Tesis entregada a la Universidad de Chile en cumplimiento parcial de los requisitos para optar al grado de Magíster en Ciencias Biológicas. / El origen del vuelo en Aves está marcado tanto por disminuciones significativas en tamaño corporal como por el aumento en tamaño relativo de las extremidades anteriores. No obstante, previo al origen del vuelo, la evolución de ambos caracteres pudo estar asociada mediante de un patrón alométrico evolutivo negativo para las extremidades anteriores de terópodos. Esta relación ha sido descrita para la mayor parte de Theropoda, perdiéndose en la base de Aves (desde Archaeopteryx lithographica), clado donde se describen en su lugar isometrías o alometrías positivas tanto evolutivas como ontogenéticas. No obstante, las publicaciones donde estas alometrías han sido descritas no corrigen apropiadamente la no-independencia estadística presente entre especies emparentadas. Además, a pesar de que se ha sugerido, ningún estudio a la fecha ha evaluado formalmente la posibilidad de la pérdida del patrón de alometría evolutiva negativa para extremidades anteriores en otros taxa pertenecientes a Theropoda. Del mismo modo la posible relación entre el patrón alométrico evolutivo negativo para extremidades anteriores y un patrón equivalente en la ontogenia no ha sido discutida. En el presente estudio se procedió a re-evaluar el patrón alométrico evolutivo negativo para extremidades anteriores en Theropoda, además de posibles desviaciones respecto a este, utilizando datos de longitudes de húmero y fémur correspondientes a 163 especímenes distribuidos en 108 géneros, incorporando variabilidad intraespecífica, incerteza filogenética y dos modelos evolutivos alternativos a las correcciones filogenéticas utilizadas en los análisis realizados. Mediante estos análisis se recuperaron valores de alometría negativa para el conjunto de los terópodos no-avianos encontrándose además que Coelophysoidea, Ornithomimosauria y Oviraptorosauria presentan diferencias significativas respecto al patrón alométrico general bajo ambos modelos evolutivos, exhibiendo isometría. Se encontró alometría evolutiva negativa para extremidades anteriores en Dromaeosauridae, corroborando que, probablemente, este patrón alométrico evolutivo estaba presente en formas cercanas a Aves. Al revisar la evidencia publicada respecto a alometrías negativas ontogenéticas para extremidades anteriores en Theropoda se encontraron patrones similares a los patrones alométricos evolutivos obtenidos, del mismo modo esta correspondencia se encontró en Aves y otros clados cercanos a Theropoda permitiendo proponer que, además de una órbita y caja craneana expandidas, la paedomorfosis observada en el origen de Aves incluyó extremidades anteriores proporcionalmente mayores como otro rasgo juvenil. / The origin of flight in Aves is marked both by significant decreases in body size and by the increase in relative forelimb size. However, before the origin of flight, the evolution of both characteristics may have been coupled through a pattern of negative forelimb evolutive allometry in Theropoda. This pattern was lost at the origin of Aves (since Archaeopteryx lithographica), clade where isometry or positive allometry has been described instead for both: the phylogeny and ontogeny. However, the publications where these allometries have been described do not properly correct for the statistical non-independence present among related species. Furthermore, even though it has been suggested, no study has formally tested if other taxa in Theropoda show loss of the negative allometric pattern as well. Similarly, the possible relation between the negative forelimb evolutive allometric pattern and an equivalent ontogenetic one has not been discussed. In the present study we re-evaluated the negative forelimb allometric pattern found in the evolution of Theropoda and tested for significate deviations from it using femur and humerus lengths from 163 specimens representing 108 genera, we also incorporated intraspecific variation, phylogenetic uncertainty and two alternative evolutionary models to the phylogenetic corrections used in the analyses. We recovered an evolutionary negative forelimb allometry for all non-avian theropods; we also identified that Coelophysoidea, Ornithomimosauria and Oviraptorosauria show significative differences from the general allometric pattern presenting isometry. We found evolutionary negative forelimb evolutive allometry in Dromaeosauridae showing that this pattern was, most likely, still present in forms close to Aves. Upon reviewing published evidence for ontogenetic negative forelimb allometry in Theropoda we found similar patterns to the ones obtained through our analysis, we also observed similarities between ontogenetic and evolutive forelimb allometric patterns described for Aves and other taxa close to Theropoda suggesting that, in addition to an expanded orbit and braincase, the paedomorphosis observed at the origin of birds probably included proportionally larger arms as another juvenile trait. / Proyecto Anillo ACT172099 y Fondecyt 1150906. / Julio 2019

