. Este cambio demográfico conlleva un aumento de las discapacidades, lo que enfatiza la importancia del envejecimiento saludable y la capacidad funcional. En respuesta a estos desafíos, se están explorando metodologías de asistencia innovadoras, particularmente en la integración de la interacción física humano-robot. Los Robots Paralelos (PRs) son cadenas cinemáticas cerradas que exhiben ventajas para la rehabilitación de extremidades humanas, gracias a su rigidez, precisión y robustez. Sin embargo, su modelado complejo y la presencia de singularidades dentro del espacio de trabajo plantean un desafío para garantizar una interacción segura y efectiva. Este documento propone una colección de nuevos algoritmos de control utilizando un PR que cubren un amplio espectro de aplicaciones dentro del contexto de la robótica asistencial, que van desde el entrenamiento pasivo (en el que el usuario no genera los movimientos, por lo que se induce un esfuerzo mínimo o nulo) hasta ejercicios activos (que requieren contracciones musculares voluntarias del paciente) y aumento de potencia. El primer algoritmo aborda el desafío del seguimiento de trayectorias con un controlador basado en modelos con intercambio de fuerzas entre el humano y el robot en ausencia de un sensor de fuerza. Al incluir un mecanismo para estimar esta fuerza de interacción en línea utilizando Mínimos Cuadrados (LS) dentro del modelo, se proporciona información valiosa para terapeutas u otros algoritmos, y reduce continuamente los errores de seguimiento corrigiendo el modelo dinámico en línea. En situaciones de entrenamiento activo, los controladores basados en fuerza son esenciales para responder a las interacciones. La tesis incorpora un control de admitancia con un sensor de fuerza. A pesar de los beneficios de esta interacción, existen riesgos asociados con la modificación de las trayectorias del robot por parte del humano, debido a la presencia de singularidades dentro del espacio de trabajo que se deben evitar para garantizar la seguridad del paciente. Se utilizan las Primitivas de Movimiento Dinámico (DMP) para codificar la trayectoria inicial, que puede modificarse con términos de acoplamiento para lograr ambos objetivos de control de admitancia y evasión de singularidades simultáneamente. En las primeras etapas de la rehabilitación, los pacientes pueden carecer de habilidades motoras debido a una lesión, por lo que se deben emplear ejercicios pasivos. Esta investigación propone un mecanismo inteligente para ejercicios pasivos que permite a los usuarios regresar a posiciones seguras previas y reanudar el ejercicio de manera autónoma. La inversión de trayectoria se logra con las Primitivas de Movimiento Dinámico Reversibles (RDMP). El enfoque implica codificar el comportamiento esperado utilizando datos de la extremidad sana análoga y revertir la trayectoria cuando el miembro lesionado se desvía de los patrones, bajo el paradigma de Aprendizaje por Imitación. Por último, los modelos musculoesqueléticos desempeñan un papel crucial en la estimación de las fuerzas musculares del usuario, siendo de gran utilidad integrados en controladores en el espacio muscular. Estos controladores pueden aplicarse tanto en contextos de aumento de potencia como de rehabilitación. En el aumento de potencia, el concepto de manipulabilidad describe la capacidad del humano para ejercer fuerzas en cualquier dirección. Lograr una manipulabilidad isotrópica es deseable para mantener una activación muscular constante, y este estudio investiga su representación mediante un concepto novedoso llamado envolvente de fuerza. Además, esta investigación explora el uso de controladores musculares en entornos de asistencia o rehabilitación, mediante un controlador en bucle cerrado diseñado para inducir fuerzas de tensión específicas en los músculos. / [CA] L'era actual es caracteritza per una creixent població envellida a causa de l'augment de l'esperança de vida i una taxa de natalitat en declivi. Aquest canvi demogràfic comporta un augment de les discapacitats, la qual cosa destaca la importància de l'envelliment saludable i la capacitat funcional. En resposta a aquests reptes, s'estan explorant metodologies d'assistència innovadores, particularment en la integració de la interacció física humà-robot. Els Robots Paral·lels (PRs) són cadenes cinemàtiques tancades que exhibeixen avantatges per a la rehabilitació d'extremitats humanes, gràcies a la seua rigidesa, precisió i robustesa. No obstant això, el seu modelatge complex i la presència de singularitats dins de l'espai de treball planteja un desafiament per a garantir una interacció segura i efectiva. Aquest document proposa una col·lecció de nous algoritmes de control utilitzant un PR que cobreixen un ampli espectre d'aplicacions dins del context de la robòtica assistencial, que van des de l'entrenament passiu (en el qual l'usuari no genera els moviments, per la qual cosa s'indueix un esforç mínim o nul) fins a exercicis actius (que requereixen contraccions musculars voluntàries del pacient) i augment de potència. El primer algoritme aborda el desafiament del seguiment de trajectòries amb un controlador basat en models amb intercanvi de forces entre l'ésser humà i el robot en absència d'un sensor de força. En incloure un mecanisme per estimar aquesta força d'interacció en línia utilitzant Mínims Quadrats (LS) dins del