Durante toda la historia de nuestro país, hemos vivido fenómenos naturales de diferentes magnitudes, en donde muchos de ellos han generado desastres, ocasionando grandes destrucciones de patrimonio e infraestructura del Perú, como ciudades y carreteras, y en algunos casos se han perdido la comunicación entre ciudades. Estos desastres también han generado un gran número de pérdidas humanas, por lo que se ha utilizado recursos económicos para el socorro de nuestra población, la debida reconstrucción y rehabilitación de zonas afectadas. Ante esta situación, la presente tesis busca una solución para brindar un medio de comunicación para las ciudades afectadas en estas situaciones, es por ello que esta tesis lleva como título “DISEÑO DE UN SISTEMA DE TELECOMUNICACIONES CON REDES AD HOC DE DRONES COMO ALTERNATIVA DE MEDIO DE COMUNICACIÓN PARA HACER FRENTE A DESASTRES NATURALES”. Para el desarrollo de esta tesis se realiza una investigación sobre la utilización de las redes ad hoc en el mundo y una analogía de cómo poder utilizar esta tecnología en nuestra tesis. Posteriormente se realiza un reconocimiento de la zona en la cual se va implementar. Luego se procede a realizar un estudio de las diferentes herramientas de simulación de redes inalámbricas, en donde encontramos la herramienta OPNET como la más adecuada. Finalmente se realizará un estudio comercial sobre todo el sistema utilizado. A continuación se describen brevemente los siguientes capítulos: En el primer capítulo se detalla los diversos desastres naturales que ocurren en el Perú, asimismo se expondrá la problemática y se enunciará una hipótesis para su solución. En el segundo capítulo se proporcionan los fundamentos teóricos necesarios que se utilizarán en el desarrollo del proyecto de tesis, se mostrará información sobre el estado del arte y se explicará la selección de las tecnologías que comprenderán el diseño de la solución. En el tercer capítulo se brindan todos los aspectos relacionados al diseño del sistema propuesto a inicios del proyecto, como los criterios del diseño, la arquitectura del sistema y finalmente se realizaran simulaciones en el software seleccionado. En el último capítulo se aborda el análisis de precios y se plantean recomendaciones para la implementación. Finalmente se presentan las conclusiones del proyecto de tesis, con algunas mejoras a futuro. / Tesis

Durante toda la historia de nuestro país, hemos vivido fenómenos naturales de diferentes magnitudes, en donde muchos de ellos han generado desastres, ocasionando grandes destrucciones de patrimonio e infraestructura del Perú, como ciudades y carreteras, y en algunos casos se han perdido la comunicación entre ciudades. Estos desastres también han generado un gran número de pérdidas humanas, por lo que se ha utilizado recursos económicos para el socorro de nuestra población, la debida reconstrucción y rehabilitación de zonas afectadas. Ante esta situación, la presente tesis busca una solución para brindar un medio de comunicación para las ciudades afectadas en estas situaciones, es por ello que esta tesis lleva como título “DISEÑO DE UN SISTEMA DE TELECOMUNICACIONES CON REDES AD HOC DE DRONES COMO ALTERNATIVA DE MEDIO DE COMUNICACIÓN PARA HACER FRENTE A DESASTRES NATURALES”. Para el desarrollo de esta tesis se realiza una investigación sobre la utilización de las redes ad hoc en el mundo y una analogía de cómo poder utilizar esta tecnología en nuestra tesis. Posteriormente se realiza un reconocimiento de la zona en la cual se va implementar. Luego se procede a realizar un estudio de las diferentes herramientas de simulación de redes inalámbricas, en donde encontramos la herramienta OPNET como la más adecuada. Finalmente se realizará un estudio comercial sobre todo el sistema utilizado. A continuación se describen brevemente los siguientes capítulos: En el primer capítulo se detalla los diversos desastres naturales que ocurren en el Perú, asimismo se expondrá la problemática y se enunciará una hipótesis para su solución. En el segundo capítulo se proporcionan los fundamentos teóricos necesarios que se utilizarán en el desarrollo del proyecto de tesis, se mostrará información sobre el estado del arte y se explicará la selección de las tecnologías que comprenderán el diseño de la solución. En el tercer capítulo se brindan todos los aspectos relacionados al diseño del sistema propuesto a inicios del proyecto, como los criterios del diseño, la arquitectura del sistema y finalmente se realizaran simulaciones en el software seleccionado. En el último capítulo se aborda el análisis de precios y se plantean recomendaciones para la implementación. Finalmente se presentan las conclusiones del proyecto de tesis, con algunas mejoras a futuro. / Tesis

