La comunidad científica ha mostrado gran interés por estudiar los fenómenos que ocurren sobre la superficie de la tierra, específicamente los que suceden en la atmósfera, los océanos, o la superficie del suelo, y que afectan el clima o modifican la superficie de la tierra. Para poder analizar y predecir estos fenómenos, se monitorizan parámetros que se relacionan de manera directa o indirecta con procesos biofísicos y geofísicos. Es en este punto donde la teledetección entra en juego, puesto que es la técnica que permite medir tales parámetros de forma remota sin necesidad de entrar en contacto directo con un objeto o una superficie. En particular, la teledetección por microondas permite la detección de energía electromagnética casi bajo cualquier condición climática y a cualquier hora del día, debido a que a esta longitud de onda la energía electromagnética puede penetrar a través de las nubes, polvo, neblina y lluvia, y es menos susceptible a la dispersión atmosférica, que afecta en gran medida a las señales ópticas. Actualmente existen varios sistemas de teledetección por microondas que se han embarcado en satélites, para monitorizar parámetros biofísicos y geofísicos sobre la superficie de la tierra de manera global. También se han desarrollado estos sistemas para ser transportados en plataformas aéreas tripuladas para realizar estudios a nivel local o regional, donde se desea obtener información de una zona en particular en tiempos relativamente cortos. Sin embargo, ambas plataformas representan, entre otras cosas, un alto coste, no solo económico sino de infraestructura, equipo, grupos de trabajo, permisos de operación, y varios requerimientos más. El creciente desarrollo de los sistemas aéreos no tripulados (Unmanned Aerial Vehicle, UAV), ha hecho posible su uso para transportar sensores de teledetección. Los sistemas UAV presentan las mismas ventajas que los sistemas aéreos tripulados, pero además añaden otras ventajas adicionales. Por ejemplo, pueden ser operados durante varias horas de forma autónoma, el coste de explotación y desarrollo puede ser menor que el de un avión tripulado si se emplea un UAV de bajas prestaciones. Por tal motivo en este trabajo se propone el uso de un aeromodelo de control por radio como plataforma UAV para monitorizar diversos parámetros geofísicos y biofísicos de la tierra mediante sensores activos y pasivos de teledetección por microondas. Para realizar las medidas de teledetección pasiva se ha desarrollado el sensor denominado Airborne RadIometEr at L-Band (ARIEL) que es un radiómetro Dicke de bajo peso y pequeñas dimensiones, y que trabaja en Banda L (≈1.4 GHz). En la presenta memoria se muestra el diseño del sensor, las características principales de funcionamiento, y las técnicas de procesamiento de datos. Posteriormente se presentan las campañas de medida realizadas en zonas de cultivo, suelo descubierto, y zonas costeras. En tales campañas se han conseguido generar mapas de temperatura de brillo y de humedad de suelo. Con el fin de llevar a cabo medidas de teledetección activa se ha desarrollado el sistema denominado AiR Based REmote Sensing ARBRES, que consta de dos sensores radar de apertura sintética SAR diseñados a dos frecuencias diferentes, uno en Banda C (≈ 5.3 GHz) y otro en Banda X (≈ 9.65 GHz). Ambos radares son de onda continua FMCW, además son de bajo peso, bajo consumo de potencia y de pequeñas dimensiones. Ambos sensores tienen la capacidad de realizar medidas de interferometría SAR. En esta memoria se muestran las características de funcionamiento del sistema, así como algunos algoritmos de focalización de imágenes SAR, y una técnica para compensar los movimientos de la plataforma de vuelo. Finalmente se presentan medidas en campo para obtener imágenes de reflectividad de un escenario, y se muestran también los resultados para medidas realizadas en configuración de interferometría de simple pasada, la cual está relacionada con la topografía del terreno.

