Virtual sensing technology applied to a swarm of autonomous robots.

This thesis proposes a novel technology in the field of swarm robotics that allows a swarm of robots to sense a virtual environment through virtual sensors. Virtual sensing is a desirable and helpful technology in swarm robotics research activity, because it allows the researchers to efficiently and quickly perform experiments otherwise more expensive and time consuming, or even impossible. In particular, we envision two useful applications for virtual sensing technology. On the one hand, it is possible to prototype and foresee the effects of a new sensor on a robot swarm, before producing it. On the other hand, thanks to this technology it is possible to study the behaviour of robots operating in environments that are not easily reproducible inside a lab for safety reasons or just because physically infeasible. The use of virtual sensing technology for sensor prototyping aims to foresee the behaviour of the swarm enhanced with new or more powerful sensors, without producing the hardware. Sensor prototyping can be used to tune a new sensor or perform performance comparison tests between alternative types of sensors. This kind of prototyping experiments can be performed through the presented tool, that allows to rapidly develop and test software virtual sensors of different typologies and quality, emulating the behaviour of several hardware real sensors. By investigating on which sensors is better to invest, a researcher can minimize the sensors’ production cost while achieving a given swarm performance. Through augmented reality, it is possible to test the performance of the swarm in a desired virtual environment that cannot be set into the lab for physical, logistic or economical reasons. The virtual environment is sensed by the robots through properly designed virtual sensors. Virtual sensing technology allows a researcher to quickly carry out real robots experiment in challenging scenarios without all the required hardware and environment.

Tecniche di fault tolerance in swarm robotics

Questa tesi presenta e discute le sfide per ottenere sistemi di swarm robotis affidabili e tolleranti ai guasti e quindi anche alcuni metodi per rilevare anomalie in essi, in modo tale che ipotetiche procedure per il recupero possano essere affrontate, viene sottolineata inoltre l’ importanza di un’ analisi qualitativa dei guasti.

Autonomous Vehicle and Internet on Vehicles

In questa tesi mi occupo di spiegare come si comportano i veicoli autonomi per prendere tutte le decisioni e come i dati dei sensori di ogni auto vengono condivisi con la flotta di veicoli

Fibrous Aerial Robotics: study of spiderweb strategies for the design of architectural envelopes using swarms of drones and inflatable formworks

La tesi approccia in modo transdisciplinare biologia, architettura e robotica, con la finalità di indagare e applicare principi costruttivi attraverso l’interazione tra sciami di droni che depositano materiale fibroso su strutture gonfiabili di supporto. L’attenzione principale è nello sviluppo (attraverso un workflow computazionale che gestisce sciami di agenti costruttori) di una tettonica che integra struttura, spazio e ornamento all’interno dello stesso processo progettuale, il quale si sviluppa coerentemente dall’ideazione fino alla fabbricazione. Sono stati studiati modelli biologici quali le colonie di ragni sociali, i quali costruiscono artefatti di grandi dimensioni relativamente a quelle del singolo individuo grazie ad un’organizzazione coordinata ed emergente e alle proprietà dei sistemi fibrosi. L’auto-organizzazione e la decentralizzazione, insieme alle caratteristiche del sistema materiale, sono stati elementi indispensabili nell’estrapolazione prima e nella codificazione poi di un insieme di regole adatte allo sviluppo del sistema costruttivo. Parallelamente alla simulazione digitale si è andati a sviluppare anche un processo fisico di fabbricazione che, pur tenendo conto dei vincoli economici e tecnici, potesse dimostrarsi una prova di concetto e fattibilità del sistema costruttivo. Sono state investigate le possibilità che un drone offre nel campo della fabbricazione architettonica mediante il rilascio di fili su elementi gonfiabili in pressione. Il processo può risultare vantaggioso in scenari in cui non è possibile allestire infrastrutture costruttive tradizionali (es. gole alpine, foreste). Tendendo conto dei vincoli e delle caratteristiche del sistema di fabbricazione proposto, sono state esplorate potenzialità e criticità del sistema studiato.