model, es proporciona informació valuosa per a terapeutes o altres algoritmes, i redueix contínuament els errors de seguiment corregint el model dinàmic en línia. En situacions d'entrenament actiu, els controladors basats en força són essencials per respondre adequadament a les interaccions. La tesi incorpora un control d'admitància amb un sensor de força. Malgrat els beneficis d'aquesta interacció, existeixen riscos associats amb la modificació de les trajectòries del robot per part de l'ésser humà, degut a la presència de singularitats dins de l'espai de treball que s'han de evitar per garantir la seguretat del pacient. Les Primitives de Moviment Dinàmic (DMP) s'utilitzen per a codificar la trajectòria inicial, que es pot modificar amb termes d'acoblament per aconseguir ambdós objectius de control d'admitància i evitar les singularitats simultàniament. En les primeres etapes de la rehabilitació, els pacients poden mancar d'habilitats motrius a causa d'una lesió, per la qual cosa s'han d'emplear exercicis passius. Aquesta investigació proposa un mecanisme intel·ligent per a exercicis passius que permet als usuaris tornar a posicions segures prèvies i reprendre l'exercici de manera autònoma. La inversió de trajectòria s'aconsegueix amb les Primitives de Moviment Dinàmic Reversibles (RDMP). L'enfocament implica codificar el comportament esperat utilitzant dades de l'extremitat sana anàloga i revertir la trajectòria quan el membre lesionat es desvia dels patrons, sota el paradigma d'Aprenentatge per Imitació. Finalment, els models musculoesquelètics juguen un paper crucial en l'estimació de les forces musculars de l'usuari, sent de gran utilitat integrats en controladors en l'espai muscular. Aquests controladors es poden aplicar tant en contextos d'augment de potència com de rehabilitació. En l'augment de potència, el concepte de manipulabilitat descriu la capacitat de l'ésser humà per exercir forces en qualsevol direcció. Aconseguir una manipulabilitat isotròpica és desitjable per mantenir una activació muscular constant, i aquest estudi investiga la seua representación mitjançant un concepte innovador anomenat envolvent de força. A més, aquesta investigació explora l'ús de controladors musculars en entorns d'assistència o rehabilitació, mitjançant un controlador en bucle tancat dissenyat per induir forces de tensió específiques en els músculs. / [EN] The current era is characterized by a growing elderly population due to increased life expectancy and a declining birth rate. This demographic shift leads to a rise in disabilities, emphasizing the importance of healthy aging and functional ability. In response to these challenges, innovative assistive methodologies are being explored, particularly in the integration into physical human-robot interaction. Parallel Robots (PRs) are closed kinematic chains that exhibit unique advantages for human limb rehabilitation, thanks to their stiffness, accuracy, and robustness. However, their complex modeling and the presence of singularities within the workspace pose a challenge to ensure safe and effective interaction. This document proposes a collection of novel control algorithms using a PR to cover a wide spectrum of applications within the context of assistive robotics, ranging from passive training (in which the user does not generate the movements, so minimal to no effort is induced) to active exercises (requiring the patient's voluntary muscle contractions) and power augmentation. The first algorithm addresses the challenge of trajectory tracking with a model-based controller with force exchange between the human and the robot in the absence of a force sensor. By including a mechanism to estimate this interaction force online using Least Squares (LS) within the model, the algorithm provides valuable insight for therapists or other algorithms and continuously reduces tracking errors by correcting the dynamic model online. In active training scenarios, force-based controllers are essential to respond appropriately to interactions. The thesis incorporates an admittance controller with a force sensor. Despite the benefits of this interaction, there are risks associated with human modification of robot trajectories due to the presence of singularities within the workspace that must be avoided to ensure the patient's safety. Dynamic Movement Primitives (DMP) are employed to encode the initial trajectory, which can be modified with coupling terms to achieve both objectives of admittance control and singularity avoidance simultaneously. In the early stages of rehabilitation, patients may lack full motor skills due to the injury, so passive exercises should be employed. This research proposes an intelligent mechanism for passive exercises that allows users to return to previous safe positions and resume the exercise in a self-paced manner. The trajectory reversal is achieved with Reversible Dynamic Movement Primitives (RDMP). The approach involves encoding the expected behavior using data from the analogous healthy limb and reversing the trajectory when the injured limb deviates from the established statistical patterns. This approach aligns with the paradigm of Imitation Learning. Finally, musculoskeletal models play a crucial role in estimating the user's muscle forces, offering significant utility when integrated in controllers operating in muscular space. These