Controllo del moto di una sedia a rotelle autonoma mediante tecniche di controllo predittivo

This thesis work concerns vehicles robotics, specifically local trajectory planning for autonomous vehicles, designed to perform tasks with limited human involvement. The main goal is to develop and test a control scheme based on the Model Predictive Control to perform trajectory planning and tracking guaranteeing at the same time comfort and safety standards, with obstacle avoidance guarantee. In the present thesis we focus on an electric wheelchair that can be controlled by setting longitudinal and angular velocity references. In our case these references are provided by the predictive control algorithm which minimizes a suitable cost function subject to the dynamical model of the vehicle and the geometry of the surrounding environment. The development of the control algorithm has been achieved by steps: first, by checking the positional reference tracking performances and guaranteeing an effective dynamic transient of the system. Second, by implementing a suitable algorithm whose purpose is to mark in real time the boundaries of the working area based on the environment topology. Additionally, such algorithm provides - in case of need - an alternative positional reference in order to avoid obstacles and overcome potential deadlocks. The performances observed by means of experimental evidence have shown the effectiveness of this non conventional approach to local planning.

L'ambito in cui si colloca il lavoro svolto in questa tesi è quello della robotica mobile. In particolare lo scopo della tesi è sviluppare e validare algoritmi di pianificazione locale della traiettoria di veicoli autonomi, pensati per svolgere lavori limitando (o in taluni casi annullando) l'intervento umano. Ci concentreremo sull'applicazione della teoria del controllo predittivo alla pianificazione e all'inseguimento della traiettoria, soddisfando requisiti di comfort e di sicurezza, che si traduce nell'elusione di eventuali ostacoli sul cammino. Nella presente tesi, il veicolo è una sedia a rotelle motorizzata e dotata di riferimenti di velocità longitudinale e angolare in ingresso, che sono opportunamente forniti dall'algoritmo di controllo predittivo, calcolati minimizzando una opportuna cifra di costo e sulla base di vincoli legati alla dinamica del veicolo e alla conformazione dell'ambiente circostante. La pianificazione viene quindi effettuata secondo criteri di ottimalità valutati in un orizzonte di tempo finito. Lo sviluppo dell'algoritmo di controllo è stato effettuato per passi, dapprima verificando la capacità di convergere verso il riferimento di posizione garantendo un'efficace dinamica del sistema, implementando successivamente un opportuno algoritmo per la definizione in tempo reale dello spazio di lavoro tenendo in considerazione la topologia dell'ambiente. Tale algoritmo fornisce inoltre riferimenti di posizione utili ai fini dell'elusione di ostacoli. Le prestazioni appurate tramite prove sperimentali hanno messo in luce l'applicabilità di questo non convenzionale approccio alla pianificazione locale.