Seminario de Título entregado a la Universidad de Chile en cumplimiento parcial de los requisitos para optar al Título de Química Ambiental. / A la fecha, 12 de las 15 regiones de Chile conforman zonas saturadas de MP10 y/o MP2.5, lo que deja en evidencia el grave problema ambiental que enfrenta el país. En la actualidad, el monitoreo de la calidad del aire en Santiago, una de las zonas saturadas de Chile, se lleva a cabo a través de 11 estaciones de monitoreo fijas en superficie distribuidas en la Región Metropolitana, las cuales conforman la Red de Monitoreo Automático de la Calidad del Aire y Meteorología (red MACAM). Las mediciones son de carácter superficial y por lo tanto permiten registrar las concentraciones de contaminantes y su variabilidad espacial en dos dimensiones (2D); no obstante, los contaminantes se mueven e interactúan en toda la capa de mezcla conforme lo permiten las condiciones atmosféricas, incluyendo escenarios sinópticos que inducen la transferencia, acumulación y la formación de contaminantes a escalas regionales, lo que es trascendental a la hora de prevenir, controlar y modelar la contaminación atmosférica en tres dimensiones. Con el objetivo de responder a la necesidad de información que existe con respecto a la concentración de aerosoles en altura y el efecto de la estratificación atmosférica sobre su distribución vertical, se analizaron las condiciones de estabilidad atmosférica a través del estudio de perfiles verticales de variables meteorológicas (temperatura, punto de rocío, presión y humedad relativa) y concentración de material particulado segregado por tamaño (n/L y μg/m3), utilizando un monitor continuo de partículas 11-C y sensores acoplados a un vehículo aéreo no tripulado o Drone. Se realizaron cinco campañas de medición que permitieron definir el modo de vuelo en ascenso a velocidad constante como el más apropiado y reproducible y evidenciar el efecto de las zonas de estabilidad sobre la concentración de MP en altura. Se comprobó que la estratificación atmosférica limita el desplazamiento vertical de aerosoles, afectando principalmente y en mayor magnitud las fracciones de mayor tamaño (diámetro entre 1.00 μm y 10.0 μm), cuyas concentraciones en número disminuyen considerablemente luego de una inversión en la mayoría de los casos, esto explica que la fracción más afectada en masa (μg/m3) sea el MP10, ya que son las partículas más gruesas las que más contribuyen en la masa de la muestra. En consecuencia, las partículas del tamaño mencionado disminuyen su contribución en el número total de partículas por litro en altura, siendo ésta la mayor diferencia al comparar la distribución de MP en altura con la distribución de MP en superficie. Finalmente, se clasificaron los aerosoles según su distribución de tamaño en altura y en superficie en dos vuelos seleccionados. Para ambos vuelos, se clasificaron como polidispersos los aerosoles en superficie y se determinó que la clasificación de monodisperso o polidisperso de una muestra de partículas en altura puede deberse tanto a la diferencia de altura de la medición como a la intensidad de la estratificación atmosférica en ambos vuelos. / To date, 12 of the 15 regions of Chile conform saturated zones with MP10 and/or MP2.5, which shows the serious environmental problem facing the country. Currently, the air quality monitoring in Santiago, one of the saturated zones of Chile, is carried out through 11 fixed surface monitoring stations distributed in the Metropolitan Region, which make up the Automatic Monitoring Network of Air Quality and Meteorology (MACAM network). The measurements are superficial and therefore allow recording the concentrations of pollutants and their spatial variability in two dimensions (2D); however, pollutants move and interact throughout the mix layer as atmospheric conditions allow, including synoptic scenarios that induce the transfer, accumulation and formation of pollutants at regional scales, which is crucial to preventing, control and model air pollution in three dimensions. In order to respond to the need for information that exists regarding the concentration of aerosols in height and the atmospheric stratification’s effect on its vertical distribution, the atmospheric stability conditions were analyzed through a vertical profile of meteorological variables (temperature, dew point, pressure and relative humidity) and concentration of particulate material segregated by size (n/L and μg/m3) study, using a portable laser aerosol spectrometer and sensors coupled to an unmanned aerial vehicle or Drone. Five measurement campaigns were carried out that allowed defining the ascending flight mode at constant speed as the most appropriate and reproducible and evidencing the effect of the stability zones on the MP concentration at height. It was verified that atmospheric stratification limits the vertical displacement of aerosols, affecting mainly and in greater magnitude the larger fractions (diameter between 1.00 μm and 10.0 μm), whose concentrations in number decrease considerably after an investment in most cases, this explains that the fraction most affected in mass (μg/m3) is the MP10, since it is the thickest particles that contribute the most in the mass of the sample. Consequently, the particles of the mentioned size decrease their contribution in the total number of particles per liter in height, this being the biggest difference when comparing the distribution of MP in height with the distribution of MP in surface. Finally, the aerosols were classified according to their size distribution of height and surface in two selected flights. For both flights, surface aerosols were classified as polydispersed and it was determined that the monodisperse or polydisperse classification of a sample of particles in height may be due both to the height difference of the measurement and to the intensity of the atmospheric stratification in both flights.