controllers can be applied in both power augmentation and rehabilitation contexts. In power augmentation, the concept of manipulability describes the human's ability to exert forces in any direction. Achieving isotropic manipulability is desirable to maintain constant muscular activation, and this study investigates its representation with a novel concept called a force envelope. Furthermore, this research explores the use of muscle-targeted controllers in assistance or rehabilitation settings, by means of a closed-loop controller designed to induce specific tension forces in muscles. / This research was funded in part by Fondo Europeo de Desarrollo Regional (PID2021-125694OB-I00), and in part by Vicerrectorado de Investigación de la Universitat Politècnica de València (PAID-11-21). The author received a scholarship from Ministerio de Universidades, Gobierno de España, under grant Ayudas para la Formación de Profesorado Universitario (FPU18/05105). The author’s research stay at Jožef Stefan Institute was funded partly by Vicer- rectorado de Investigación de la Universitat Politècnica de València (PAID-11- 21), and partly by Erasmus+ Student Mobility for Traineeship 2020. / Escarabajal Sánchez, RJ. (2024). Design and Implementation of Model-Based and Learning Control for Rehabilitation Parallel Robots: Advancements and Performance Evaluation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/214345 / Compendio

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]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/3882

[ES] Las infusiones exógenas de insulina son vitales para las personas con diabetes tipo 1 para suplir parcialmente la incapacidad del páncreas de secretar insulina. Sin embargo, las terapias intensivas actuales pueden restringir la calidad de vida de los pacientes. Los pacientes con esta enfermedad tienen que tomar decisiones constantemente sobre las dosis de insulina que lleva a la glucosa a niveles seguros. Si no lo consiguen, pueden sufrir las complicaciones crónicas y agudas derivadas de los niveles anormalmente altos o bajos de glucosa. La regulación automática de glucosa con sistemas de páncreas artificial prometía reducir la carga del autocontrol de la enfermedad al mismo tiempo que se mejoraba el tiempo en normoglucemia y se reducía la variabilidad. Sin embargo, estas promesas sólo se han cumplido parcialmente. Aunque esta tecnología mejora el control glucémico que logran las terapias tradicionales, la ingesta de alimentos y la práctica de ejercicio limitan la eficiencia de los sistemas de páncreas artificial durante el día. De hecho, los sistemas comerciales sólo pueden hacerles frente con la ayuda de los pacientes. Para compensar las ingestas, los pacientes deben anunciar el contenido de carbohidratos al sistema. Para el ejercicio, deben anunciar el inicio de la actividad o tomar medidas preventivas como modificar la referencia de glucosa o reducir la basal con mucha antelación. Estas exigencias no sólo no ayudan a reducir la carga del paciente, sino que pueden comprometer la eficiencia del sistema cuando el paciente se equivoca al estimar los carbohidratos, omite el anuncio de la comida o no puede planificar el ejercicio. Así pues, esta tesis propone nuevos métodos para eliminar el anuncio de ingestas y ejercicio lo que ayudaría a reducir la intervención del paciente en los sistemas de páncreas artificial, y, en consecuencia, mejorar la calidad de vida. Desde un punto de vista de control, las ingestas y el ejercicio pueden considerarse perturbaciones. Esta tesis explota métodos de la literatura de rechazo de perturbaciones y acomodación de fallos para lograr el objetivo de la tesis. En concreto, hay que destacar tres aplicaciones: 1) se ha desarrollado un observador super-twisting para detectar comidas no anunciadas como primer paso para su compensación; 2) se ha diseñado un observador de modos deslizantes de primer orden para la estimación de la ratio de aparición de glucosa, la cual ha sido integrada en un generador de bolos para compensar las comidas; 3) se ha empleado el principio de diseño por modelo interno para mitigar el efecto de las ingestas de alimentos y ejercicio, añadiendo sugerencias de carbohidratos de rescate a la insulina. Como resultado, las contribuciones de esta tesis allanan el camino para el desarrollo de sistemas de páncreas artificial sin anuncios, que liberen al paciente de la carga de la gestión de la diabetes. / [CA] Les infusions exògenes d'insulina són vitals per a les persones amb diabetis tipus 1 per a suplir parcialment l'incapacitat del pàncrees de secretar insulina. No obstant, les teràpies intensives actuals poden restringir la qualitat de vida dels pacients. Les persones amb aquesta malaltia han de prendre decisions contínuament sobre la dosi d'insulina que fa que la glucosa estiga en valors segurs. Si no ho aconsegueixen, poden sofrir les complicacions cròniques i agudes derivades dels nivells anormalment alts o baixos de glucosa. La regulació automàtica de glucosa amb sistemes de pàncrees artificials prometia reduir la càrrega d'autocontrol de la malaltia al mateix temps que es millorava el temps en normoglucèmia i es reduïa la variabilitat. No obstant, aquestes promeses s'han complit només parcialment. Encara que aquesta tecnologia millora el control de la glucosa, la ingesta d'aliments i la pràctica d'exercici limiten l'eficiència dels