Ingeniero Civil Químico / El modelamiento atómico propuesto en este trabajo es un modelo discreto de la semi-reacción de oxidación de hierro. en el. Para probar el modelo y obtener resultados por medio de simulaciones computacionales se eligió la cinética del proceso de corrosión por deposición de cobre; reportada en la literatura como de primer orden en relación a la concentración de cobre cúprico en la solución acuosa. Por medio de un conteo de átomos reaccionantes se obtuvieron los valores de las concentraciones de iones, valores que fueron introducidos en la ecuación cinética de la reacción para obtener en el tiempo transcurrido. Las variables manipuladas durante las simulaciones fueron: temperatura y iones presentes en solución a tiempo 0 (tanto de hierro como de cobre) y volumen de solución, el cual se supuso constante a lo largo de la reacción. Los valores elegidos para los distintos parámetros son consecuencia directa de las limitaciones computacionales que presenta el utilizar un computador personal. Entre los resultados se obtuvo una respuesta inicial de alto orden aparente, como consecuencia de la dependencia de la oxidación con la superficie de hierro disponible, que se observó aumenta inicialmente para luego reducirse a medida que avanza la reacción más allá del punto de máxima superficie disponible. Este resultado es de gran importancia pues muestra como los modelos que evalúan el número de átomos que reaccionan a lo largo del tiempo pueden dar cuenta de fenómenos explicables pero que habitualmente no se modelan (un primer orden es imposible en la naturaleza ya que tiene derivada infinito en tiempo cero). Esta primera versión de este método de modelamiento se aplicó a la semi reacción de oxidación de hierro con dos propuestas de modelo de cristalización, y se consideró con precisión la semi-reacción de reducción de cobre cúprico en solución, que en el caso de una cementación se formaría sobre el hierro, modificando la disponibilidad de área reaccionante: en este sentido, el modelamiento es pertinente a una corrosión más que al proceso mismo de cementación. Tampoco se incluyó la difusión de iones ferrosos desde el sitio de reacción al seno de la solución; suponiéndose que esta fuese instantánea. Dentro de las limitaciones de esta hipótesis, se concluyó que el simulador desarrollado fue capaz de incorporar distintos fenómenos, desde la base científica teórica, en la forma de modelos icónicos, para obtener explicaciones gráficas contrastables con resultados experimentales. Se espera que con los avances en cuanto a las capacidades computacionales este método de simulación sea útil en el modelamiento de sistemas más grandes.

Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias, Mención Computación / La detección de colisiones ha sido un tópico de extenso estudio en computación gráfica y geometría computacional. Sus campos de aplicación incluyen la robótica, biología computacional, juegos, y simulaciones en cirugía, física y biología. Un entorno real complejo para la detección de colisiones corresponde a imágenes biomédicas y astronómicas: imágenes en series de tiempo, de gran tamaño, a veces con gran cantidad de objetos, que se mueven y se deforman, y que pueden aparecer o desaparecer de la escena, o experimentar autocolisiones, aspectos que pueden hacer la detección de colisiones un trabajo demasiado lento de calcular sin las estrategias apropiadas. Este trabajo realiza un contraste entre dos enfoques de detección de colisiones de fase amplia en 2D+tiempo: usando los métodos estáticos sweep and prune directo, que funcionan cuadro a cuadro, y el método sweep and prune incremental, que mantiene las estructuras a lo largo de la simulación, contra el enfoque cinético del algoritmo sweep and prune cinético. Ambos enfoques fueron probados en simulaciones de objetos con movimiento rectilíneo en direcciones aleatorias. La comparación se hizo siguiendo los lineamientos de experimentación en algoritmos establecidos por Moret [26] respecto a qué parámetros es pertinente medir, las diez sugerencias de Johnson [22] para realizar un experimento con algoritmos y las sugerencias de Sanders [31] para mostrar los resultados en forma de gráficos. Los resultados muestran que el uso del algoritmo sweep and prune cinético es un orden de magnitud más rápido que los algoritmos sweep and prune estáticos en simulaciones que involucran una distribución aleatoria de objetos en movimiento, sin importar la densidad de objetos en la simulación. También se estudia el efecto de colisiones múltiples dentro de las simulaciones, un suceso que no fue investigado por Coming & Staad [11]. Esto permite hacer sugerencias sobre las instancias en las que un algoritmo es más apropiado que otro.