Doctora en Ingeniería Eléctrica / Little work has been done on Battery Health Management (BHM) for rotary-wing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) despite the fact that they have become increasingly popular. They are highly maneuverable and enable both safe and low-cost experimentation in mapping, navigation, and testing of control algorithms in three dimensions. Also, they can perform maneuvers that cannot be achieved by their fixed-wing counterparts (e.g., hover in place, and take off and land vertically (VTOL)). However, small-size aircraft typically have weight, size and cost constraints. Thus, as small-size UAVs become more prevalent, the need for computationally efficient software will increase. This thesis proposes a holistic framework for the design, implementation and experimental validation of Battery Health Management (BHM) systems in small-size rotatory-wing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) that allows to accurately (i) estimate the State of Charge (SOC), and (ii) predict the End of Discharge (EOD) time of lithium-polymer batteries in small-size multirotors by using a model-based prognosis architecture that is efficient and feasible to implement in low-cost hardware. The proposed framework includes a simplified battery model that incorporate the electric load dependence, temperature dependence and SOC dependence by using the concept of Artificial Evolution to estimate some of its parameters, along with a novel Outer Feedback Correction Loop (OFCL) during the estimation stage which adjusts the variance of the process noise to diminish bias in Bayesian state estimation and helps to compensate problems associated with incorrect initial conditions in a non-observable dynamic system. Also, it provides an aerodynamic-based characterization of future power consumption profiles and utilizes a new definition of probability of failure to mitigate the risk. A quadrotor has been used as the validation platform. This thesis is the first research effort towards BHM for small-size rotary-wing UAVs validated beyond numerical simulations, and that addresses the problem from an efficient approach for constrained computing platforms. A proper prognosis of the EOD time is not only necessary to verify if the mission goal(s) can be accomplished but also essential to aid in online decision-making activities such as fault mitigation and mission replanning. Therefore, the results of this work will allow making decisions about the flight and having enough confidence in those decisions so that the mission objectives can be optimally achieved. Given that: (i) the flight times in battery-powered UAVs are indeed short, (ii) most flight plans are highly conservatives due to they suffer from uncertainties in estimating the remaining charge, (iii) applications in urban zones are limited due to the risk associated with accidental battery run-down during the flight, and (iv) UAVs are ideally suited for long endurance applications; it hopes the results of this research become a significant contribution to the battery-powered rotary-wing UAVs field. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por CONICYT bajo la beca CONICYT-PCHA/Doctorado Nacional /2014-63140178

El presente trabajo tiene enfocado como problema el mal uso de los vehículos aéreos no tripulados (UAVs) en entorno civil. Debido a lo común que se han vuelto los UAVs en el entorno civil en conjunto con la falta de regulación para adquisición y especificaciones que ofrecen estos vehículos; existen usuarios maliciosos que los emplean para realizar actividades ilícitas tales como terrorismo, espionaje o transporte de drogas. Si se logra diseñar un dispositivo capaz de bloquear las señales GPS, siendo este el principal sistema de navegación empleado por los UAVs, este podría ser usado como medida contra el mal uso de estos vehículos. Por lo tanto, el presente trabajo, como una investigación bibliográfica, busca facilitar la realización de este tipo de sistemas, mediante la recopilación de la información acerca del GPS y del jamming. Por lo que los objetivos de este trabajo son: documentar acerca del Sistema de Navegación Global (GPS), identificar las diferentes técnicas empleadas para realizar jamming y definir criterios a tener a tener en cuenta en un sistema de este tipo.