sistemes de pàncrees artificials durant el dia. De fet, els sistemes comercials només poden fer-les front amb la ajuda dels pacients. Per a compensar les ingestes, el pacients han d'anunciar al sistema la quantitat de carbohidrats. Per al exercici, han d'anunciar l'inici de l'activitat o prendre mesures preventives com modificar la referència de glucosa o reduir la infusió basal d'insulina. Aquestes exigències no només no ajuden a reduir la càrrega al pacient, sinó que poden comprometre l'eficiència del sistema quan el pacient confon la estimació dels carbohidrats, omet l'anunciament de la ingesta o no pot planificar l'exercici. Així doncs, aquesta tesi proposa nous mètodes per a eliminar l'anunciament d'ingestes i exercici permetent reduir així la intervenció del pacient, i, en conseqüència, millorar la qualitat de vida. Des del punt de vista de control, les ingestes i el exercici poden considerar-se pertorbacions. Aquesta tesi explota mètodes de la literatura de rebuig de pertorbacions i acomodament de fallades. En particular, es destaquen tres aplicacions: 1) s'ha desenvolupat un observador super-twisting per a detectar ingestes no anunciades com a primer pas per a la seua compensació; 2) se ha dissenyat un observador de modes lliscants per a estimar el rati d'aparició de glucosa de la ingesta, el qual s'ha integrat en un generador de bols d'insulina per compensar les ingestes; 3) se ha empleat el principi de disseny per model intern per a mitigar l'efecte de les ingestes i exercici, incorporant recomanacions de carbohidrats a la insulina. Com a resultat, les contribucions d'aquesta tesi obren el camí per a desenvolupar sistemes de pàncrees artificial sense anunciaments, que alliberen al pacient de la càrrega de la gestió de la diabetis. / [EN] Exogenous insulin infusions are vital for people with type 1 diabetes to partially make up for the inability of the pancreas to secrete insulin. However, current intensive therapies may restrict patients' quality of life. People with this disease have to constantly make decisions about insulin doses to bring glucose levels to a safe range. If unsuccessful, they may suffer from chronic and acute complications related to abnormally high and low glucose values. The automatic regulation of glucose with artificial pancreas systems promised to reduce patients' self-control burdens while improving time in normoglycemia and decreasing variability. However, these promises are fulfilled only partially. Although this technology outperforms the glycemic outcomes achieved by conventional therapies, meal intake and physical activity limit its daytime performance. Indeed, commercially available systems only can handle them with the support of the patients. For meals, patients must announce the carbohydrate content to the system. For exercise, they must notify the activity or take preventive actions like changing glucose setpoint or decreasing basal well ahead before exercise. These demands do not help reduce the patient's burden. They even can compromise the system performance when the patient misestimates the carbohydrate content, omits the meal announcement, or cannot plan the exercise event. Hence, this thesis proposes new methods to eliminate the need for meal and exercise announcements, thus reducing patient intervention in artificial pancreas systems for a better quality of life. From a control perspective, meals and exercise can be regarded as disturbances; therefore, this thesis exploits methods from the disturbance rejection and fault accommodation literature to achieve the thesis goal. Specifically, the following three applications must be highlighted: 1) a super-twisting-based residual generator has been developed to detect unannounced meals as the first step to their compensations; 2) a sliding-mode disturbance observer has been designed to estimate the glucose meal appearance, which is fed into a bolusing algorithm to compensate the meals; 3) the internal model principle is employed to mitigate the effects of meal intakes and exercise, supplementing insulin infusions with carbohydrate recommendations. As a result, the contributions of this thesis pave the way for the development of announcement-free artificial pancreas systems, releasing patients from the burden of diabetes management. / This work was partially supported by: grant DPI2016-78831-C2-1-R funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “ERDF A way of making Europe”; grant PID2019-107722RB-C21 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033; and grant ACIF/2017/021 funded by the Generalitat Valenciana through European Social Funds (FSE). Also, the grant BEFPI/2019/077, funded by the Generalitat Valenciana through FSE funds, supported a 7-month research stay at Physiological da University (Óbudai Egyetem, Óbuda, Budapest, Hungary) / Sala Mira, I. (2023). New Contributions Towards Meal and Exercise Announcement-Free Artificial Pancreas Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192684