Magíster en Ciencias, Mención Astronomía / Mediante la inspección de un conjunto espectroscópicamente completo de 70 galaxias de secuencia roja del cumulo de Coma, de las cuales un alto porcentaje (~75%) se encuentran ubicadas a una distancia inferior a 0.2R_200 (~0.5 Mpc) del centro del cúmulo, estudiamos el nivel de actividad de interacciones galácticas entre galaxias con bajo contenido de gas, utilizando datos del Coma Treasury Survey obtenidos con el Telescopio Espacial Hubble. La estimación de la actividad de interacciones se realiza a partir de la fracción de galaxias involucradas en pares. Identificamos 5 pares y un sistema triple, para un total de 13 galaxias, basados en los limites de distancia proyectada y diferencia en velocidad radial. De estos sistemas, ninguno muestra signos de interacción reciente por lo que ninguno es identificado como una colisión de galaxias en curso. Este resultado nos permite establecer un limite superior para la taza de interacciones de galaxias de bajo contenido en gas de un 1.5% por Gyr, lo que se condice con las bajas tazas de interacción esperadas para los cúmulos en su estado evolutivo actual. Una inspección detallada de las imágenes de todas las galaxias de secuencia roja en nuestro conjunto revela que solo una galaxia muestra signos identificados a un limite en brillo superficial de 26.5 mag/arcosegundo^2, indicadores de una interacción recientemente producida, lo que implica una fracción de galaxias perturbadas recientemente menor a un 2%.

Esta tesis doctoral refiere al estudio de colisiones inelásticas entre iones y blancos de interés biológico, en un rango intermedio y alto de energías de impacto. Uno de los mayores desafíos del presente trabajo fue incorporar la correlación electrónica de manera explícita durante todo el proceso de colisión. Es por ello que la metodología elegida para realizar este estudio fue el Método de Trayectorias Clásicas Monte Carlo (CTMC), en la cuál es factible introducir de manera parcial la correlación electrón-electrón en sistemas multielectrónicos y, en consecuencia, determinar el papel que desempeña esta interacción en los procesos de remoción electrónica múltiple, tales como la ionización múltiple o la ionización con transferencia de carga. Sin embargo, una de las mayores limitaciones que presenta un tratamiento clásico es la autoionización de manera espuria de un blanco multielectrónico por efecto de la correlación electrónica. Para evitar este problema, en una primera etapa, se han implementado extensiones del método CTMC en colisiones de iones sobre He, a fin de evaluar el desempeño de distintos potenciales estabilizadores propuestos en la literatura. En función de la experiencia adquirida, se procedió a modelar colisiones de iones sobre moléculas de H2O. Este modelo se destaca por el hecho de que considera los electrones de valencia, así como también su estructura de equilibrio durante todo el proceso de colisión. Los resultados obtenidos han permitido analizar el rol que desempeña el proceso de ionización múltiple en la producción electrónica, y han servido de base para modelar colisiones con sistemas de interés en hadronterapia, como puede ser el caso de la molécula de uracilo. Las predicciones producidas por estos modelos para los procesos de ionización se han evaluado en términos de secciones eficaces a niveles total y diferencial (tanto simple como doble) y se han contrastado con los datos experimentales y resultados teóricos reportados en la literatura. / This work refers to the study of inelastic collisions between ions and biological targets, at an intermediate to high-impact energy range. One of the greatest challenges of this work was to explicitly incorporate the interelectronic correlation throughout the collision process. Therefore, the methodology chosen to perform this study was the Classical Trajectory Monte Carlo method (CTMC), in which it is possible to partially introduce electron-electron correlation in multi-electronic systems and, consequently, determine the role that this interaction plays in multiple electron removal processes, such as multiple ionization or transfer ionization. However, one of the greatest limitations of a classical treatment is the spu- rious autoionization of a multi-electronic target due to electronic correlation. To avoid this problem, in the first stage, extensions of the CTMC method have been implemented in ion-He collisions to evaluate the performance of different stabilizing potentials proposed in the literature. Based on the acquired experience, ion-H2O collisions were modeled. This model stands out because it considers valence electrons, as well as their equi- librium structure throughout the collision process. The obtained results have allowed us to analyze the role played by the multiple ionization processes in electronic production and have served as the basis for modeling collisions with systems of interest in hadrontherapy, such as the uracil molecule. The predictions produced by these models of the ionization processes have been evaluated in terms of total and differential cross sections (simple and double) and they have been compared to experimental data and theoretical results reported in the literature.

