Programming Robots with an Agent-Oriented BDI-based Control Architecture: Explorations using the JaCa and Webots Platforms

La crescente disponibilità di dispositivi meccanici e -soprattutto - elettronici le cui performance aumentano mentre il loro costo diminuisce, ha permesso al campo della robotica di compiere notevoli progressi. Tali progressi non sono stati fatti unicamente per ciò che riguarda la robotica per uso industriale, nelle catene di montaggio per esempio, ma anche per quella branca della robotica che comprende i robot autonomi domestici. Questi sistemi autonomi stanno diventando, per i suddetti motivi, sempre più pervasivi, ovvero sono immersi nello stesso ambiente nel quale vivono gli essere umani, e interagiscono con questi in maniera proattiva. Essi stanno compiendo quindi lo stesso percorso che hanno attraversato i personal computer all'incirca 30 anni fa, passando dall'essere costosi ed ingombranti mainframe a disposizione unicamente di enti di ricerca ed università, ad essere presenti all'interno di ogni abitazione, per un utilizzo non solo professionale ma anche di assistenza alle attività quotidiane o anche di intrattenimento. Per questi motivi la robotica è un campo dell'Information Technology che interessa sempre più tutti i tipi di programmatori software. Questa tesi analizza per prima cosa gli aspetti salienti della programmazione di controllori per robot autonomi (ovvero senza essere guidati da un utente), quindi, come l'approccio basato su agenti sia appropriato per la programmazione di questi sistemi. In particolare si mostrerà come un approccio ad agenti, utilizzando il linguaggio di programmazione Jason e quindi l'architettura BDI, sia una scelta significativa, dal momento che il modello sottostante a questo tipo di linguaggio è basato sul ragionamento pratico degli esseri umani (Human Practical Reasoning) e quindi è adatto alla implementazione di sistemi che agiscono in maniera autonoma. Dato che le possibilità di utilizzare un vero e proprio sistema autonomo per poter testare i controllori sono ridotte, per motivi pratici, economici e temporali, mostreremo come è facile e performante arrivare in maniera rapida ad un primo prototipo del robot tramite l'utilizzo del simulatore commerciale Webots. Il contributo portato da questa tesi include la possibilità di poter programmare un robot in maniera modulare e rapida per mezzo di poche linee di codice, in modo tale che l'aumento delle funzionalità di questo risulti un collo di bottiglia, come si verifica nella programmazione di questi sistemi tramite i classici linguaggi di programmazione imperativi. L'organizzazione di questa tesi prevede un capitolo di background nel quale vengono riportare le basi della robotica, della sua programmazione e degli strumenti atti allo scopo, un capitolo che riporta le nozioni di programmazione ad agenti, tramite il linguaggio Jason -quindi l'architettura BDI - e perché tale approccio è adatto alla programmazione di sistemi di controllo per la robotica. Successivamente viene presentata quella che è la struttura completa del nostro ambiente di lavoro software che comprende l'ambiente ad agenti e il simulatore, quindi nel successivo capitolo vengono mostrate quelle che sono le esplorazioni effettuate utilizzando Jason e un approccio classico (per mezzo di linguaggi classici), attraverso diversi casi di studio di crescente complessità; dopodiché, verrà effettuata una valutazione tra i due approcci analizzando i problemi e i vantaggi che comportano questi. Infine, la tesi terminerà con un capitolo di conclusioni e di riflessioni sulle possibili estensioni e lavori futuri.

Eye-trauma: Event driven control software for gesture recognition in medical simulation

Il progetto Eye-Trauma si colloca all'interno dello sviluppo di un simulatore chirurgico per traumi alla zona oculare, sviluppato in collaborazione con Simulation Group in Boston, Harvard Medical School e Massachusetts General Hospital. Il simulatore presenta un busto in silicone fornito di moduli intercambiabili della zona oculare, per simulare diversi tipi di trauma. L'utilizzatore è chiamato ad eseguire la procedura medica di saturazione tramite degli strumenti chirurgici su cui sono installati dei sensori di forza e di apertura. I dati collezionati vengono utilizzati all'interno del software per il riconoscimento dei gesti e il controllo real-time della performance. L'algoritmo di gesture recognition, da me sviluppato, si basa sul concetto di macchine a stati; la transizione tra gli stati avviene in base agli eventi rilevati dal simulatore.