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En este proyecto se realizó el diseño mecánico de una cabina para el desarrollo de un simulador de vuelo. El simulador de vuelo consiste en un sistema que emule los movimientos de una aeronave y el manejo de ésta por parte de un piloto. Para ello, se planteó desarrollar un mecanismo paralelo de 6 GDL para emular los movimientos de la aeronave y diseñar una cabina en el que se encuentre el piloto y desde el cual éste pueda interactuar con el simulador. El diseño de la cabina se llevó a cabo siguiendo la metodología que se da en la norma VDI 2225, para lo cual se plantearon diferentes alternativas que permitieron seleccionar los componentes que debe de haber en la cabina para el entrenamiento del piloto. De acuerdo con los componentes seleccionados se realizó el diseño de los soportes necesarios, los cuales consistieron en un soporte para los monitores del sistema visual y un panel de instrumentos. Los cálculos de resistencia de la cabina se realizaron analíticamente usando modelos matemáticos simplificados y con la ayuda de un software de elementos finitos. Se realizaron los cálculos de esfuerzos de la cabina desde un sistema de referencia no inercial debido al movimiento acelerado de la cabina, en el que fue necesario agregar las fuerzas y momentos inerciales. El cálculo por elementos finitos se realizó usando el software ANSYS. De esta manera se determinó que los esfuerzos en la cabina debido a las aceleraciones máximas dadas por el mecanismo paralelo son menores a los admisibles, por lo que no fallará para estas condiciones de trabajo. Se decidió usar plástico reforzado en fibra de vidrio como material de la cabina. Este es un material compuesto cuyas propiedades mecánicas se determinaron usando la norma británica BS 4994. Por otra parte, los soportes serán hechos de acero estructural ASTM A36. Finalmente se realizó una estimación de costos de la cabina en el que el costo total resultó S/.12,727. / Tesis

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The present work consists of an investigation on the first physical-mathematical theories applied to the study of the artificial flight with airplanes, and in particular the treatment of the problem of longitudinal stability. The minimally analytical-formal contributions of G. Cayley, A. Pénaud, O. Lilienthal, A. Zahm and the W. & O. Wright brothers are analyzed. The mathematically stronger publications of N. E. Zhukowsky, H. Bryan, F. Ferber, F. W. Lanchester, R. Soreau, P. Painlevé, G. de Bothezat and T. Von Kármán & E. Trefftz, are also studied. Also included is the study of the eminently informative contribution of E. A. Duchêne. The period analyzed covers from 1799 to 1913. / El presente trabajo consiste en una investigación crítico-histórica sobre las primeras teorías físico-matemáticas aplicadas al estudio del vuelo artificial con aeroplanos, y particularmente el tratamiento del problema de la estabilidad longitudinal. Se analizan las aportaciones mínimamente analítico-formales de G. Cayley, A. Pénaud, O. Lilienthal, A. Zahm y los hermanos W. & O. Wright. Se estudian también las publicaciones matemáticamente más sólidas de N. E. Zhukowsky, H. G. Bryan, F. Ferber, F. W. Lanchester, R. Soreau, P. Painlevé, G. de Bothezat y T. Von Kármán & E. Trefftz. Se incluye también el estudio de la aportación eminentemente divulgativa de E. A. Duchêne. El período analizado abarca desde 1799 hasta 1913. / El present treball consisteix en una investigació sobre les primeres teories físico-matemàtiques aplicades a l'estudi del vol artificial amb aeroplans, i particularment el tractament del problema de l'estabilitat longitudinal. S'analitzen les aportacions mínimament analítico-formals de G. Cayley, A. Pénaud, O. Lilienthal, A. Zahm i els germans W. & O. Wright. S'estudien també les publicacions matemàticament més sòlides de N.E. Zhukowsky, H.G. Bryan, F. Ferber, F.W. Lanchester, R.Soreau, P. Painlevé, G. de Bothezat y T. Von Kárman & E. Trefftz. S'inclou també l'estudi de l'aportació eminentment divulgativa d' E.A. Duchêne. El periode analitzat abarca des de 1799 fins 1913. / Magraner Rullan, JP. (2017). Análisis crítico-histórico de las teorías pioneras sobre la estabilidad longitudinal de los aviones (1799-1913) [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90542 / TESIS