En esta tesis, se han desarrollado diversos estudios de captura electrónica por iones colisionando sobre atómos y moléculas bajo el método de trayectorias clásicas Monte Carlo (CTMC). El objetivo central del trabajo consistió en mejorar la descripción del blanco, ya que se ha demostrado en la literatura que una correcta descripción del blanco es importante a la hora de obtener secciones eficaces precisas. El estudio se ha enfocado en procesos de captura electrónica selectiva para el rango de energías bajas e intermedias de colisión. Se calcularon las secciones eficaces totales, las secciones eficaces de captura electrónica selectiva y las secciones eficaces de líneas de emisión fotónica que provienen del decaimiento radiativo que le siguen a los procesos de captura electrónica a estados excitados del proyectil. Las investigaciones realizadas son relevantes desde el punto de vista de lograr un mejor entendimiento de los mecanismos físicos que median en los procesos de colisiones, principalmente en el canal de captura electrónica. Asimismo, las secciones eficaces calculadas son una herramienta necesaria en diversas áreas de la física aplicada. Las secciones eficaces calculadas en esta tesis tienen especial relevancia en el diagnóstico de plasma en los reactores de energía por fusión y en astrofísica, puntualmente en colisiones entre los iones del viento solar y los gases en la coma de cometas o en atmósferas planetarias. Se presentan secciones eficaces totales de intercambio de carga y secciones eficaces de captura a estados selectivos y se comparan con las obtenidas por diferentes métodos teóricos, así como con datos experimentales presentados por de diferentes laboratorios del mundo. / In this thesis, electron capture processes in ion collisions with atoms and molecules have been studied by means of the classical trajectory Monte Carlo (CTMC) method. The main objective of this work was to improve the description of target, provided that a correct description of the target has shown to be essential in order to obtain accurate cross sections. The study has been focused on state–selective electron–capture processes for low to intermediate impact energies. Present calculations involve total cross sections, state–selective cross sections and photon– emission–lines cross sections which originate in the radiative decay that follow electron capture to excited states of the projectile. The investigations carried out are relevant in order to identify the physical mechanisms which mediate collisions processes leading to electron capture channel. Besides, theoretical cross sections are a necessary tool for applied physics. The cross sections calculated in this thesis are relevant to plasma diagnostics in fusion power reactors and in astrophysics, specifically in collisions between solar wind ions and cometary particles and planetary atmospheres. Total and state–selective charge–exchange cross sections are presented and compared to those obtained by other different theoretical methods as well as to experimental data from different laboratories worldwide.