Passive based control on a kuka arm

L'interazione in maniera sicura e compliante è una caratteristica sempre più richiesta per i sistemi robotici. La modellazione di sistemi eseguita tramite l'uso di sistemi port-Hamiltoninani permette di comprendere cosa avviene a livello energetico durante l'interazione e aiuta nella progettazinoe di un controllore tale che il comportamento del sistema controllato sia passivo e sicuro durante essa. Ciò sfocia nel cosiddetto Controllore Intrinsicamente Passivo (IPC). Dal momento che questo un controllo impone la rigidezza desiderata al sistema controllato, è possibile, tra le altre cose, replicare il comportamento del dispositivo RCC (Centro Remoto di Complianza) e di migliorarlo in modo tale che durante l'azione di peg-in-hole il buco sia meno sollecitato dal robot.

La qualità erogata da un'azienda di trasporto collettivo in ambito urbano: calcolo del livello di servizio delle principali linee di ATC (BO)

Oggetto di questa tesi è lo studio della qualità del servizio di trasporto erogato che condiziona la qualità percepita dall’utente, poiché spesso proprio a causa di un errato processo di pianificazione e gestione della rete, molte aziende non sono in grado di consolidare un alto livello di efficienza che permetta loro di attrarre e servire la crescente domanda. Per questo motivo, si è deciso di indagare sugli aspetti che determinano la qualità erogata e sui fattori che la influenzano, anche attraverso la definizione di alcuni indicatori rappresentativi del servizio erogato. L’area di studio considerata è stata quella urbana di Bologna, e sono state prese in esame due linee di ATC, la 19 e la 27, caratterizzate entrambe da una domanda di trasporto molto elevata. L’interesse è ricaduto in modo particolare sugli aspetti legati alla regolarità del servizio, ovvero al rispetto della cadenza programmata delle corse e alla puntualità, ossia il rispetto dell’orario programmato delle stesse. Proprio da questi due aspetti, infatti, dipende in larga misura la percezione della qualità che gli utenti hanno del servizio di trasporto collettivo. Lo studio è stato condotto sulla base di dati raccolti attraverso due campagne di rilevamento, una effettuata nel mese di maggio dell’anno 2008 e l’altra nel mese di settembre dello stesso anno. La scelta del periodo, della zona e delle modalità di rilevamento è strettamente connessa all’obiettivo prefissato. Il servizio è influenzato dalle caratteristiche del sistema di trasporto: sia da quelle legate alla domanda che da quelle legate all’offerta. Nel caso della domanda di trasporto si considera l’influenza sul servizio del numero di passeggeri saliti e del tempo di sosta alle fermate. Nel caso dell’offerta di trasporto si osservano soprattutto gli aspetti legati alla rete di trasporto su cui si muovono gli autobus, analizzando quindi i tempi di movimento e le velocità dei mezzi, per vedere come le caratteristiche dell’infrastruttura possano condizionare il servizio. A tale proposito è opportuno dire che, mentre i dati della prima analisi ci sono utili per lo studio dell’influenza del tempo di sosta sull’intertempo, nella seconda analisi si vuole cercare di effettuare ulteriori osservazioni sull’influenza del tempo di movimento sulla cadenza, prendendo in esame altri elementi, come ad esempio tratti di linea differenti rispetto al caso precedente. Un’attenzione particolare, inoltre, verrà riservata alla verifica del rispetto della cadenza, dalla quale scaturisce la definizione del livello di servizio per ciò che riguarda la regolarità. Per quest’ultima verrà, inoltre, determinato anche il LOS relativo alla puntualità. Collegato al problema del rispetto della cadenza è il fenomeno dell’accodamento: questo si verifica quando i mezzi di una stessa linea arrivano contemporaneamente ad una fermata uno dietro l’altro. L’accodamento ha, infatti, origine dal mancato rispetto della cadenza programmata tra i mezzi ed è un’evidente manifestazione del mal funzionamento di un servizio di trasporto. Verrà infine condotta un’analisi dei fattori che possono influenzare le prestazioni del servizio di trasporto pubblico, così da collocare i dati ottenuti dalle operazioni di rilevamento in un quadro più preciso, capace di sottolineare alcuni elementi di criticità e possibili rapporti di causalità.