El propósito de un método de segmentación es descomponer una imagen en sus partes constitutivas. Se han propuesto un gran número técnicas y algoritmos para realizar ésta tarea. Algoritmos de visión por computador, en particular de segmentación, que han sido utilizados con éxito en ambientes industriales, con colores e iluminación controlada, no obtienen resultados similares en contextos diferentes. Una alternativa para abordar problemas en que las condiciones de contorno no permiten una segmentación adecuada es incorporar información de profundidad. Las mejoras realizadas en el campo de las tecnologías de escaneo 3D han hecho posible que las cámaras basadas en el principio de tiempo de vuelo sean más accesibles. Las cámaras de tiempo de vuelo son dispositivos de captura que generan simultáneamente imágenes en tonos de grises e información 3D de la escena. La fusión de la información de profundidad junto con la informaci ́on de intensidad permite obtener descripciones de las escenas que tienen en cuenta tanto la geometr ́ıa de los objetos como la información de luminancia. En éste contexto, la segmentación de imágenes consiste en utilizar algoritmos que utilicen ambas fuentes de información y no sólo los niveles de intensidad. Con esta perspectiva el problema de segmentación puede ser formulado como la búsqueda de formas efectivas para particionar adecuadamente un conjunto de muestras con información de intensidad y distancia. Recientemente han sido propuestos diversos algoritmos de agrupamiento, tanto jerárquicos como particionales, para abordar el problema de segmentar objetos en imágenes de intensidad. En particular los métodos de agrupamiento espectral tienden a determinar la estructura subyacente en un conjunto de patrones, donde otros métodos convencionales por la disposición y características particulares de los agrupamientos, no obtienen los resultados esperados. La presente tesina se enfoca en la posibilidad de utilizar métodos de agrupamiento espectral en imágenes de rango y de intensidad para abordar problemas de segmentación complejos.

[EN] The flight of the flying human figure must be situated, because of its abundance and dynamic particularities, in the art of the Modern Age, especially in the Italian art. In a context in which modern physics are calling into question the validity of the previous Aristotelian theories, and flying machines (which have a fantastic aspect in the literature) are invented, visual art develops a flight free from all the earthly obstacles that prevent the man from elevating. In this work we have inquired about the configuration of the flying human figure in the visual depiction (mainly Italian) from the XV century until the first half of the XVIII century, about the process of creation that allows to picture this movement which does not exist in external reality, about the visual resources involved in its expression, and about how the expression of flight evolves along this period. The flight of the aerial figures is an invention, in real life there is no actual reference of this kind of movement. In spite of its connection to flight, floatation, and weightlessness, it is not fully identifiable with neither of these dynamic phenomena. The mobile possibilities that flying figures exhibit support the idea that this kind of movement is detached from the everyday action of human beings: total freedom of trajectories which contradicts physical reality, elasticity and flexibility, constant movement, and changes in the nature and substance; moreover, it is a movement that appears to occur in a specific space-time. Its dynamism is attractive because of its visual character and also because of the ideas it conveys, which reveal a connection with the ideas in angelology and classic mythology. In the expression of flight within each artistic style, the taste and interests of the time are manifested. During the Quattrocento the change takes place, and the most significant features that are