The upgrade program of the Large Hadron Collider (LHC) was implemented during the second Long Shutdown program (2019/2020). For this program, the ALICE Collaboration (A Large Ion Collider Experiment) proposed, among others, a new detector called Muon Forward Tracker (MFT). The primary goal of the MFT detector, installed on December 2021 and located between the Inner Tracker System (ITS) and the Muon Spectrometer, is to improve the capability of vertex reconstruction. The MFT is equipped with the same pixel sensors used for the ITS upgrade. These sensors are the ALICE Pixel Detectors (ALPIDE), a kind of monolithic active pixel sensor. The MFT is composed of five arrays of pixel sensors which are configured as parallel discs covering −3.6 < η < −2.45. Some prototypes were designed in order to achieve the final version of the ALPIDE, such as the pALPIDE family, which was divided into three versions (i.e., pALPIDE-1,2,3). The ALICE upgrade also included a new system for the data taking and simulation called Online-offline (O2) to replace AliRoot. We designed the geometry of two non-active parts of the MFT and included them in the O2 system. The first goal of this thesis is focused on the characterization of the pALPIDE-2. This sensor is segmented into four groups corresponding to four types of pixels. This characterization includes the test of analogue and digital. According to these tests, we identified a group of pixels that do not work correctly. The threshold scan tests showed the threshold level in each pixel is influenced by the input capacitance according to its n-well size and the surrounding area. Also, we studied the response of the pALPIDE-2 when it was exposed to a soft x-ray source, varying the distance between them. This test showed that the hit count changed according to the inverse square of the distance. iv The second goal of this thesis was to implement a low-cost tool based on a CMOS sensor to characterize laser beams. This tool comprises a Raspberry, a Pi Camera with a pitch size of 1.4 µm, and an optical system. To test the accuracy of the results of this tool, we made similar measurements with other sensors. A photodiode and a light-dependent resistor performed these measurements, which showed the spot radius size compatibility. However, the CMOS sensor expressed the highest precision and is a more affordable tool than commercial devices.

[EN] The efficiency of free-collision motion planning results very sensible on robot and obstacle modelling technique selected. In this way, many works have been oriented to define models with proper throughput to speed up the collision detection proccess. This dissertation presents a new approach to the problem, whose complexity is reduced notably by means of using enveloping models of real objects, allowing security regions or distances. This objective is reached by means of the definition of a spherical model, composed of infinite spheres, generated from the application of linear or polynomial equations to a reduced number of control spheres, giving the so-called poly-spheres and spheroids respectively. These models, with evident simplicity, present a high modelling power, adapt easily to the requirements need in collision-detection and path planning applications for robotics systems. In order to represent a complete multi-robot cell, an extended hierarchical structure has been defined, in form of an AND-OR graph, with different degrees of accuracy, according to the different approximation model used. In order to generate automatically this structure, a procedure has been developed to compute the minimum volume enveloping spherical model in an off-line process with two levels based on Downhill Simplex method and Hough transform. This procedure can be greatly speed up by using clustering techniques to obtain appropiate initial conditions, allowing an on-line use. With a hierarchical structure computed in such a way, a fast procedure for collision detection in a multi-robot cell is introduced, based on several algorithms for distance computation including polyspheres and spheroids. This methodology presents a fast and anticipativa response, in the sense that every movement of a system has been validated before its execution, implying that not necessarily must be done in an off-line simulation. The use of spherical models, in addition to their fast distance computation, results suitable for the definition of artificial potential fields allowing a path planning in robotics systems with up to six degrees of freedom, including three for translation and three for rotation. The definition of these new potential fields and the study of new planning techniques based on classical optimisation methods allow their application straight forward in Cartesian space, with all their advantages. Last but not least, with the help of some systems for robot programming, simulation and control, the correctness of these contributions have been validated in a set of prototype applications, covering from robot-obstacle and multi-robot collision detection, to motion planning for a robot-arm or an auto-guided vehicle. / [ES] La eficiencia de la planificación de movimientos libres de colisión resulta muy sensible al modelado de los robots y obstáculos que se consideren, por lo que, frente al modelado tradicional con politopos, muchos trabajos en robótica han estado orientados a la definición de unos modelos que presenten buenas prestaciones de cara a acelerar el proceso de detección de colisiones. En esta Tesis se presenta una nueva perspectiva del problema, cuya complejidad queda reducida notablemente al utilizar envolventes de los objetos reales, lo que permite definir zonas o distancias de seguridad. Para ello se han definido unos modelos esféricos, compuestos de infinitas esferas generadas a partir de la aplicación de unas relaciones lineales o polinómicas a un número reducido de esferas de control, dando lugar a las llamadas poli-esferas y esferoides respectivamente. Estos