[ES] La gran mayoría de procesos del mundo real tienen incertidumbres inherentes, las cuales, al ser consideradas en el proceso de modelado, se puede obtener una representación que describa con la mayor precisión posible el comportamiento del proceso real. En la mayoría de casos prácticos, se considera que éstas tienen un comportamiento estocástico y sus descripciones como distribuciones de probabilidades son conocidas. Las estrategias de MPC estocástico están desarrolladas para el control de procesos con incertidumbres de naturaleza estocástica, donde el conocimiento de las propiedades estadísticas de las incertidumbres es aprovechado al incluirlo en el planteamiento de un problema de control óptimo (OCP). En éste, y contrario a otros esquemas de MPC, las restricciones duras son relajadas al reformularlas como restricciones de tipo probabilísticas con el fin de reducir el conservadurismo. Esto es, se permiten las violaciones de las restricciones duras originales, pero tales violaciones no deben exceder un nivel de riesgo permitido. La no-convexidad de tales restricciones probabilísticas hacen que el problema de optimización sea prohibitivo, por lo que la mayoría de las estrategias de MPC estocástico en la literatura se diferencian en la forma en que abordan tales restricciones y las incertidumbres, para volver el problema computacionalmente manejable. Por un lado, están las estrategias deterministas que, fuera de línea, convierten las restricciones probabilísticas en unas nuevas de tipo deterministas, usando la propagación de las incertidumbres a lo largo del horizonte de predicción para ajustar las restricciones duras originales. Por otra parte, las estrategias basadas en escenarios usan la información de las incertidumbres para, en cada instante de muestreo, generar de forma aleatoria un conjunto de posibles evoluciones de éstas a lo largo del horizonte de predicción. De esta manera, convierten las restricciones probabilísticas en un conjunto de restricciones deterministas que deben cumplirse para todos los escenarios generados. Estas estrategias se destacan por su capacidad de incluir en tiempo real información actualizada de las incertidumbres. No obstante, esta ventaja genera inconvenientes como su gasto computacional, el cual aumenta conforme lo hace el número de escenarios y; por otra parte, el efecto no deseado en el problema de optimización, causado por los escenarios con baja probabilidad de ocurrencia, cuando se usa un conjunto de escenarios pequeño. Los retos mencionados anteriormente orientaron esta tesis hacia los enfoques de MPC estocástico basado en escenarios, produciendo tres contribuciones principales. La primera consiste en un estudio comparativo de un algoritmo del grupo determinista con otro del grupo basado en escenarios; se hace un especial énfasis en cómo cada uno de estos aborda las incertidumbres, transforma las restricciones probabilísticas y en la estructura de su OCP, además de señalar sus aspectos más destacados y desafíos. La segunda contribución es una nueva propuesta de algoritmo MPC, el cual se basa en escenarios condicionales, diseñado para sistemas lineales con incertidumbres correlacionadas. Este esquema aprovecha la existencia de tal correlación para convertir un conjunto de escenarios inicial de gran tamaño en un conjunto de escenarios más pequeño con sus probabilidades de ocurrencia, el cual conserva las características del conjunto inicial. El conjunto reducido es usado en un OCP en el que las predicciones de los estados y entradas del sistema son penalizadas de acuerdo con las probabilidades de los escenarios que las componen, dando menor importancia a los escenarios con menores probabilidades de ocurrencia. La tercera contribución consiste en un procedimiento para la implementación del nuevo algoritmo MPC como gestor de la energía en una microrred en la que las previsiones de las energías renovables y las cargas están correlacionadas. / [CA] La gran majoria de processos del món real tenen incerteses inherents, les quals, en ser considerades en el procés de modelatge, es pot obtenir una representació que descriga amb la major precisió possible el comportament del procés real. En la majoria de casos pràctics, es considera que aquestes tenen un comportament estocàstic i les seues descripcions com a distribucions de probabilitats són conegudes. Les estratègies de MPC estocàstic estan desenvolupades per al control de processos amb incerteses de naturalesa estocàstica, on el coneixement de les propietats estadístiques de les incerteses és aprofitat en incloure'l en el plantejament d'un problema de control òptim (OCP). En aquest, i contrari a altres esquemes de MPC, les restriccions dures són relaxades en reformulades com a restriccions de tipus probabilístiques amb la finalitat de reduir el conservadorisme. Això és, es permeten les violacions de les restriccions dures originals, però tals violacions no han d'excedir un nivell de risc permès. La no-convexitat de tals restriccions probabilístiques fan que el problema d'optimització siga computacionalment immanejable, per la qual cosa la majoria de les estratègies de MPC estocàstic en la literatura es diferencien en la forma en què aborden tals restriccions i les incerteses, per a tornar el problema computacionalment manejable. D'una banda, estan les estratègies deterministes que, fora de línia, converteixen les restriccions probabilístiques en unes noves de tipus deterministes, usant la propagació de les incerteses al llarg de l'horitzó de predicció per a ajustar les restriccions dures originals. D'altra banda, les estratègies basades en escenaris usen la informació de les incerteses per a, en cada instant de mostreig, generar de manera aleatòria un conjunt de possibles evolucions d'aquestes al llarg