Optimal trajectory planning for a hydraulic excavator

Construction industry represents a crucial sector in today's society. Despite its relevance, the development of autonomous and semi autonomous functions in this area is still at his early stages if compared to fields such as automotive or robotics. This sector is distinguished by the repetitiveness of the operations, and in this automation can provide great contribution and support. In this work we present an approach for trajectory planning of hydraulic excavators, where the main goals are: being able to generate feasible trajectories, while also tackling the problem of energy consumption and time of completion. We started from designing a physics-based model of the excavator, where all the main features of this system are implemented. Comparison against data collected from real measurements helped us to assess the validity of our model. The planning is addressed through the formulation of a multi-objective optimal control problem, which shows good results in developing feasible and efficient trajectories. Using concepts related to Pareto optimization, we demonstrate the flexibility of the problem in finding a wide range of possible solutions, based on the designer's choices. Lastly, we present an extension of the formulation to the general case of obstacles in the space, thus providing a structure capable of generating collision-free trajectories, while still performing efficient and fast maneuvers.

Il settore dell'edilizia è uno dei più importanti della società odierna. Nonostante la sua rilevaza, lo sviluppo di funzione autonome e semi-autonome in quest'area è ancora ai suoi primi passi se comparata a settori come quello automobilistico o robotico. Un aspetto caratterizzante di questo campo è la ripetitività delle operazioni, ed è in questo che l'automazione può dimostrarsi di grande supporto ed aiuto. In questa tesi presentiamo un approccio per la creazione di traiettorie per scavatori idraulici. L'obiettivo è quello di generare soluzioni realistiche, che tengano conto sia del tempo di completamento che del consumo energetico. In primis, presentiamo un modello basato sulla fisica del sistema, nel quale implementiamo tutte le funzioni più importanti dello scavatore. Quest'ultimo è stato comparato con reali misure effettuate sul campo, mostrandone la validità. Attraverso la formulazione di un problema di controllo multi-obiettivo, saremo capaci di generare traiettorie che rispettano tutti i vincoli del sistema, ed al contempo siano veloci ed efficienti. Utilizzando la curva di Pareto mostreremo la flessibilità dell'approccio proposto nel ricavare una vasta gamma di risultati, in base alle necessità del progettista. Infine, proporremo un'estensione della struttura del problema ottimo, capace di affrontare il caso più generale di ostacoli nello spazio. I risultati dimostreranno come questa nuova formulazione sia in grado di fornire traiettorie senza collisioni, minimizzando le perdite di energia.