[ES] En el presente trabajo se explora posibles soluciones a dos hechos correlacionados que podrían comprometer hasta cierto punto nuestro futuro. Por un lado, el crecimiento de la flota de aeronaves pequeñas en los próximos años, ya sean tripuladas o no, es una realidad. El acceso a estas aeronaves por parte de un público cada vez más mayoritario crece año a año y, al mismo tiempo, los fabricantes adaptan sus aeronaves a misiones que hace unos años no éramos capaces de contemplar. Por otro lado, y por desgracia, el cambio climático también es una realidad que no solo compromete nuestro futuro, sino también nuestro presente. Hoy en día la alerta climática es y debe ser elevada, y si no encontramos soluciones que ayuden a paliar este problema, la vida en el planeta podría cambiar irremediablemente para peor. Ambos hechos se encuentran implícitamente relacionados. La fabricación y operación de vehículos contribuye notablemente a aumentar la huella de carbono. Por lo tanto, el aumento de flota en los próximos años puede tener un impacto notablemente negativo en las emisiones contaminantes y gases de efecto invernadero globales. Es por ello por lo que organismos oficiales y sectores de desarrollo científico y tecnológico impulsan la investigación de posibles soluciones. Este trabajo intenta poner su grano de arena para minimizar este problema común. Se propone la utilización de múltiples tecnologías con el objetivo de disminuir el combustible requerido por aeronaves de 25kg al despegue, y de esta forma, disminuir las emisiones asociadas a su operación. Las tecnologías aplicadas son la hibridación eléctrica en serie, la propulsión eléctrica distribuida y la ingestión de capa límite. Por separado, estas tecnologías han demostrado múltiples ventajas, especialmente en términos de mejora propulsiva y aerodinámica de las aeronaves, lo que repercute directamente en el consumo de combustible. Sin embargo, este trabajo propone la utilización simultánea de todas ellas con el objetivo de disminuir aún más el consumo de combustible y, por tanto, las emisiones contaminantes y gases de efecto invernadero. Para ello, tras estas páginas se eligen los parámetros principales de esta aeronave y se acompaña de un exhaustivo análisis del comportamiento fluidodinámico. Con la comprensión de su comportamiento, es posible optimizar la selección de sus componentes, de forma que se obtienen mejoras importantes en el consumo de combustible. Este ahorro de combustible se muestra en comparación con aeronaves similares en tamaño y peso, pero que no incluyen estas tecnologías, logrando para un mismo alcance un ahorro del 16% del peso del combustible. La realización de este trabajo se centra en el empleo de herramientas computacionales apoyándose sobre todo en la dinámica de fluidos computacional (CFD). Esta herramienta principal se verá complementada con el uso de descomposición modal para realizar los análisis y de la creación de una base de datos que ayude a crear modelos rápidos útiles en futuros diseños preliminares y conceptuales de aeronaves de este tipo. / [CA] En aquest treball s'exploren possibles solucions a dos fets correlacionats que podrien comprometre d'alguna manera el nostre futur. Per un costat, el creixement de la flota d'aeronaus de xicoteta dimensió en el futur, tant tripulades com no tripulades, és una realitat. L'accés a aquestes aeronaus per part d'un públic cada cop més majoritari creix any rere any i, al mateix temps, els fabricants adapten les aeronaus a feines que anys enrere no eren capaços d'assolir. Per l'altre costat, malauradament, el canvi climàtic és un fet que compromet tant el nostre futur com el nostre present. Hui en dia l'alerta climàtica és elevada i, si no trobem solucions per a pal·liar aquest problema la vida al nostre planeta, podria canviar irremeiablement a pitjor. Ambdós fets es troben implícitament relacionats. La fabricació i l'operació de vehicles contribueix notablement a augmentar l'empremta de carboni. Per tant, l'increment de flota en els pròxims anys pot tindre un efecte negatiu molt notable en les emissions contaminants i gasos d'efecte hivernacle globals. És per això que organismes oficials i sectors de desenvolupament científic i tecnològic impulsen la investigació de possibles solucions. Aquest treball intenta aportar el seu granet de sorra per minimitzar aquest problema comú. Es proposa la