Feasibility study and flow scheduling optimization of a multi-product pipeline system

The first goal of this study is to analyse a real-world multiproduct onshore pipeline system in order to verify its hydraulic configuration and operational feasibility by constructing a simulation model step by step from its elementary building blocks that permits to copy the operation of the real system as precisely as possible. The second goal is to develop this simulation model into a user-friendly tool that one could use to find an “optimal” or “best” product batch schedule for a one year time period. Such a batch schedule could change dynamically as perturbations occur during operation that influence the behaviour of the entire system. The result of the simulation, the ‘best’ batch schedule is the one that minimizes the operational costs in the system. The costs involved in the simulation are inventory costs, interface costs, pumping costs, and penalty costs assigned to any unforeseen situations. The key factor to determine the performance of the simulation model is the way time is represented. In our model an event based discrete time representation is selected as most appropriate for our purposes. This means that the time horizon is divided into intervals of unequal lengths based on events that change the state of the system. These events are the arrival/departure of the tanker ships, the openings and closures of loading/unloading valves of storage tanks at both terminals, and the arrivals/departures of trains/trucks at the Delivery Terminal. In the feasibility study we analyse the system’s operational performance with different Head Terminal storage capacity configurations. For these alternative configurations we evaluated the effect of different tanker ship delay magnitudes on the number of critical events and product interfaces generated, on the duration of pipeline stoppages, the satisfaction of the product demand and on the operative costs. Based on the results and the bottlenecks identified, we propose modifications in the original setup.

Experimental analysis of a separation control device based on plasma technology

In this thesis effects of plasma actuators based on Dielectric Barrier Discharge (DBD) technology over a NACA 0015 bidimensional airfoil have been analyzed in an experimental way, at low Reynolds number. Work developed on thesis has been carried on in partnership with the Department of Electrical Engineering of Università di Bologna, inside Wind Tunnel of the Applied Aerodynamic Laboratory of Aerospace Engineering faculty. In order to verify the effectiveness of these active control devices, the analysis has shown how actuators succeed in prevent boundary layer separation only in certain conditions af angle of attack and Reynolds numbers. Moreover, in this thesis actuators’ chordwise position effect has been also analyzed, together with the influence of steady and unsteady operations.

Engineering Concurrent and Event-driven Web Apps: An Agent-Oriented Approach based on the simpAL Language

Web is constantly evolving, thanks to the 2.0 transition, HTML5 new features and the coming of cloud-computing, the gap between Web and traditional desktop applications is tailing off. Web-apps are more and more widespread and bring several benefits compared to traditional ones. On the other hand reference technologies, JavaScript primarly, are not keeping pace, so a paradim shift is taking place in Web programming, and so many new languages and technologies are coming out. First objective of this thesis is to survey the reference and state-of-art technologies for client-side Web programming focusing in particular on what concerns concurrency and asynchronous programming. Taking into account the problems that affect existing technologies, we finally design simpAL-web, an innovative approach to tackle Web-apps development, based on the Agent-oriented programming abstraction and the simpAL language. == Versione in italiano: Il Web è in continua evoluzione, grazie alla transizione verso il 2.0, alle nuove funzionalità introdotte con HTML5 ed all’avvento del cloud-computing, il divario tra le applicazioni Web e quelle desktop tradizionali va assottigliandosi. Le Web-apps sono sempre più diffuse e presentano diversi vantaggi rispetto a quelle tradizionali. D’altra parte le tecnologie di riferimento, JavaScript in primis, non stanno tenendo il passo, motivo per cui la programmazione Web sta andando incontro ad un cambio di paradigma e nuovi linguaggi e tecnologie stanno spuntando sempre più numerosi. Primo obiettivo di questa tesi è di passare al vaglio le tecnologie di riferimento ed allo stato dell’arte per quel che riguarda la programmmazione Web client-side, porgendo particolare attenzione agli aspetti inerenti la concorrenza e la programmazione asincrona. Considerando i principali problemi di cui soffrono le attuali tecnologie passeremo infine alla progettazione di simpAL-web, un approccio innovativo con cui affrontare lo sviluppo di Web-apps basato sulla programmazione orientata agli Agenti e sul linguaggio simpAL.