modelos, de sencillez clara, presentan una potencia de modelado elevada, adaptándose fácilmente a los requisitos necesarios en las aplicaciones de detección de colisiones y planificación de movimientos en sistemas robotizados. Para la representación de una célula multi-robot completa, se ha definido una estructura jerárquica extendida, en forma de grafo AND-OR, con diferentes grados de precisión, mediante diferentes modelos de aproximación. De cara a generar automáticamente esta estructura, se ha desarrollado un procedimiento para generar el modelo esférico envolvente de mínimo volumen en un proceso off-line con dos niveles, basados en el método de minimización Downhill Simplex y en la transformada de Hough. Este procedimiento se acelera enormemente al utilizar técnicas de agrupamiento para obtener condiciones iniciales apropiadas, permitiendo su uso on-line. Con una estructura jerárquica generada de esta forma, se introduce un procedimiento rápido de detección de colisiones aplicable a una célula multi-robot, basado en algoritmos básicos de cálculo de distancias que pueden considerar poli-esferas y esferoides. Esta metodología presenta una respuesta rápida y anticipativa, entendiendo por tal que todo movimiento de cualquier sistema ha sido validado antes de su ejecución, por lo que no necesariamente debe realizarse en una simulación off-line. La utilización de modelos esféricos, así como el rápido cálculo de distancias entre ellos, resulta idónea para la definición de campos potenciales artificiales que permitan una planificación de movimientos en sistemas robotizados con hasta seis grados de libertad, incluyendo tres de traslación y tres de rotación. La definición de estos nuevos campos potenciales y el estudio de nuevas técnicas de planificación basados en métodos clásicos de optimización permiten su aplicación directamente en el espacio cartesiano, con las claras ventajas que esto conlleva. Finalmente, con la ayuda de varios sistemas de programación, simulación y control de robots, se ha demostrado la validez de estas aportaciones en una serie de aplicaciones prototipo que van desde la detección de colisiones de un robot con un obstáculo o entre sistemas multi-robot, a la planificación de movimientos de un brazo-robot o un vehículo autoguiado. / Mellado Arteche, M. (1996). Modelado, detección de colisiones y planificación de movimientos en sistemas robotizados mediante volúmenes esféricos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/56621

[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]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/147857

Este trabajo se ha realizado ante el importante problema que supone los accidentes en todos los países del mundo. El objetivo primario ha sido el estudio de los accidentes domésticos y de ocio en la población en general, y proyectado sobre el conjunto de individuos accidentados que acudieron al Servicio de Urgencias del Hospital Nacional Marqués de Valdecilla en el periodo mencionado (36.388 accidentados, de ellos 18.951 varones y 17.437 mujeres). En la recogida de datos , se utilizó un modelo de ficha en la que figuraban las siguientes variables: -Fecha de tratamiento (año, mes, día), -Hora de asistencia, -Número de días de hospitalización, -Tratamiento y cuidados posteriores, -Edad del accidentado, -Sexo, -Mecánica del accidente, -Lugar del accidente, -Actividad realizada, -Diagnóstico de lesiones, -Parte del cuerpo afectada, -Producto implicado en el accidente, -Producto causante, -Descripción del accidente. Se estudiaron las distintas variables y la interacción entre ellas, para tener un conocimiento profundo de la realidad de los accidentes domésticos y de ocio. Estos accidentes originaron una gran demanda asistencial de urgencia, gran número de hospitalizaciones y estancias, así como de control sanitario en los centros de zona, ocasionando sufrimiento humano y gran carga económica. De este estudio se infiere el distinto papel que desarrolla cada sexo en la sociedad, a pesar de la igualdad teórica reconocida. Una vez estudiados estos accidentes nos permite sentar las bases para su prevención, y debido a que sobre ellos inciden gran número de variables, las medidas preventivas deben ser multifactoriales y factibles. / This work was made because of the important problem that these accidents suppose on all over the world.The primary aim was the study of the domestic and leisure accidents on the population in general, and as well as the inclusion of all the injured people who came to the National Marqués de Valdecilla Hospital Emergency Service, during the mentioned period (36,388 injured persons, 18,951 of them were men, and the remaining 14,437 were women).To gather information was used a standard form in which the following variables appeared:-Date of treatment (year, month, day).-Hour of attendance.-Number of days they stayed in the Hospital.-Treatment and following cares.-Age of injured person.-Sex.-Mechanics pertaining to the accident of the injured person.-Place where the accident took place.-Activity done when the accident took place.-Injury diagnosis.-Part of the body affected.-Product involved in the accident.-Causing product.-Description of the accident.Different variables and the reciprocal influence between them were studied, in order to have a profound knowledge of the reality in the domestic and leisure accidents. These accidents originated a great demand in urgent attendance, a great number of hospitations and stays, as well as the health control in local centres. All of this causes human suffering and as well as a great economical cost.From this study you can conclude the different role that is allotted to each sex in the Society, in spite of the theoretical equality accepted of both sexes. Once we have studied the accidents, this allowed us to stablish the rules in order to take precautions against them. Due to the great number of variables that affect them, the preventive measures must be multifactorial and feasible.