El presente trabajo tuvo como objetivo el diseño de un Vehículo Aéreo no Tripulado (VANT) de tipo multirotor con capacidad de carga de hasta un kilogramo - que puede representar una cámara o sensores para el monitoreo de una variable en específico. En la primera parte se hizo una revisión de la bibliografía y estado del arte de los sistemas aéreos no tripulados. Luego, se procedió a definir los requisitos para el diseño de la unidad. Debido a que el desarrollo de estos equipos es reciente, no existen publicaciones o libros que detallen una metodología para la selección de los componentes, por lo que en esta tesis se diseñó e implementó una propia que permitió seleccionar el sistema de propulsión óptimo que incluye los motores, las hélices y las baterías. En la siguiente etapa se diseñó la estructura para alojar a todos los componentes del VANT. Se realizó una simulación de las cargas para evaluar la resistencia, aerodinámica y vibraciones del VANT mediante un software de elementos. Los resultados fueron positivos, por lo que se puede asegurar un correcto funcionamiento ante una futura implementación. Finalmente, el resultado de este trabajo culminó con una lista de componentes, planos y un presupuesto de alrededor de $6300 en los que se incluye los costos de materiales, diseño de ingeniería y manufactura. El VANT diseñado tiene como dimensiones generales 1014x1007x200 mm, tiene un peso de alrededor de los 7.5 kg y está en capacidad transportar consigo una carga de un kilogramo con vientos de hasta 8 m/s.

La presente tesis aborda el problema del abastecimiento de batería de los drones siendo su periodo de duración insuficiente para cubrir operaciones de mayor durabilidad. En la actualidad, la utilidad de los drones ha ido en aumento en los diversos campos en los que se desenvuelve, así como también su automatización. Con respecto a ello, con la constante evolución de la tecnología y la creciente demanda de automatizar los procesos en los que son requeridos estos dispositivos, se ha logrado que los UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) sean autónomos en las operaciones que se requieren. De esta forma, ya no es necesario que sea controlado por algún operario en tiempo real, sino que puede funcionar de forma autónoma. Sin embargo, como se mencionó brevemente, las operaciones realizadas por estos dispositivos pueden tomar un tiempo mayor al de la duración de su batería, por lo que más tiempo implica menos operaciones por día y esto afecta a la productividad. De aumentar esta característica en los drones, se podrían usar, por ejemplo, como sistemas de vigilancia, ya que estos sistemas requieren una continuidad en su operación. Como segundo ejemplo podrían usarse para el envío de objetos a largas distancias de forma autónoma. Se propuso realizar el diseño preliminar de un sistema mecatrónico automático que realizará el abastecimiento de batería de los drones con baterías LiPo 6S (6 celdas). Para lograr este diseño son necesarios los siguientes subsistemas: subsistema de transporte de batería, subsistema de sujeción de dron y el subsistema de adaptación de batería. El subsistema de transporte de batería estará conformado por un robot cartesiano ensamblado con un gripper magnético y un anaquel para guardar las baterías. Este arreglo permitirá la sujeción, extracción y colocación de la batería. El segundo subsistema está conformado por dos actuadores lineales, los cuales se encargarán mantener el dron fijo para poder realizarse el proceso de abastecimiento de la batería. Por último, el subsistema de adaptación de batería, que es el diseño de un sistema mecánico que se ubicará en la parte media del dron para facilitar la extracción y colocación de la batería. Las baterías a emplear en este diseño son Baterías LiPo de 6S y estas tienen unas dimensiones aproximadas de 59 mm x 64 mm x 158 mm. Además, su peso es aproximadamente de 1.5 kg. Esto permitirá realizar un mejor diseño para las consideraciones mostradas. Eventualmente, se delimitó a este tipo de batería ya que son las que más se usan en promedio para drones de dimensiones mayores a un metro de diámetro. El sistema procesará la información en un controlador y estará constantemente validando, enviando y recibiendo data de internet, es decir, monitoreando en la nube. Se realizará un monitoreo de la información en la nube ya que estos sistemas operan de forma automática y además porque es necesario alertar sobre los posibles fallos para que el sistema sea reparado lo antes posible.