Motion Control of an Advanced Electric Implement for Agricultural Autonomous Vehicles

Nowadays, the development of intelligent and autonomous vehicles used to perform agricultural activities is essential to improve quantity and quality of agricultural productions. Moreover, with automation techniques it is possible to reduce the usage of agrochemicals and minimize the pollution. The University of Bologna is developing an innovative system for orchard management called ORTO (Orchard Rapid Transportation System). This system involves an autonomous electric vehicle capable to perform agricultural activities inside an orchard structure. The vehicle is equipped with an implement capable to perform different tasks. The purpose of this thesis project is to control the vehicle and the implement to perform an inter-row grass mowing. This kind of task requires a synchronized motion between the traction motors and the implement motors. A motion control system has been developed to generate trajectories and manage their synchronization. Two main trajectories type have been used: a five order polynomial trajectory and a trapezoidal trajectory. These two kinds of trajectories have been chosen in order to perform a uniform grass mowing, paying a particular attention to the constrains of the system. To synchronize the motions, the electronic cams approach has been adopted. A master profile has been generated and all the trajectories have been linked to the master motion. Moreover, a safety system has been developed. The aim of this system is firstly to improve the safety during the motion, furthermore it allows to manage obstacle detection and avoidance. Using some particular techniques obstacles can be detected and recovery action can be performed to overcome the problem. Once the measured force reaches the predefined force threshold, then the vehicle stops immediately its motion. The whole project has been developed by employing Matlab and Simulink. Eventually, the software has been translated into C code and executed on the TI Lauchpad XL board.

Autonomous Pricing using Policy-Gradient Reinforcement Learning

Nella letteratura economica e di teoria dei giochi vi è un dibattito aperto sulla possibilità di emergenza di comportamenti anticompetitivi da parte di algoritmi di determinazione automatica dei prezzi di mercato. L'obiettivo di questa tesi è sviluppare un modello di reinforcement learning di tipo actor-critic con entropy regularization per impostare i prezzi in un gioco dinamico di competizione oligopolistica con prezzi continui. Il modello che propongo esibisce in modo coerente comportamenti cooperativi supportati da meccanismi di punizione che scoraggiano la deviazione dall'equilibrio raggiunto a convergenza. Il comportamento di questo modello durante l'apprendimento e a convergenza avvenuta aiuta inoltre a interpretare le azioni compiute da Q-learning tabellare e altri algoritmi di prezzo in condizioni simili. I risultati sono robusti alla variazione del numero di agenti in competizione e al tipo di deviazione dall'equilibrio ottenuto a convergenza, punendo anche deviazioni a prezzi più alti.

Factors affecting the mission time of an autonomous mobile robot: a theoretical and experimental investigation

I vantaggi dell’Industria 4.0 hanno stravolto il manufacturing. Ma cosa vuol dire "Industria 4.0"? Essa è la nuova frontiera del manufacturing, basata su princìpi che seguono i passi avanti dei sistemi IT e della tecnologia. Dunque, i suoi pilastri sono: integrazione, verticale e orizzontale, digitalizzazione e automazione. L’Industria 4.0 coinvolge molte aree della supply chain, dai flussi informativi alla logistica. In essa e nell’intralogistica, la priorità è sviluppare dei sistemi di material handling flessibili, automatizzati e con alta prontezza di risposta. Il modello ideale è autonomo, in cui i veicoli fanno parte di una flotta le cui decisioni sono rese decentralizzate grazie all'alta connettività e alla loro abilità di collezionare dati e scambiarli rapidamente nel cloud aziendale.Tutto ciò non sarebbe raggiungibile se ci si affidasse a un comune sistema di trasporto AGV, troppo rigido e centralizzato. La tesi si focalizza su un tipo di material handlers più flessibile e intelligente: gli Autonomous Mobile Robots. Grazie alla loro intelligenza artificiale e alla digitalizzazione degli scambi di informazioni, interagiscono con l’ambiente per evitare ostacoli e calcolare il percorso ottimale. Gli scenari dell’ambiente lavorativo determinano perdite di tempo nel tragitto dei robot e sono queste che dovremo studiare. Nella tesi, i vantaggi apportati dagli AMR, come la loro decentralizzazione delle decisioni, saranno introdotti mediante una literature review e poi l’attenzione verterà sull’analisi di ogni scenario di lavoro. Fondamentali sono state le esperienze nel Logistics 4.0 Lab di NTNU, per ricreare fisicamente alcuni scenari. Inoltre, il software AnyLogic sarà usato per riprodurre e simulare tutti gli scenari rilevanti. I risultati delle simulazioni verranno infine usati per creare un modello che associ ad ogni scenario rilevante una perdita di tempo, attraverso una funzione. Per questo saranno usati software di data analysis come Minitab e MatLab.