de l'horitzó de predicció. D'aquesta manera, converteixen les restriccions probabilístiques en un conjunt de restriccions deterministes que s'han de complir per a tots els escenaris generats. Aquestes estratègies es destaquen per la seua capacitat d'incloure en temps real informació actualitzada de les incerteses. No obstant això, aquest avantatge genera inconvenients com la seua despesa computacional, el qual augmenta conforme ho fa el nombre d'escenaris i; d'altra banda, l'efecte no desitjat en el problema d'optimització, causat pels escenaris amb baixa probabilitat d'ocurrència, quan s'usa un conjunt d'escenaris xicotet. Els reptes esmentats anteriorment van orientar aquesta tesi cap als enfocaments de MPC estocàstic basat en escenaris, produint tres contribucions principals. La primera consisteix en un estudi comparatiu d'un algorisme del grup determinista amb un altre del grup basat en escenaris; on es fa un especial èmfasi en com cadascun d'aquests aborda les incerteses, transforma les restriccions probabilístiques i en l'estructura del seu problema d'optimització, a més d'assenyalar els seus aspectes més destacats i desafiaments. La segona contribució és una nova proposta d'algorisme MPC, el qual es basa en escenaris condicionals, dissenyat per a sistemes lineals amb incerteses correlacionades. Aquest esquema aprofita l'existència de tal correlació per a convertir un conjunt d'escenaris inicial de gran grandària en un conjunt d'escenaris més xicotet amb les seues probabilitats d'ocurrència, el qual conserva les característiques del conjunt inicial. El conjunt reduït és usat en un OCP en el qual les prediccions dels estats i entrades del sistema són penalitzades d'acord amb les probabilitats dels escenaris que les componen, donant menor importància als escenaris amb menors probabilitats d'ocurrència. La tercera contribució consisteix en un procediment per a la implementació del nou algorisme MPC com a gestor de l'energia en una microxarxa en la qual les previsions de les energies renovables i les càrregues estan correlacionades. / [EN] The vast majority of real-world processes have inherent uncertainties, which, when considered in the modelling process, can provide a representation that most accurately describes the behaviour of the real process. In most practical cases, these are considered to have stochastic behaviour and their descriptions as probability distributions are known. Stochastic model predictive control algorithms are developed to control processes with uncertainties of a stochastic nature, where the knowledge of the statistical properties of the uncertainties is exploited by including it in the optimal control problem (OCP) statement. Contrary to other model predictive control (MPC) schemes, hard constraints are relaxed by reformulating them as probabilistic constraints to reduce conservatism. That is, violations of the original hard constraints are allowed, but such violations must not exceed a permitted level of risk. The non-convexity of such probabilistic constraints renders the optimisation problem computationally unmanageable, thus most stochastic MPC strategies in the literature differ in how they deal with such constraints and uncertainties to turn the problem computationally tractable. On the one hand, there are deterministic strategies that, offline, convert probabilistic constraints into new deterministic ones, using the propagation of uncertainties along the prediction horizon to tighten the original hard constraints. Scenario-based approaches, on the other hand, use the uncertainty information to randomly generate, at each sampling instant, a set of possible evolutions of uncertainties over the prediction horizon. In this fashion, they convert the probabilistic constraints into a set of deterministic constraints that must be fulfilled for all the scenarios generated. These strategies stand out for their ability to include real-time updated uncertainty information. However, this advantage comes with inconveniences such as computational effort, which grows as the number of scenarios does, and the undesired effect on the optimisation problem caused by scenarios with a low probability of occurrence when a small set of scenarios is used. The aforementioned challenges steered this thesis toward stochastic scenario-based MPC approaches, and yielded three main contributions. The first one consists of a comparative study of an algorithm from the deterministic group with another one from the scenario-based group, where a special emphasis is made on how each of them deals with uncertainties, transforms the probabilistic constraints and on the structure of the optimisation problem, as well as pointing out their most outstanding aspects and challenges. The second contribution is a new proposal for a MPC algorithm, which is based on conditional scenarios, developed for linear systems with correlated uncertainties. This scheme exploits the existence of such correlation to convert a large initial set of scenarios into a smaller one with their probabilities of occurrence, which preserves the characteristics of the initial set. The reduced set is used in an OCP in which the predictions of the system states and inputs are penalised according to the probabilities of the scenarios that compose them, giving less importance to the scenarios with lower probabilities of occurrence. The third contribution consists of a procedure for the implementation of the new MPC algorithm as an energy manager in a microgrid in which the forecasts of renewables and loads are correlated. / González Querubín, EA. (2024). Scenario-Based Model Predictive Control for Systems with Correlated Uncertainties [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203887