developed later appear in that moment. The presence of flying figures becomes progressively more abundant, mainly with the depictions of putti and cherubim. Also, from the XVI century onwards, the symbolism of flight as an approach to the spiritual world and physical emancipation becomes settled. In the final stage of this period, during the Rococo, flight becomes less abundant, and the visual complexity it had reached in previous stages is simplified and becomes subtler. The creative process to represent flight is based on intuition as a generator of internal and sensory experiences, visual memory and invention; from all these we find, under different terminologies, evidence in the texts of the Modern Age. Moreover, the use of visual information from different real actions (both in moving and static objects) and its transformation reveals itself in numerous pieces, especially in sketches. The dynamic resources of the artistic language are used to transmit the mobile characteristic of flying figures, mainly by stressing its dynamism, and prolonging the art work observation time. In ceiling pictures, these resources concentrate in the expressive use of the space of representation, and, frequently, in generating the sensation that the flying figures are part of the material reality of the spectator, merging the real and the fantasy world through both the symbolism and the material elements involved. The floating figure of the human figure cannot be dissociated from the Italian cultural context in the Modern Age, and to a great extent our knowledge of flight is defined by the art works coming from this period. / [ES] El vuelo de la figura humana se localiza, por sus particularidades dinámicas y abundancia, en el arte de la Edad Moderna, especialmente en el arte italiano. En un contexto en el que la Física cuestiona las teorías aristotélicas y se inventan máquinas voladoras (que tienen una faceta fantástica en la literatura), el arte plástico desarrolla un vuelo libre de todos los obstáculos terrenales que impiden al hombre elevarse. En este trabajo nos preguntamos cómo ha sido configurado el vuelo de la figura humana en la plástica (principalmente la italiana) desde el siglo XV hasta la mitad del siglo XVIII, cuál es el proceso de creación que permite dar imagen a este movimiento que no existe en la realidad externa, qué recursos plásticos participan en su expresión y cómo evoluciona la expresión del vuelo a lo largo de este periodo. El vuelo de la figura humana es una invención, en la vida material no existe un referente real de este movimiento. A pesar de su conexión con el vuelo, la flotación y la ingravidez, no es identificable plenamente con ninguno de estos fenómenos dinámicos. Las posibilidades móviles que exhiben las figuras voladoras apoyan la idea de que su movimiento está alejado de las acciones cotidianas del ser humano: libertad total de trayectorias que contradice la realidad física, elasticidad y flexibilidad, movimiento constante y cambios en la naturaleza de su sustancia; además, se trata de un movimiento que parece transcurrir en un espacio-tiempo también específico. Su dinamismo es atractivo por su visualidad y también por las ideas que transmite, las cuales manifiestan una conexión con ideas de la angelología y de la mitología clásica. En la expresión del vuelo de cada estilo artístico se manifiestan los gustos e intereses del momento. En el Quattrocento tiene lugar el momento de cambio y surgen las características más significativas, que posteriormente se desarrollan. La presencia de figuras voladoras es progresivamente más abundante, sobre todo las representaciones de putti y querubines. Asimismo, desde el siglo XVI se consolida el simbolismo del vuelo como acercamiento al mundo espiritual y a la liberación física. En la fase final de este periodo, durante el Rococó, el vuelo es menos abundante, y la complejidad visual que había alcanzado se simplifica y serena. El proceso creativo para representar el vuelo se basa en la intuición como generadora de experiencias internas y sensoriales, la memoria visual y la invención; de todo ello encontramos, bajo otros términos, evidencias en los textos de la Edad Moderna. Además, el uso de información visual a partir de diversas acciones reales (tanto con modelos en movimiento como estáticos) y su transformación se trasluce en numerosas obras, especialmente en dibujos preparatorios. Los recursos dinámicos del lenguaje plástico se orientan a transmitir las