Controllo predittivo distribuito per la navigazione e il sensing di sistemi multi-agente

In recent years, thanks to technological advances in the fields of robotics and automatic control, researchers have developed systems of cooperating fl eets of mobile agents designed to carry out coordination, inspection, patrol operation, in hostile or not easily accessible environments. For the management of these systems it is essential to use distributed control techniques ensuring robustness and high performances in order to reach a given common goal. The purpose of this thesis is to provide a logical and control structure that is able to meet the requirement mentioned above, also for diff erent applications and problems related to the management of mobile agents. To this regard, in Chapter 1, it will be presented the experimental apparatus composed by a small fl eet of mobile agents and the techniques used for the sensinsg and estimation of the state of the robots. In Chapter 2, the strategies for the planning and path tracking for mobile agents will be discussed. Then, in Chapter 3, it will be demostrated how an adequate logical architecture, cooperating with a predictive and distributed control structure, presented in Chapter 4, allows to reach the desired goals. Particular attention will be paid to algorithms that allow the management of obstacle and collision avoidance, either through the use of appropriate constraints introduced in a suitable optimization problem, Chapter 5, or by algebraic laws based on the de nition of arti cial potential fi elds, Chapter 6. In Chapter 7, the problem of coverage for the measure of a specifi c area will also be tackled. In addition, the various control laws that allow the resolution of the addressed problems will be described, focusing mainly on the need to compute the control actions in the limited computational time available, thereby ful lling a hard technological constraint in the handling of the robot. All the proposed control algorithms will then be validated and tested on a benchmark consisting of a set of three real mobile agents. In Chapter 8 the results obtained will be summarized and possible future developments will be presented. Finally, in the Appendix A the fi rmware loaded on the microcontroller within each agent will be described.

Grazie al progresso tecnologico degli ultimi anni nei campi della robotica e dei controlli automatici è stato possibile sviluppare sistemi formati da flotte cooperanti di agenti mobili autonomi atti a svolgere azioni di coordinamento, ispezione, pattugliamento anche in ambienti ostili o non facilmente accessibili. Per la gestione di questi sistemi è indispensabile poter disporre di tecniche di controllo di tipo distribuito in grado di garantire prestazioni robuste e il più possibile performanti, al fi ne di raggiungere un determinato obiettivo comune. Lo scopo della tesi è quello di fornire una struttura logica e di controllo in grado di soddisfare le richieste appena citate per la soluzione di di differenti problemi e applicazioni inerenti alla gestione di agenti mobili. A tale proposito nel Capitolo 1, verranno presentati l'apparato sperimentale costituito da una piccola flotta di robot autonomi a uniciclo e le tecniche utilizzate per l'acquisizione della posizione degli agenti. Saranno poi illustrate, nel Capitolo 2, le strategie atte alla pianifi cazione e all'inseguimento della traiettoria per robot mobili. Successivamente, nel Capitolo 3, si mostrerà un'adeguata architettura logica che, cooperando opportunamente con una struttura di controllo predittivo e distribuito, presentata nel Capitolo 4, permetterà di raggiungere gli obiettivi prefi ssati. Particolare attenzione sarà poi dedicata alla presentazione degli algoritmi che permettono la soluzione dei problemi di obstacle e collision avoidance sia attraverso l'utilizzo di opportuni vincoli introdotti nel problema di ottimizzazione, come mostrato nel Capitolo 5, sia tramite leggi algebriche basate sull'ausilio di potenziali arti ficiali, come illustrato nel Capitolo 6. Verrà inoltre analizzato, nel Capitolo 7, il problema di coverage per il rilevamento di una determinata area. Durante la trattazione saranno descritte tutte le varie leggi di controllo che permettono la risoluzione dei problemi affrontati, focalizzandosi principalmente sulla necessità di calcolare le azioni di controllo nei limitati tempi computazionali disponibili, rispettando così un vincolo tecnologico stringente nella gestione dei robot. Tutti gli algoritmi di controllo proposti nei vari capitoli verranno validati e testati su banco prova tramite l'ausilio di tre agenti mobili. Nel Capitolo 8 verranno poi riassunti i risultati ottenuti e si presenteranno dei possibili sviluppi futuri. Infi ne, nell'Appendice A sarà riportato e descritto dettagliatamente il fi rmware caricato sul microcontrollore posto all'interno di ogni agente.