In the last decades, significant theoretical advances have been made on the field of distributed mulit-agent control theory. One of the most common systems that can be modelled as multi-agent systems are the so called formation control problems, in which a network of mobile agents is controlled to move towards a desired final formation. These problems additionally pose practical challenges, namely limited access to information about the global state of the system, which justify the use distributed and localized approaches for solving the control problem. The problem is further complicated if partial or no information is known about the dynamic model of the system. A widely used fundamental challenge of this approach in this setting is that the state-action space size scales exponentially with the number of agents, rendering the problem intractable for a large networks. This thesis presents a scalable and localized reinforcement learning approach to a traditional multi-agent formation control problem, with collision avoidance. A scalable reinforcement learning advantage actor critic algorithm is presented, based on previous work in the literature. Sub-optimal bounds are calculated for the accumulated reward and policy gradient localized approximations. The algorithm is tested on a two dimensional setting, with a network of mobile agents following simple integrator dynamics and stochastic localized policies. Neural networks are used to approximate the continuous value functions and policies. The formation control with collisions avoidance formulation and the algorithm presented show good scalability properties, with a polynomial increase in the number of function approximations parameters with number of agents. The reduced number of parameters decreases learning time for bigger networks, although the efficiency of computation is decreased compared to state of the art machine learning implementations. The policies obtained achieve probably safe trajectories although the lack of dynamic model makes it impossible to guarantee safety. / Under de senaste decennierna har betydande framsteg gjorts inom området för distribuerad mulit-agent reglerteori. Ett av de vanligaste systemen som kan modelleras som multiagentsystem är de så kallade formationskontrollproblemen, där ett nätverk av mobila agenter styrs för att röra sig mot en önskad slutlig formation. om systemets globala tillstånd, vilket motiverar användningen av distribuerade och lokaliserade tillvägagångssätt för att lösa det reglertekniska problemet. Problemet kompliceras ytterligare om delvis eller ingen information är känd om systemets dynamiska modell. Ett allmänt använt tillvägagångssätt för modellfri kontroll är reinforcement learning (RL). En grundläggande utmaning med detta tillvägagångssätt i den här miljön är att storleken på state-action utrymmet skalas exponentiellt med antalet agenter, vilket gör problemet svårlöst för ett stort nätverk. Detta examensarbete presenterar en skalbar och lokaliserad reinforcement learning metod på ett traditionellt reglertekniskt problem med flera agenter, med kollisionsundvikande. En reinforcement learning advantage actor critic algoritm presenteras, baserad på tidigare arbete i litteraturen. Suboptimala gränser beräknas för den ackumulerade belönings- och policygradientens lokaliserade approximationer. Algoritmen testas i en tvådimensionell miljö, med ett nätverk av mobila agenter som följer enkel integratordynamik och stokastiska lokaliserade policyer. Neurala nätverk används för att approximera de kontinuerliga värdefunktionerna och policyerna. Den presenterade formationsstyrningen med kollisionsundvikande formulering och algoritmen visar goda skalbarhetsegenskaper, med en polynomisk ökning av antalet funktionsapproximationsparametrar med antalet agenter. Det minskade antalet parametrar minskar inlärningstiden för större nätverk, även om effektiviteten i beräkningen minskar jämfört med avancerade maskininlärningsimplementeringar. De erhållna policyerna uppnår troligen säkra banor även om avsaknaden av dynamisk modell gör det omöjligt att garantera säkerheten. / En las últimas décadas, se han realizado importantes avances teóricos en el campo de la teoría del control multiagente distribuido. Uno de los sistemas más