Tesis por compendio / [ES] La tesis doctoral se centra en el diseño eficiente de sistemas de control en red NCS aplicados a Vehículos Autónomos No Tripulados (UxVs), empleando técnicas de muestreo no convencional y control basado en eventos. La investigación aborda desafíos inherentes a los NCS, como el desorden y la pérdida de datos en la comunicación, limitaciones en el ancho de banda de la red, recursos computacionales y energéticos limitados, así como retrasos temporales variables. Se presentan cuatro artículos que contribuyen al tema. El primer y el segundo proponen un control de seguimiento de trayectoria Pure Pursuit para un vehículo terrestre no tripulado (UGV) de tracción en dos ruedas y a cuatro ruedas omnidireccionales, respectivamente, abordando la discrepancia en las frecuencias de muestreo uniforme y no uniforme, respectivamente. El uso de un filtro de Kalman extendido bifrecuencia (DREKF) y no uniforme (NUDREKF), respectivamente, permite estimar las mediciones no disponibles a frecuencia rápida y diseñar un controlador dinámico eficiente con la muestras compensadas por el filtro, logrando hacer un seguimiento efectivo de la trayectoria. Ambos artículos presentan el uso de herramientas de simulación avanzadas como Simscape Multibody que presentan una mayor fidelidad con la realidad. Este tipo de modelado presenta la problemática de la caracterización de parámetros, la cual se resuelve utilizando técnicas que emplean datos de experimentación reales, como se describe en el primer artículo. El tercer artículo presenta una metodología de síntesis de control para robots móviles con configuración diferencial bajo retrasos temporales variables y restricciones de saturación de entrada. Se propone un método de control basado en funciones no lineales estáticas suaves, demostrando convergencia garantizada hacia una posición objetivo con una tasa de decaimiento exponencial. En este artículo empleamos el simulador de Simscape del primer artículo para la simulación realista junto a las técnicas de estimación no uniforme del segundo artículo para la experimentación. El cuarto artículo introduce una estructura de control eficiente en el uso de recursos para el control remoto de seguimiento de trayectorias de vehículos autónomos basada en una combinación integral de filtrado de Kalman, muestreo de bifrecuencia no uniforme, comunicación activada por eventos periódicos y técnicas de control basadas en predicciones de h-pasos adelante, junto a una simulación que permite retardos y pérdidas de paquetes simulando una red inalámbrica. Este enfoque, validado mediante simulación y experimentación en una plataforma robótica holonómica de ruedas omnidireccionales, que ha sido mejorada a partir de la desarrollada en el artículo 2, demuestra una reducción significativa en el uso de recursos computacionales en la parte local en comparación con soluciones de control convencionales junto a un seguimiento de trayectoria satisfactorio. Adicionalmente, destacar que la estabilidad de media cuadrática es asegurada para el NUDREKF. En conjunto, estos artículos contribuyen al diseño eficiente de sistemas de control en red aplicados a UxVs, superando desafíos como retrasos temporales, variabilidad en las frecuencias de muestreo y limitaciones de recursos, y demostrando su efectividad a través de simulaciones realistas y experimentos prácticos. / [CA] La tesi doctoral es centra en el disseny eficient de Sistemes de Control en Xarxa (NCS) aplicats a Vehicles Autònoms No Tripulats (UxVs), emprant tècniques de mostreig no convencional i control basat en esdeveniments. La investigació aborda desafiaments inherents als NCS, com el desorde i la pèrdua de dades en la comunicació, limitacions en l'amplada de banda de la xarxa, recursos computacionals i energètics limitats, així com retards temporals variables. Es presenten quatre articles que contribuïxen al tema. El primer i el segon proposen un control de seguiment de trajectòria Pure Pursuit per a un vehicle terrestre no tripulat (UGV) de tracció en dos rodes i a quatre rodes omnidireccionals, respectivament, abordant la discrepància en les taxes de mostreig uniforme i no uniforme, respectivament. L'ús d'un filtre de Kalman estés bifreqüència (DREKF) i no uniforme (NUDREKF), respectivament, permet estimar els mesuraments no disponibles a freqüència ràpida i dissenyar un controlador dinàmic eficient amb la mostres compensades pel filtre, aconseguint fer un seguiment efectiu de la trajectòria. Tots dos articles presenten l'ús de ferramentes de simulació avançades com Simscape Multibody que presenten una major fidelitat amb la realitat. Este tipus de modelatge presenta la problemàtica de la caracterització de paràmetres, la qual es resol utilitzant tècniques que empren dades d'experimentació reals, com es descriu en el primer article. El tercer article presenta una metodologia de síntesi de control per a robots mòbils amb configuració diferencial sota retards temporals variables i restriccions de saturació d'entrada. Es proposa un