Robotics and neurodevelopmental disorder: design and implementation of a system of engagement metrics in human-robot interactions.

In the recent decades, robotics has become firmly embedded in areas such as education, teaching, medicine, psychology and many others. We focus here on social robotics; social robots are designed to interact with people in a natural and interpersonal way, often to achieve positive results in different applications. To interact and cooperate with humans in their daily-life activities, robots should exhibit human-like intelligence. The rapid expansion of social robotics and the existence of various kinds of robots on the market have allowed research groups to carry out multiple experiments. The experiments carried out have led to the collections of various kinds of data, which can be used or processed for psychological studies, and studies in other fields. However, there are no tools available in which data can be stored, processed and shared with other research groups. This thesis proposes the design and implementation of visual tool for organizing dataflows in Human Robot Interaction (HRI).

An optimal control tool for trajectory generation of autonomous drones

In the recent years, autonomous aerial vehicles gained large popularity in a variety of applications in the field of automation. To accomplish various and challenging tasks the capability of generating trajectories has assumed a key role. As higher performances are sought, traditional, flatness-based trajectory generation schemes present their limitations. In these approaches the highly nonlinear dynamics of the quadrotor is, indeed, neglected. Therefore, strategies based on optimal control principles turn out to be beneficial, since in the trajectory generation process they allow the control unit to best exploit the actual dynamics, and enable the drone to perform quite aggressive maneuvers. This dissertation is then concerned with the development of an optimal control technique to generate trajectories for autonomous drones. The algorithm adopted to this end is a second-order iterative method working directly in continuous-time, which, under proper initialization, guarantees quadratic convergence to a locally optimal trajectory. At each iteration a quadratic approximation of the cost functional is minimized and a decreasing direction is then obtained as a linear-affine control law, after solving a differential Riccati equation. The algorithm has been implemented and its effectiveness has been tested on the vectored-thrust dynamical model of a quadrotor in a realistic simulative setup.

Crowd-shipping and autonomous vehicles: an optimization model for the last mile delivery

Il seguente elaborato propone un modello innovativo per la gestione della logistica distributiva nell’ultimo miglio, congiungendo l’attività di crowd-shipping con la presenza di Autonomous Vehicles, per il trasporto di prodotti all’interno della città. Il crowd-shipping utilizza conducenti occasionali, i quali deviano il loro tragitto in cambio di una ricompensa per il completamento dell’attività. Dall’altro lato, gli Autonomous Vehicles sono veicoli elettrici a guida autonoma, in grado di trasportare un numero limitato di pacchi e dotati di un sistema di sicurezza avanzato per garantire la fiducia nel trasporto. In primo luogo, nel seguente elaborato verrà mostrato il modello di ottimizzazione che congiunge i due attori principali in un unico ambiente, dove sono presenti un numero determinato di prodotti da muovere. Successivamente, poiché il problema di ottimizzazione è molto complesso e il numero di istanze valutabili è molto basso, verranno presentate due soluzioni differenti. La prima riguarda la metaeuristica chiamata Ant System, che cerca di avvicinarsi alle soluzioni ottime del precedente modello, mentre la seconda riguarda l’utilizzo di operatori di Local Search, i quali permettono di valutare soluzioni per istanze molto più grandi rispetto alla metaeuristica. Infine, i due modelli euristici verranno utilizzati per analizzare uno scenario che cerca di riprodurre una situazione reale. Tale scenario tenta di allocare strategicamente le risorse presenti e permette di dimostrare che gli Autonomous Vehicles riescono a supportare gli Occasional Drivers anche quando il numero di prodotti trasportabili è elevato. Inoltre, le due entità proposte riescono a soddisfare la domanda, garantendo un servizio che nel futuro potrebbe sostituire il tradizionale sistema di logistica distributiva last mile.