características móviles de las figuras voladoras, principalmente acentuando su dinamismo y prolongando el tiempo de observación de la obra. En las pinturas cenitales, estos recursos se centran en el uso expresivo del espacio de representación, y con frecuencia, en generar la sensación de que las figuras voladoras forman parte de la realidad material del espectador, fusionando el mundo real y el de la fantasía, tanto a través del simbolismo como de la materia. El movimiento flotante de la figura humana no puede desligarse del contexto cultural italiano de la Edad Moderna, y en gran medida nuestro conocimiento del vuelo está definido por las representaciones de esta época. / [CAT] El vol de la figura humana es localitza, per les seues particularitats dinàmiques i abundància, en l'art de l'Edat Moderna, especialment en l'art italià. En un context en el qual la Física qüestiona les teories aristotèliques i s'inventen màquines voladores (que tenen una faceta fantàstica en la literatura), l'art plàstic desenvolupa un vol lliure de tots els obstacles terrenals que impedeixen a l'home elevar-se. En aquest treball ens preguntem com ha sigut configurat el vol de la figura humana en la plàstica (principalment la italiana) des del segle XV fins a la meitat del segle XVIII, quin és el procés de creació que permet donar imatge a aquest moviment que no existeix en la realitat externa, quins recursos plàstics participen en la seua expressió i com evoluciona l'expressió del vol al llarg d'aquest període. El vol de la figura humana és una invenció, en la vida material no existeix un referent real d'aquest moviment. Malgrat la seua connexió amb el vol, la flotació i la ingravitació, no és identificable plenament amb cap d'aquests fenòmens dinàmics. Les possibilitats mòbils que exhibeixen les figures voladores recolzen la idea que el seu moviment està allunyat de les accions quotidianes de l'ésser humà: llibertat total de trajectòries que contradiu la realitat física, elasticitat i flexibilitat, moviment constant i canvis en la naturalesa de la seua substància; a més, es tracta d'un moviment que sembla transcórrer en un espai-temps també específic. El seu dinamisme és atractiu per la seua visualitat i també per les idees que transmet, les quals manifesten una connexió amb idees de la angelologia i de la mitologia clàssica. En l'expressió del vol de cada estil artístic es manifesten els gustos i interessos del moment. En el Quattrocento té lloc el moment de canvi i sorgeixen les característiques més significatives, que posteriorment es desenvolupen. La presència de figures voladores és progressivament més abundant, sobretot les representacions de putti i querubins. Així mateix, des del segle XVI es consolida el simbolisme del vol com a acostament al món espiritual i a l'alliberament físic. En la fase final d'aquest període, durant el Rococó, el vol és menys abundant, i la complexitat visual que havia aconseguit se simplifica i serena. El procés creatiu per a representar el vol es basa en la intuïció com a generadora d'experiències internes i sensorials, la memòria visual i la invenció; de tot açò trobem, sota altres termes, evidències en els textos de l'Edat Moderna. A més, l'ús d'informació visual a partir de diverses accions reals (tant amb models en moviment com a estàtics) i la seua transformació es reconeix en nombroses obres, especialment en dibuixos preparatoris. Els recursos dinàmics del llenguatge plàstic s'orienten a transmetre les característiques mòbils de les figures voladores, principalment accentuant el seu dinamisme i perllongant el temps d'observació de l'obra. En les pintures zenitals, aquests recursos se centren en l'ús expressiu de l'espai de representació, i amb freqüència, a generar la sensació de que les figures voladores formen part de la realitat material de l'espectador, fusionant el món real i el de la fantasia, tant a través del simbolisme com de la matèria. El moviment flotant de la figura humana no pot deslligar-se del context cultural italià de l'Edat Moderna, i en gran manera el nostre coneixement del vol està definit per les representacions d'aquesta època. / Peris Medina, MC. (2016). La figura humana voladora en la Edad Moderna. Expresión de su movimiento en la plástica italiana [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/60153 / TESIS