utilització de múltiples tecnologies amb l'objectiu de reduir el combustible emprat per aeronaus de fins a 25kg i, per tant, disminuir les emissions associades a la seua operació. Les tecnologies aplicades són la hibridació elèctrica en sèrie, la propulsió elèctrica distribuïda i la ingestió de capa límit. Separadament, aquestes tecnologies han demostrat múltiples avantatges, especialment en termes de millora propulsiva i aerodinàmica de les aeronaus, repercutint directament en el consum de combustible. No obstant, aquest treball proposa la utilització simultània de totes elles amb l'objectiu de reduir encara més el consum de combustible i, per tant, les emissions contaminants i gasos d'efecte hivernacle. Per fer-ho, en les darreres pàgines es trien els paràmetres principals de l'aeronau i s'acompanyen d'una exhaustiva anàlisi del comportament de la dinàmica de fluids. Comprenent el seu comportament, és possible optimitzar la selecció dels seus components, de manera que s'obtenen millores importants en el consum de combustible. L'estalvi de combustible es mostra en comparació amb aeronaus similars en mida i pes, però que no inclouen aquestes tecnologies, aconseguint per a un mínim abast un estalvi del 16% del pes del combustible. La realització d'aquest treball es centra en l'ús d'eines computacionals recolzant-se sobretot en la dinàmica de fluids computacional (CFD). Aquesta eina principal es veurà complementada amb l'ús de descomposició modal per a elaborar les anàlisis i de la creació d'una base de dades que ajude a crear models ràpids i útils en futurs dissenys conceptuals i preliminars d'aeronaus d'aquest tipus. / [EN] The present work explores possible solutions to two correlated events that could compromise our future to some extent. On the one hand, the growth of the fleet of small aircraft in the coming years, whether manned or not, is a reality. Access to these aircraft by an increasing majority of the public grows year after year and at the same time, manufacturers adapt their aircraft to missions that we could not contemplate a few years ago. On the other hand, and unfortunately, climate change is also a reality that compromises not only our future but also our present. Today the climate alert is and must be elevated. If we do not find solutions that help alleviate this problem, life on the planet could irremediably change for the worse. Both facts are implicitly related. The manufacture and operation of vehicles contribute significantly to increasing the carbon footprint, so the increase in the fleet in the coming years may have an extremely negative impact on global polluting and greenhouse gas emissions. That is why official organizations and scientific and technological development sectors promote research for possible solutions. This work tries to do its bit to minimize this common problem. Multiple technologies are proposed to reduce the fuel required by 25kg aircraft at takeoff and, thus, reduce the emissions associated with their operation. The applied technologies are electric series hybridization, distributed electric propulsion, and boundary layer ingestion. Separately, these technologies have shown multiple advantages, especially in terms of improving aircraft propulsion and aerodynamics, which directly affects fuel consumption. Nevertheless, this work proposes the simultaneous use of all of them to reduce fuel consumption further and, therefore, polluting and greenhouse gas emissions. To do this, after these pages, the main parameters of this aircraft are chosen and accompanied by an exhaustive analysis of the fluid dynamic behavior. With an understanding of its behavior, it is possible to optimize its components' selection so that significant fuel consumption improvements are obtained. This fuel saving is shown in comparison with similar aircraft in size and weight, but that does not include these technologies, achieving a saving of 16% of fuel weight for the same range. This work's conduction focuses on employing computational tools mainly based on computational fluid dynamics (CFD). This primary tool will be complemented by the use of modal decomposition to carry out the analyses, and the creation of a database that will help create quick models useful in future conceptual and preliminary designs of this type of aircraft. / The respondent would like to acknowledge the financial support received through contract FPI-UPV PREDOCFD/19 of Subprograma 2 of Universitat Politècnica de València / Varela Martínez, P. (2023). On the Analysis and Design of Series Hybrid Distributed Electric Propulsion with Boundary Layer Ingestion of Remotely Piloted Aircraft [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192805