comunes que se pueden modelar como sistemas multiagente son los llamados problemas de control de formación, en los que se controla una red de agentes móviles para alcanzar una formación final deseada. Estos problemas plantean desafíos prácticos como el acceso limitado a la información del estado global del sistema, que justifican el uso de algoritmos distribuidos y locales para resolver el problema de control. El problema se complica aún más si solo se conoce información parcial o nada sobre el modelo dinámico del sistema. Un enfoque ampliamente utilizado para el control sin conocimiento del modelo dinámico es el reinforcement learning (RL). Un desafío fundamental de este método en este entorno es que el tamaño de la acción y el estado aumenta exponencialmente con la cantidad de agentes, lo que hace que el problema sea intratable para una red grande. Esta tesis presenta un algoritmo de RL escalable y local para un problema tradicional de control de formación con múltiples agentes, con prevención de colisiones. Se presenta un algoritmo “advantage actor-”critic, basado en trabajos previos en la literatura. Los límites subóptimos se calculan para las aproximaciones locales de la función Q y gradiente de la política. El algoritmo se prueba en un entorno bidimensional, con una red de agentes móviles que siguen una dinámica de integrador simple y políticas estocásticas localizadas. Redes neuronales se utilizan para aproximar las funciones y políticas de valor continuo. La formulación de del problema de formación con prevención de colisiones y el algoritmo presentado muestran buenas propiedades de escalabilidad, con un aumento polinómico en el número de parámetros con el número de agentes. El número reducido de parámetros disminuye el tiempo de aprendizaje para redes más grandes, aunque la eficiencia de la computación disminuye en comparación con las implementaciones de ML de última generación. Las politicas obtenidas alcanzan trayectorias probablemente seguras, aunque la falta de un modelo dinámico hace imposible garantizar la completa prevención de colisiones. / A les darreres dècades, s'han realitzat importants avenços teòrics en el camp de la teoria del control multiagent distribuït. Un dels sistemes més comuns que es poden modelar com a sistemes multiagent són els anomenats problemes de control de formació, en els què es controla una xarxa d'agents mòbils per assolir una formació final desitjada. Aquests problemes plantegen reptes pràctics com l'accés limitat a la informació de l'estat global del sistema, que justifiquen l'ús d'algorismes distribuïts i locals per resoldre el problema de control. El problema es complica encara més si només es coneix informació parcial sobre el model dinàmic del sistema. Un mètode àmpliament utilitzat per al control sense coneixement del model dinàmic és el reinforcement learning (RL). Un repte fonamental d'aquest mètode en aquest entorn és que la mida de l'acció i l'estat augmenta exponencialment amb la quantitat d'agents, cosa que fa que el problema sigui intractable per a una xarxa gran. Aquesta tesi presenta un algorisme de RL escalable i local per a un problema tradicional de control de formació amb múltiples agents, amb prevenció de col·lisions. Es presenta un algorisme “advantage actor-”critic, basat en treballs previs a la literatura. Els límits subòptims es calculen per a les aproximacions locals de la funció Q i gradient de la política.’ Lalgoritme es prova en un entorn bidimensional, amb una xarxa ’dagents mòbils que segueixen una dinàmica ’dintegrador simple i polítiques estocàstiques localitzades. Xarxes neuronals s'utilitzen per aproximar les funcions i les polítiques de valor continu. La formulació del problema de formació amb prevenció de col·lisions i l'algorisme presentat mostren bones propietats d'escalabilitat, amb un augment polinòmic en el nombre de paràmetres amb el nombre d'agents. El nombre reduït de paràmetres disminueix el temps d'aprenentatge per a les xarxes més grans, encara que l'eficiència de la computació disminueix en comparació amb les implementacions de ML d'última generació. Les polítiques obtingudes aconsegueixen trajectòries probablement segures, tot i que la manca d'un model dinàmic fa impossible garantir la prevenció completa de col·lisions.