El crecimiento industrial ha acarreado grandes avances tecnológicos para nuestra sociedad. Lamentablemente, el precio a pagar por estos avances ha sido un aumento significativo de los niveles de contaminación del aire en todo el mundo, afectando tanto a zonas urbanas como a las zonas rurales. Por lo general, la monitorización de la calidad aire se realiza mediante estaciones de monitorización fijas. Sin embargo, este método es demasiado costoso, poco escalable y difícil de implementar en nuestras ciudades, las cuales están cada vez más pobladas. El uso de Mobile CrowdSensing, paradigma en el cual la monitorización la realizan los propios usuarios, permite realizar monitorización ambiental utilizando sensores móviles integrados en vehículos. Los posibles escenarios se pueden dividir en dos: entornos urbanos, donde hay un amplio conjunto de vehículos disponibles, y entornos rurales o industriales, donde el tráfico vehicular es escaso y está limitado a las principales arterias de transporte. Teniendo en cuenta estos dos escenarios, esta tesis propone una arquitectura, llamada EcoSensor, que permite monitorizar la contaminación del aire utilizando pequeños sensores de bajo coste instalados en diferentes tipos de vehículos, tales como bicicletas, automóviles o autobuses del sistema de transporte público, en el caso de entornos urbanos, y en drones o UAS en entornos rurales. La arquitectura propuesta está compuesta por tres componentes: un sensor de bajo coste para capturar datos de contaminación, un smartphone para realizar un preprocesamiento de la información y para transmitir los datos hacia un servidor central, y el servidor central, encargado de almacenar y procesar la información de contaminación ambiental. Para entornos urbanos, analizamos diferentes alternativas con respecto al diseño de una unidad de monitorización de bajo coste basada en plataformas de prototipado comerciales como RaspberryPi o Arduino, junto con sensores también de precio reducido. En la tesis realizamos un análisis, y proponemos un proceso, para llevar a cabo la monitorización ambiental utilizando la arquitectura propuesta. Este proceso abarca cuatro operaciones básicas: captura de datos, conversión de unidades, reducción de la variabilidad temporal, e interpolación espacial. Para entornos rurales, proponemos el uso de drones como unidades de sensorización móviles. Específicamente, equipamos el drone con capacidades de monitorización a través de un microordenador RaspberryPi y sensores de calidad del aire de bajo coste. Finalmente, se propone un algoritmo llamado PdUC para controlar el vuelo del UAV con el objetivo de realizar monitorización ambiental, identificando las áreas más contaminadas, y tratando de ese modo de mejorar la precisión general y la velocidad de monitorización. Además, proponemos una mejora a este algoritmo, denominada PdUC-D, basada en la discretización del área a monitorizar dividiéndola en pequeñas áreas (tiles), donde cada tile se monitoriza una sola vez, evitando así realizar muestreos redundantes. En general, verificamos que la monitorización móvil es una aproximación eficiente y fiable para monitorizar la contaminación del aire en cualquier entorno, ya sea usando vehículos o bicicletas en entornos urbanos, o UAVs en entornos rurales. Con respecto al proceso de monitorización ambiental, validamos nuestra propuesta comparando los valores obtenidos por nuestros sensores móviles de bajo coste con respecto a los valores típicos de referencia ofrecidos por las estaciones de monitorización fijas para el mismo período y ubicación, comprobando que los resultados son semejantes, y están acuerdo a lo esperado. Además, demostramos que PdUC-D, permite guiar autónomamente un UAV en tareas de monitorización del aire, ofreciendo un mejor rendimiento que los modelos de movilidad típicos, reduciendo tanto los errores de predicción como el tiempo para cubrir el área completa, / Industrial growth has brought unforeseen technological advances to our society. Unfortunately, the price to pay for these advances has been an increase of the air pollution levels worldwide, affecting both urban and countryside areas. Typically, air pollution monitoring relies on fixed monitoring stations to carry out the pollution control. However, this method is too expensive, not scalable, and hard to implement in any city. The Mobile Crowdsensing (MCS) approach, a novel paradigm whereby users are in charge of performing monitoring tasks, allows environment monitoring to be made using small sensors embedded in mobile vehicles. The possible scenarios can be divided into two: urban scenarios, where a wide set of