[ES] En los últimos años la popularidad de los quadrotors se ha visto notablemente incrementada debido a la gran variedad de aplicaciones civiles que se encuentran en auge actualmente. Entre los principales nichos de mercado, cabe destacar el elevado potencial en cartografía, agricultura, prevención de incendios, y en general, todas aquellas actividades donde el uso de estos dispositivos pueda suponer una mejora del rendimiento, seguridad del proceso y reducción de costes. En este aspecto, se espera que el uso de los quadrotors se vea incrementado considerablemente en los próximos años. Dicho incremento de popularidad ha hecho que parte de la comunidad científica ponga el foco de atención en ellos para resolver los problemas que presentan actualmente. No obstante, aunque se ha avanzado mucho en los últimos años, existen en la actualidad líneas de investigación y desarrollo encaminadas a la mejora de aspectos importantes tales como la autonomía, la robustez y fiabilidad que permita tanto aumentar la eficiencia energética como incrementar la seguridad ante cualquier posible escenario. El objetivo de la presente tesis es contribuir al desarrollo de estrategias de control robustas para hacer frente a incertidumbres en el modelo, no linealidades, perturbaciones externas y retardos que puedan afectar al sistema a controlar. Este trabajo se fundamenta en la obtención de una estrategia de control basada en estimaciones de perturbaciones, con un ajuste sencillo y desacoplado del seguimiento de la referencia y rechazo de perturbaciones. A partir las estrategias de control desarrolladas, se presentan además diferentes extensiones que permiten mejorar la robustez del vehículo. La construcción de un observador de la pérdida de eficiencia de los motores, que permita detectar cuando se produce un fallo crítico y aterrizar el vehículo de forma segura. Conjuntamente, se desarrolla un algoritmo óptimo que permite estabilizar los diferentes lazos de control en el caso que saturen las acciones de control de los motores que no corresponden explícitamente a las salidas de los lazos de control internos. Debido al extendido uso del controlador PID, se obtiene un equivalente entre la estrategia propuesta y los parámetros de un PID de dos grados de libertad, generalizándose para plantas de primer y segundo orden con retardos. Además, para el caso de retardos variables aleatorios en los canales de sensor-controlador y controlador-actuador además de la presencia de perturbaciones, se desarrolla un predictor junto con un observador de perturbaciones para poder controlar dichos sistemas. Todas las estrategias propuestas se han validado de forma satisfactoria en las plataformas experimentales disponibles. Entre otros aspectos, cabe destacar la eficiencia computacional de las leyes de control propuestas, tanto en fase de diseño y ajuste como en la fase de ejecución. / [CA] En els darrers anys la popularitat dels quadrotors s'ha vist notablement incrementada a causa de la gran varietat d'aplicacions civils que es troben actualment en auge. Entre els principals nínxols de mercat, cal destacar l'elevat potencial en cartografia, agricultura, prevenció d'incendis i, en general, totes aquelles activitats on l'ús d'aquests dispositius supose una millora del rendiment, la seguretat del procés i la reducció de costos. En aquest aspecte, s'espera que l'ús d'aquestes aeronaus s'incremente considerablement en els pròxims anys. Aquest increment de popularitat ha fet que part de la comunitat científica pose el focus d'atenció per resoldre els problemes que presenten actualment. No obstant això, encara que ha evolucionat molt en els darrers anys, actualment existeixen línies de recerca i desenvolupament encaminades a la millora d'aspectes importants com l'autonomia, la robustesa i fiabilitat que permitisca tant augmentar l'eficiència energètica com incrementar la seguretat davant qualsevol possible escenari. L'objectiu d'aquesta tesi és contribuir al desenvolupament d'estratègies de control robustes per fer front a incerteses en el model, no linealitats, pertorbacions