El presente trabajo presenta como marco problemático la pérdida de los cultivos por situaciones adversas como como las plagas, malas hierbas, enfermedades, falta de nutrientes y condiciones térmicas. Estos problemas, se podrían evitar en su mayoría si se realizara análisis de salud constantemente a los sembríos. El problema recae en la falta de análisis de la salud de los cultivos por la demandante naturaleza de la tarea. No sería posible realizar una revisión manual constante a todas las plantas. Además, las herramientas actuales que existen no son óptimas y no son capaces de integrar el análisis de diferentes sensores. El objetivo general del presente trabajo es diseñar una solución a partir de un vehículo aéreo que sea capaz de tomar imágenes multiespectrales y térmicas para el análisis de la salud vegetal. La metodología que se utilizará para cumplir con el correcto diseño del proyecto será la metodología VDI. Para las secciones relacionadas a la arquitectura de software, el proyecto usó la metodología Attribute Driven Design (ADD) 3.0. Adicionalmente, se usó la metodología Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses (PRISMA) para realizar una revisión sistemática de la literatura. Finalmente, los resultados son el diseño de un dron capaz de intercambiar entre cámara multiespectral y térmica sin necesidad de desarmar todo el sistema. Se presenta una solución escalable a través de la nube de AWS para realizar el procesamiento de datos. Por otro lado, a partir de la revisión bibliográfica y del diseño de la arquitectura de software, se elaboraron los artículos académicos “Precision agriculture drone technology: A systematic review of the literature” y “Cloud-based processing on drone imaging for precision agriculture” respectivamente. Como conclusión, en las pruebas realizadas para el procesamiento en el sistema ciber de la nube, se obtuvo un tiempo promedio de respuesta de 430 ms.

El presente proyecto de fin de carrera busca presentar un aporte al campo de la agricultura de precisión, el cual tiene como propósito aplicar y desarrollar nuevos mecanismos tecnológicos para optimizar las tareas involucradas en la agricultura. Una de las herramientas dentro de la agricultura de precisión es la percepción remota, con la cual se pueden obtener imágenes de los campos de cultivo a gran altura, permitiendo la identificación de características que no son fácilmente visibles cuando se está al nivel del suelo. Las imágenes capturadas mediante la percepción remota son empleadas por diversos especialistas en la interpretación de determinados índices de vegetación, cuyos resultados ayuden a facilitar y mejorar las tareas del agricultor. La captura de dichas imágenes es obtenida a través de sensores remotos colocados en satélites, aviones y actualmente, el uso de vehículos aéreos no tripulados (Unmanned Aerial Vehicle – UAV) ha sufrido un considerable incremento. Sin embargo se presentan algunos inconvenientes con respecto al procesamiento de las imágenes adquiridas por los UAVs. En primer lugar debido a la necesidad de monitoreo constante, es necesario que los UAVs sobrevuelen la zona a tratar periódicamente, generando una gran cantidad de imágenes de una misma zona a tratar en diferentes periodos de tiempo, resultando que en cada captura las imágenes de la misma zona presentan distintas características: traslación y rotación espacial (considerando un punto de referencia fijo) e iluminación. En segundo lugar, debido a la necesidad de determinación de parámetros de vegetación, temperatura, humedad, entre otros, es necesaria la obtención de imágenes con cámaras que trabajen en diferentes bandas del espectro electromagnético (bandas de color azul, rojo, verde e infrarrojo). En algunas ocasiones una sola cámara no trabaja en todas las bandas del espectro por lo que se requiere colocar más de una cámara en el UAV, con el resultado de que las imágenes capturadas de una misma zona no están alineadas espacialmente debido a la posición de las cámaras en el UAV. De este modo se hace necesario de algún método que permita la alineación de las imágenes capturadas por los UAVs, ya sea que estas provengan de diferentes puntos de vista o de diferentes sensores, para una misma zona a tratar. Al procedimiento requerido para la alineación de dos o más imágenes de un mismo objeto de interés se le conoce como registro de imágenes.