vehicles are available, and rural and industrial areas, where vehicular traffic is scarce and limited to the main transportation arteries. Considering these two scenarios, in this thesis we propose an architecture, called EcoSensor, to monitor the air pollution using small sensors installed in vehicles, such as bicycles, private cars, or the public transportation system, applicable to urban scenarios, and the use of an Unmanned Aerial System (UAS) in rural scenarios. Three main components compose our architecture: a low-cost sensor to capture pollution data, a smartphone to preprocess the pollution information and transmit the data towards a central server, and the central server, to store and process pollution information. For urban scenarios, we analyze different alternatives regarding the design of a low-cost sensing unit based on commercial prototyping platforms such as Raspberry Pi or Arduino, and Commercial Off-the-shelf (COTS) air quality sensors. Moreover, we analyze and propose a process to perform pollution monitoring using our architecture. This process encompasses four basic operations: data reading, unit conversion, time variability reduction, and spatial interpolation. For rural scenarios, we propose the use of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) as a mobile sensor. Specifically, we equip the UAV with sensing capabilities through a Raspberry Pi microcomputer and low-cost air quality sensors. Finally, we propose an algorithm, called Pollution-driven UAV Control (PdUC), to control the UAV flight for monitoring tasks by focusing on the most polluted areas, and thereby attempting to improve the overall accuracy while minimizing flight time. We then propose an improvement to this algorithm, called Discretized Pollution-driven UAV Control (PdUC-D), where we discretize the target area by splitting it into small tiles, where each tile is monitored only once, thereby avoiding redundant sampling. Overall, we found that mobile sensing is a good approach for monitoring air pollution in any environment, either by using vehicles or bicycles in urban scenarios, or an UAVs in rural scenarios. We validate our proposal by comparing obtained values by our mobile sensors against typical values reported by monitoring stations at the same time and location, showing that the results are right, matching the expected values with a low error. Moreover, we proved that PdUC-D, our protocol for the autonomous guidance of UAVs performing air monitoring tasks, has better performance than typical mobility models in terms of reducing the prediction errors and reducing the time to cover the whole area.Moreover, we analyze and propose a process to perform pollution monitoring using our architecture. This process encompasses four basic operations: data reading, unit conversion, time variability reduction, and spatial interpolation. / El creixement industrial ha implicat grans avanços tecnològics per a la nostra societat. Lamentablement, el preu que cal pagar per aquests avanços ha sigut un augment significatiu dels nivells de contaminació de l'aire a tot el món, que afecta tant zones urbanes com zones rurals. En general, el monitoratge de la qualitat aire es fa mitjançant estacions de monitoratge fixes. No obstant això, aquest mètode és massa costós, poc escalable i difícil d'implementar a les nostres ciutats, les quals estan cada vegada més poblades. L'ús de Mobile CrowdSensing (MCS), paradigma en el qual el monitoratge el duen a terme els mateixos usuaris, permet realitzar monitorització ambiental tenint sensors mòbils integrats en vehicles. Els possibles escenaris es poden dividir en dos: entorns urbans, on hi ha un ampli conjunt de vehicles disponibles, i entorns rurals o industrials, on el trànsit vehicular és escàs i està limitat a les principals artèries de transport. Tenint en compte aquests dos escenaris, aquesta tesi proposa una arquitectura, anomenada EcoSensor, que permet monitorar la contaminació de l'aire utilitzant petits sensors de baix cost instal·lats en diferents tipus de vehicles, com ara bicicletes, automòbils o autobusos del sistema de transport públic, en el cas d'entorns urbans, i en UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) en entorns rurals. L'arquitectura proposada està composta per tres components: un sensor de baix cost per a capturar dades de contaminació, un smartphone per a realitzar un preprocessament de la informació i per a transmetre les dades cap a un servidor central, i