externes i retards que puguen afectar el sistema a controlar. Aquest treball es fonamenta en obtindre una estratègia de control basada en estimacions de pertorbacions, amb un ajust senzill i desacoblat del seguiment de la referència i rebuig de pertorbacions. A partir d'aquesta estratègia desenvolupada, es presenten diferents extensions que permeten millorar la robustesa del vehicle. La construcció d'un observador de la pèrdua d'eficiència dels motors, que permeta detectar quan es produeix una fallada crítica i aterrar el vehicle de manera segura. Conjuntament, es desenvolupa un algorisme òptim que permeta estabilitzar els diferents bucles de control en cas que saturen les accions de control dels motors que no corresponen explícitament a les eixides dels bucles de control interns. A causa del ampli ús del controlador PID, s'obté un equivalent entre l'estratègia proposada i els paràmetres d'un PID de dos graus de llibertat, generalitzant-se per a plantes de primer i segon ordre amb retards. A més, per al cas de retards variables aleatoris als canals de sensor-controlador i controlador-actuador a més de la presència de pertorbacions, es desenvolupa un predictor juntament amb un observador de pertorbacions per poder controlar aquests sistemes. Totes les estratègies proposades s'han validat de forma satisfactòria amb les plataformes experimentals disponibles. Entre altres aspectes, cal destacar l'eficiència computacional de les lleis de control proposades, tant en fase de disseny i ajustament com en fase d'execució. / [EN] In recent years the popularity of quadrotors has increased significantly due to the wide variety of civil applications that are currently booming. Among the main market niches, it is worth the high potential in cartography, agriculture, fire prevention and in general, all those activities where the use of these devices can improve performance, process safety and cost reduction. In this regard, the use of these aircraft is expected to increase considerably in the coming years. This increase in popularity has led part of the scientific community to focus on them to solve the problems they have. However, although much progress has been made in recent years, there are currently lines of research and development aimed at improving important aspects such as autonomy, robustness and reliability to increase energy efficiency and safety against any possible scenario. The objective of this thesis is to contribute to the development of robust control strategies to deal with model uncertainties, nonlinearities, external disturbances and delays which may affect the controlled system. This work is based on obtaining a control strategy based on disturbance observers, with a simple and decoupled tuning of reference tracking and disturbance rejection. From this developed strategy, different extensions are developed to improve the robustness of the vehicle: the construction of an observer of the loss of efficiency of the motors, which allows to detect when a critical failure occurs and land the vehicle safely; and the development of an optimal algorithm to stabilize the inner control loops in the case that saturate the control actions of the motors, which do not correspond explicitly to the outputs of the inner control loops. Due to the widespread use of the PID controller, an equivalent tuning is obtained between the proposed strategy and the parameters of a PID of two degrees of freedom, generalizing for first and second order plants with delays. Moreover, for the case of random variable delays in the sensor-controller and controller-actuator channels and the presence of disturbances, a predictor together with a disturbance observer is developed in order to control such systems. All the proposed strategies have been successfully validated on the experimental platforms. Among other aspects, it is worth mentioning the computational efficiency of the proposed control laws, both in the design and adjustment phase and in the execution phase. / Quiero dar gracias a la Universitat Politècnica de València por las ayudas FPI-UPV PAID-01-17 y las ayudas para la movilidad 2019 FPI-UPV sin las cuales no hubiese podido terminar esta tesis. / Balaguer Garín, V. (2024). Diseño de estrategias de control robusto aplicadas a vehículos aéreos no tripulados tipo quadrotor [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/204746