Esta tesis de investigación propone obtener el modelo aerodinámico de una aeronave del tipo ala volante utilizando redes neuronales artificiales con el fin de mejorar la performance del controlador de vuelo del sistema de navegación de un vehículo aéreo no tripulado. Actualmente la aeronave pierde altitud al momento de realizar los giros, y se entiende porque es un problema con el ángulo de cabeceo y velocidad de vuelo. El tipo de Red Neuronal Artificial (RNA) utilizada es de Back Propagation Dinámico y tiene dos capas intermedias con 100 neuronas cada una. Se utilizó este tipo de RNA porque permite entrenar un modelo dinámico como es el caso de una aeronave. Las variables de entrada utilizadas para el entrenamiento fueron: posición del elevador, posición de los alerones, posición del throtle y aceleraciones en los tres ejes de la aeronave. Las variables de salida fueron: ángulo de cabeceo, ángulo de alabeo, cambio en el tiempo de ángulo de cabeceo y alabeo, velocidad y altitud. Asimismo, se utilizó un “bias” para tomar en consideración fuerzas o perturbaciones que no se pueden medir. La metodología utilizada permitió realizar el modelado de manera satisfactoria del ángulo de cabeceo y velocidad. Los errores de entrenamiento fueron de 36% y 5.5% respectivamente. La validación de ambos parámetros fue de 68% y 3.38%. La metodología aplicada todavía necesita ser mejorada para obtener un error de entrenamiento satisfactorio en el ángulo de alabeo y mejorar los entrenamientos obtenidos para el ángulo de cabeceo y velocidad. Este trabajo demuestra que el modelamiento de una aeronave del tipo ala volante es más complejo que una aeronave convencional. Son pocos los trabajos de investigación sobre modelamiento de aeronaves que han realizado el modelamiento de este tipo de aeronaves. En la mayoría de los casos utilizan técnicas diferentes a las de RNA y realizan modelamiento lineal y no dinámico como se ha realizado en esta tesis. / Tesis

Esta tesis estudia los observadores de estados basados en sistemas de estructura variable con modos deslizantes, como una solución alterna al algoritmo de modelo múltiple interactivo (IMM) basado en filtros Kalman y filtro de partículas, para la estimación robusta de posición, velocidad y aceleración de un blanco aéreo de alta maniobrabilidad, tales como misiles antibuque o aviones de combate, a pesar de la existencia de incertidumbres o perturbaciones del modelo y utilizando mediciones de posición o velocidad con ruido angular. En el capítulo I se efectúa el estudio del estado del arte, se expone la problemática y la solución actual a esta. Posteriormente, en el capítulo II se efectúa un estudio de los distintos modelos dinámicos y de medición de blancos aéreos de alta maniobrabilidad existentes en la literatura, proponiéndose al final del capítulo un modelo lineal incierto del blanco aéreo (misil antibuque) y presentándose una simulación de la trayectoria completa de este. En el capítulo III se expone la teoría de sistemas de estructura variable con modos deslizantes aplicada a observadores de estado, se efectúa el diseño de los observadores más resaltantes y se presentan simulaciones de las estimaciones de la trayectoria del blanco aéreo de alta maniobrabilidad, comparándose al final del capítulo los resultados en base a criterios de desempeño establecidos. Los resultados muestran que en la ausencia de ruido los observadores “clásicos” de Edwards-Spurgeon (ESSMO), Walcott-Zak (WZSMO) y el diferenciador robusto exacto adaptativo (ARED) obtienen los mejores desempeños. Asimismo, para hacer uso de los observadores anteriormente mencionados en un ambiente de ruido angular se propone un nuevo algoritmo de filtrado, denominado diferenciador robusto exacto y uniforme filtrado (UREDF), que combina las características de filtrado estándar del diferenciador de Levant con un filtro de mediana no lineal intra pulso. Cabe resaltar que el desempeño de este algoritmo fue demostrado paralelamente al desarrollo de esta tesis en el manuscrito “Highly Maneuverable Target Tracking Under Glint Noise via Uniform Robust Exact Filtering Differentiator with Intra Pulse Median Filter”, publicado en la revista IEEE “Transactions on Aerospace and Electronic Systems” y escrito por el Dr. Gustavo Pérez y el suscrito. En este manuscrito se concluye que el UREDF muestra un desempeño superior al de otros algoritmos de estimación y filtrado del estado del arte tales como el Extended Kalman Filter (EKF), Unscented Kalman Filter (UKF), Cubature Kalman Filter (CKF), Particle Filter (PF), y el Robust Student-t based Kalman Filter. En el capítulo IV dos soluciones al problema en estudio son brindadas, siendo la primera solución (SMO1) basada en la combinación de la capacidad de filtrado del diferenciador Robusto Exacto y Uniforme