mètode de control basat en funcions no lineals estàtiques suaus, demostrant convergència garantida cap a una posició objectiu amb una taxa de decaïment exponencial. En este article emprem el simulador de Simscape Multibody del primer article per a la simulació realista junt a les tècniques d'estimació no uniforme del segon article per a l'experimentació. El quart article introduïx una estructura de control eficient en l'ús de recursos per al control remot de seguiment de trajectòries de vehicles autònoms basada en una combinació integral de filtrat de Kalman, mostreig de bifreqüència no uniforme, comunicació activada per esdeveniments periòdics i tècniques de control basades en prediccions d'h-passos avant, al costat d'una simulació que permet retards i pèrdues de paquets simulant una xarxa sense fil. Este enfocament, validat mitjançant simulació i experimentació en una plataforma robòtica holonómica de rodes omnidireccionals, que ha sigut millorada a partir de la desenvolupada en l'article 2, demostra una reducció significativa en l'ús de recursos computacionals en la part local en comparació amb solucions de control convencionals al costat d'un seguiment de trajectòria satisfactori. Addicionalment, cal destacar que l'estabilitat mitjana quadràtica és assegurada per al NUDREKF. En conjunt, estos articles contribuïxen al disseny eficient de sistemes de control en xarxa aplicats a UxVs, superant desafiaments com a retards temporals, variabilitat en les freqüències de mostreig i limitacions de recursos, i demostrant la seua efectivitat a través de simulacions realistes i experiments pràctics. / [EN] The doctoral thesis focuses on the efficient design of Networked Control Systems (NCS) applied to Unmanned Autonomous Vehicles (UxVs), employing non-conventional sampling techniques and event-based control. The research addresses inherent challenges in NCS, such as packet disorder and data loss in communication, network bandwidth limitations, limited computational and energy resources, as well as variable time delays. Four articles are presented, contributing to the topic. The first and second articles propose a Pure Pursuit trajectory tracking control for a two-wheel drive Unmanned Ground Vehicle (UGV) and a four-wheel omnidirectional vehicle, respectively, addressing the discrepancy in uniform and non-uniform sampling rates, respectively. The use of uniform Dual-Rate Extended Kalman Filter (DREKF) and non-uniform Dual-Rate Extended Kalman Filter (NUDREKF) enables estimation of high-rate unavailable measurements and design of efficient dynamic controllers with filter-compensated samples, achieving effective trajectory tracking. Both articles employ advanced simulation tools such as Simscape Multibody, which provide higher fidelity to reality. This type of modeling addresses the problem of parameter characterization, which is resolved using techniques employing real-world experimental data, as described in the first article. {The third article presents a control synthesis methodology for mobile robots with differential configuration under variable time delays and input saturation constraints. A control method based on smooth static nonlinear functions is proposed, demonstrating guaranteed convergence to a target position with an exponential decay rate. In this article, we use the Simscape Multibody simulator for realistic simulation as in the first article, along with the non-uniform estimation techniques from the second article for experimentation. The fourth article introduces a resource-efficient control structure for remote trajectory tracking control of autonomous vehicles, based on a comprehensive combination of Kalman filtering, non-uniform dual-rate sampling, periodic event-triggered communication, and h-steps ahead prediction-based control techniques, alongside a simulation that incorporates delays and packet losses to simulate a wireless network. This approach, validated through simulation and experimentation on a holonomic omnidirectional-wheeled robotic platform modeled in the second article, demonstrates significant reduction in computational resource usage on the local side compared to conventional control solutions, along with satisfactory trajectory tracking. Additionally, it is worth highlighting that the stability of the NUDREKF is guaranteed through stability conditions. Together, these articles contribute to the efficient design of NCS applied to UxVs, overcoming challenges such as time delays, variability in sampling rates, and resource limitations, and demonstrating their effectiveness through realistic simulations and practical experiments. / This PhD research was part of the R+D+i Project, Grant RTI2018-096590-B- I00 (Research, Development and Innovation projects - "Research Challengues"), funded by MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033 (Ministry of Science, Innova- tion and Universities - Spanish government) and by Europe "ERDF A way of making Europe". And grant for predoctoral contracts for the training of doc- tors, Grant PRE2019-088467 funded by MCIN/AEI/10.13039 /501100011033 and by Europe "ESF Investing in your future". / Carbonell Lázaro, R. (2024). Efficient Design of Wireless Networked Control Systems Applied to UxVs using Non-Conventional Sampling and Event-Based Control Techniques [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/213211 / Compendio