Smart freight transport in urban areas: a crowd-shipping model using autonomous vehicles

L'avanzamento dell'e-commerce e l'aumento della densità abitativa nel centro città sono elementi che incentivano l'incremento della richiesta merci all'interno dei centri urbani. L'attenzione all'impatto ambientale derivante da queste attività operative è un punto focale oggetto di sempre maggiore interesse. Attraverso il seguente studio, l'obiettivo è definire attuali e potenziali soluzioni nell'ambito della logistica urbana, con particolare interesse alle consegne dell'ultimo miglio. Una soluzione proposta riguarda la possibilità di sfruttare la capacità disponibile nei flussi generati dalla folla per movimentare merce, pratica nota sotto il nome di Crowd-shipping. L'idea consiste nella saturazione di mezzi già presenti nella rete urbana al fine di ridurre il numero di veicoli commerciali e minimizzare le esternalità negative annesse. A supporto di questa iniziativa, nell'analisi verranno considerati veicoli autonomi elettrici a guida autonoma. La tesi è incentrata sulla definizione di un modello di ottimizzazione matematica, che mira a designare un network logistico-distributivo efficiente per le consegne dell'ultimo miglio e a minimizzare le distanze degli attori coinvolti. Il problema proposto rappresenta una variante del Vehicle Routing Problem con time windows e multi depots. Il problema è NP-hard, quindi computazionalmente complesso per cui sarà necessario, in fase di analisi, definire un approccio euristico che permetterà di ottenere una soluzione sub-ottima in un tempo di calcolo ragionevole per istanze maggiori. L'analisi è stata sviluppata nell'ambiente di sviluppo Eclipse, attraverso il risolutore Cplex, in linguaggio Java. Per poterne comprendere la validità, è prevista un'ultima fase in cui gli output del modello ottimo e dell'euristica vengono confrontati tra loro su parametri caratteristici. Bisogna tuttavia considerare che l' utilizzo di sistemi cyber-fisici a supporto della logistica non può prescindere da un costante sguardo verso il progresso.

Distributed collision-free traffic management via vertex cover for multi-vehicle systems

In this thesis, we state the collision avoidance problem as a vertex covering problem, then we consider a distributed framework in which a team of cooperating Unmanned Vehicles (UVs) aim to solve this optimization problem cooperatively to guarantee collision avoidance between group members. For this purpose, we implement a distributed control scheme based on a robust Set-Theoretic Model Predictive Control ( ST-MPC) strategy, where the problem involves vehicles with independent dynamics but with coupled constraints, to capture required cooperative behavior.

Development of a Robotic Wires Storage System for Switchgear Manufacturing Automation

Considering the great development of robotics in industrial automation, the Remodel project aims to reproduce, through the use of Cobots, the wiring activity typical of a human operator and to realize an autonomous storage work. My researches focused on this second topic. In this paper, we will see how to realize a gripper compatible with an Omron TM5X-900, able to perform a pick and place of different types of cables, but also how to compute possible trajectories. In particular, what I needed, was a trajectory going from the Komax, the cables production machine, to a Warehouse taking into account the possible entangles of cables with the robot during its motion. The last part has been dedicated to the synchronization between robot and main machine work.

Autonomous pagination for newspaper from a predefined plan

Description of the development of a product able to deliver an autonomous page construction from a predefined plan. The processes involve Machine Learning techniques for text fitting on shapes, Beam Search for associations and Deep Learning for autonomous cropping of images.