filtrado (UREDF) y la robustez para estimación de variables de estado del diferenciador robusto exacto adaptativo (ARED). Por otro lado, la segunda solución (SMO2) involucra la estimación de variables de estado de un radar de traqueo pulse-doppler mediante el filtrado de las mediciones de posición y velocidad por medio de Diferenciadores Robustos Exactos y Uniformes filtrados (UREDF) y la posterior estimación de variables de estado por medio del Observador de modos deslizantes de Walcott-Zak (WZSMO). Asimismo, un diferenciador robusto exacto adaptativo es utilizado para estimar el vector de entrada de control necesario para que funcione el WZSMO. En el capítulo V se efectuaron simulaciones en MATLAB® que comprueban que las soluciones de modos deslizantes propuestas tienen mejor capacidad de filtrado de ruido angular y robustez que el algoritmo de modelo múltiple interactivo (IMM) durante los cambios de rumbo y maniobra terminal. Finalmente, en el capítulo VI se propone la propuesta de implementación en un hardware PXI de National Instruments y en el capítulo VII se brindan conclusiones y trabajo future a realizar. / This thesis studies state observers based on sliding mode variable structure systems, as an alternative solution to the interactive multiple model algorithm (IMM) based on Kalman and Particle Filters, for the robust estimation of position, velocity, and acceleration of a high maneuverability air target, such as anti-ship missiles or combat aircraft, despite model uncertainties or disturbances and using fire control radar’s position or velocity measurements corrupted by glint noise. In chapter I a study of the state of the art is done, exposing the problem and the current solution to it. Subsequently, in chapter II a study is made of the different dynamic and measurement models of high maneuverability air targets existing in the literature, proposing at the end of the chapter an uncertain linear model of the air target (anti-ship missile) and presenting a simulation of the complete trajectory of it. In chapter III the theory of sliding mode variable structure systems applied to state observers is exposed, the design of the most representative observers is carried out, and simulations of the air target’s estimated trajectory are conducted, comparing at the end of the chapter the results of all state observers based on established performance criteria. Results show that in the absence of noise the Edwards-Spurgeon observer (ESSMO) and Walcott-Zak observer (WZSMO) and Adaptive Robust Exact Differentiator obtain the best performances. In addition, in order to use the observers and differentiators mentioned above a new filtering algorithm is proposed, named Uniform Robust Exact filtering differentiator (UREDF), which combines Levant’s standard filtering with a non-linear median intra pulse filter. It is important to state that the performance of this algorithm was demonstrated along with the writing of this thesis in the manuscript “Highly Maneuverable Target Tracking Under Glint Noise via Uniform Robust Exact Filtering Differentiator with Intra Pulse Median Filter”, which has been published in the IEEE journal “Transactions on Aerospace and Electronic Systems” by Dr. Gustavo Pérez and myself. In this manuscript, it is concluded that the UREDF shows a superior performance than other state-of-the-art estimation and filtering algorithms such as the Extended Kalman Filter (EKF), Unscented Kalman Filter (UKF), Cubature Kalman Filter (CKF), Particle Filter (PF), and the Robust Student-t based Kalman Filter. In chapter IV two solutions to the studied problem are proposed, being the first solution (SMO1) based on the combination of the Uniform robust exact filtered differentiator’s (UREDF) filtering capability and the Adaptive Robust Exact Differentiator’s robustness, exactness, and convergence speed capabilities for state variable estimation. On the other hand, the second solution (SMO2) involves state variable estimation of a pulse-doppler tracking radar by filtering both position and doppler velocity measurements with Uniform Robust Exact Filtered Differentiators (UREDF) and estimating state variables with the Walcott-Zak Sliding Mode Observer (WZSMO). Also, an adaptive robust exact differentiator (ARED) is used to provide the estimated input control vector necessary for the WZSMO to work. In chapter V, MATLAB® simulations were conducted, proving that the sliding mode solutions proposed in chapter IV have better glint noise filtering and robustness capabilities that the Interactive Multiple Model (IMM) algorithm during the misil’s course changes and terminal maneuver. Finally, in chapter VI is proposed the implementation solution in a National Instruments’ PXI and in chapter VII conclusions and future work remarks are given.