el servidor central, encarregat d'emmagatzemar i processar la informació de contaminació ambiental. Per a entorns urbans, analitzem diferents alternatives pel que fa al disseny d'una unitat de monitoratge (sensor mòbil) de baix cost basada en plataformes de prototipatge comercials com Raspberry Pi o Arduino, juntament amb sensors també de preu reduït. En la tesi fem una anàlisi, i proposem un procés, per a dur a terme el monitoratge ambiental utilitzant l'arquitectura proposada. Aquest procés abasta quatre operacions bàsiques: captura de dades, conversió d'unitats, reducció de la variabilitat temporal, i interpolació espacial. Per a entorns rurals, proposem l'ús de drons o Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) com a unitats de sensorització mòbils. Específicament, equipem el dron amb capacitats de monitoratge a través d'un microordinador Raspberry Pi i sensors de qualitat de l'aire de baix cost. Finalment, es proposa un algorisme anomenat PdUC (Pollution-driven UAV Control) per a controlar el vol del UAV amb l'objectiu de realitzar monitoratge ambiental, que identifica les àrees més contaminades i que, d'aquesta manera, tracta de millorar la precisió general i la velocitat de monitoratge. A més, proposem una millora a aquest algorisme, denominada PdUC-D, basada en la discretització de l'àrea a monitorar dividint-la en xicotetes àrees (tiles), on cada tile es monitora una sola vegada, fet que evita dur a terme mostrejos redundants. En general, verifiquem que el monitoratge mòbil és una aproximació eficient i fiable per a monitorar la contaminació de l'aire en qualsevol entorn, ja siga usant vehicles o bicicletes en entorns urbans, o UAVs en entorns rurals. Pel que fa al procés de monitoratge ambiental, validem la nostra proposta comparant els valors obtinguts pels nostres sensors mòbils de baix cost pel que fa als valors típics de referència oferits per les estacions de monitoratge fixes per al mateix període i ubicació, i es comprova que els resultats són semblants, i estan d'acord amb el resultat esperat. A més, es demostra que PdUC-D permet guiar autònomament un UAV en tasques de monitoratge de l'aire, oferint un millor rendiment que els models de mobilitat típics, reduint tant els errors de predicció com el temps per a cobrir l'àrea completa, i aconseguint una major precisió dins de les àrees més / Alvear Alvear, ÓP. (2018). Mobile Sensing Architecture for Air Pollution Monitoring [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107928 / TESIS

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

En este proyecto se realizó el diseño mecánico de una cabina para el desarrollo de un simulador de vuelo. El simulador de vuelo consiste en un sistema que emule los movimientos de una aeronave y el manejo de ésta por parte de un piloto. Para ello, se planteó desarrollar un mecanismo paralelo de 6 GDL para emular los movimientos de la aeronave y diseñar una cabina en el que se encuentre el piloto y desde el cual éste pueda interactuar con el simulador. El diseño de la cabina se llevó a cabo siguiendo la metodología que se da en la norma VDI 2225, para lo cual se plantearon diferentes alternativas que permitieron seleccionar los componentes que debe de haber en la cabina para el entrenamiento del piloto. De acuerdo con los componentes seleccionados se realizó el diseño de los soportes necesarios, los cuales consistieron en un soporte para los monitores del sistema visual y un panel de instrumentos. Los cálculos de resistencia de la cabina se realizaron analíticamente usando modelos matemáticos simplificados y con la ayuda de un software de elementos finitos. Se realizaron los cálculos de esfuerzos de la cabina desde un sistema de referencia no inercial debido al movimiento acelerado de la cabina, en el que fue necesario agregar las fuerzas y momentos inerciales. El cálculo por elementos finitos se realizó usando el software ANSYS. De esta manera se determinó que los esfuerzos en la cabina debido a las aceleraciones máximas dadas por el mecanismo paralelo son menores a los admisibles, por lo que no fallará para estas condiciones de trabajo. Se decidió usar plástico reforzado en fibra de vidrio como material de la cabina. Este es un material compuesto cuyas propiedades mecánicas se determinaron usando la norma británica BS 4994. Por otra parte, los soportes serán hechos de acero estructural ASTM A36. Finalmente se realizó una estimación de costos de la cabina en el que el costo total resultó S/.12,727.