Laser shock peening treatment to control and moderate fatigue crack growth in aircraft structure based on residual stress engineering approach

Laser Shock Peening (LSP) is a surface enhancement treatment which induces a significant layer of beneficial compressive residual stresses of up to several mm underneath the surface of metal components in order to improve the detrimental effects of the crack growth behavior rate in it. The aim of this thesis is to predict the crack growth behavior in metallic specimens with one or more stripes which define the compressive residual stress area induced by the Laser Shock Peening treatment. The process was applied as crack retardation stripes perpendicular to the crack propagation direction with the object of slowing down the crack when approaching the peened stripes. The finite element method has been applied to simulate the redistribution of stresses in a cracked model when it is subjected to a tension load and to a compressive residual stress field, and to evaluate the Stress Intensity Factor (SIF) in this condition. Finally, the Afgrow software is used to predict the crack growth behavior of the component following the Laser Shock Peening treatment and to detect the improvement in the fatigue life comparing it to the baseline specimen. An educational internship at the “Research & Technologies Germany – Hamburg” department of AIRBUS helped to achieve knowledge and experience to write this thesis. The main tasks of the thesis are the following: •To up to date Literature Survey related to “Laser Shock Peening in Metallic Structures” •To validate the FE model developed against experimental measurements at coupon level •To develop design of crack growth slowdown in Centered Cracked Tension specimens based on residual stress engineering approach using laser peened strip transversal to the crack path •To evaluate the Stress Intensity Factor values for Centered Cracked Tension specimens after the Laser Shock Peening treatment via Finite Element Analysis •To predict the crack growth behavior in Centered Cracked Tension specimens using as input the SIF values evaluated with the FE simulations •To validate the results by means of experimental tests

Il ruolo delle architetture di controllo nella progettazione e sviluppo di applicazioni web: Un confronto fra event-loop e control-loop utilizzando il linguaggio dart e linguaggi agent-oriented

Quando si parla di architetture di controllo in ambito Web, il Modello ad Eventi è indubbiamente quello più diffuso e adottato. L’asincronicità e l’elevata interazione con l’utente sono caratteristiche tipiche delle Web Applications, ed un architettura ad eventi, grazie all’adozione del suo tipico ciclo di controllo chiamato Event Loop, fornisce un'astrazione semplice ma sufficientemente espressiva per soddisfare tali requisiti. La crescita di Internet e delle tecnologie ad esso associate, assieme alle recenti conquiste in ambito di CPU multi-core, ha fornito terreno fertile per lo sviluppo di Web Applications sempre più complesse. Questo aumento di complessità ha portato però alla luce alcuni limiti del modello ad eventi, ancora oggi non del tutto risolti. Con questo lavoro si intende proporre un differente approccio a questa tipologia di problemi, che superi i limiti riscontrati nel modello ad eventi proponendo un architettura diversa, nata in ambito di IA ma che sta guadagno popolarità anche nel general-purpose: il Modello ad Agenti. Le architetture ad agenti adottano un ciclo di controllo simile all’Event Loop del modello ad eventi, ma con alcune profonde differenze: il Control Loop. Lo scopo di questa tesi sarà dunque approfondire le due tipologie di architetture evidenziandone le differenze, mostrando cosa significa affrontare un progetto e lo sviluppo di una Web Applications avendo tecnologie diverse con differenti cicli di controllo, mettendo in luce pregi e difetti dei due approcci.

A ROS-based Workspace Control and Trajectory Planner for a seven degrees of freedom Robotic arm

In this Bachelor Thesis I want to provide readers with tools and scripts for the control of a 7DOF manipulator, backed up by some theory of Robotics and Computer Science, in order to better contextualize the work done. In practice, we will see most common software, and developing environments, used to cope with our task: these include ROS, along with visual simulation by VREP and RVIZ, and an almost "stand-alone" ROS extension called MoveIt!, a very complete programming interface for trajectory planning and obstacle avoidance. As we will better appreciate and understand in the introduction chapter, the capability of detecting collision objects through a camera sensor, and re-plan to the desired end-effector pose, are not enough. In fact, this work is implemented in a more complex system, where recognition of particular objects is needed. Through a package of ROS and customized scripts, a detailed procedure will be provided on how to distinguish a particular object, retrieve its reference frame with respect to a known one, and then allow navigation to that target. Together with technical details, the aim is also to report working scripts and a specific appendix (A) you can refer to, if desiring to put things together.

Geometric versus Model Predictive Control based guidance algorithms for fixed-wing UAVs in the presence of very strong wind fields.

The recent years have witnessed increased development of small, autonomous fixed-wing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). In order to unlock widespread applicability of these platforms, they need to be capable of operating under a variety of environmental conditions. Due to their small size, low weight, and low speeds, they require the capability of coping with wind speeds that are approaching or even faster than the nominal airspeed. In this thesis, a nonlinear-geometric guidance strategy is presented, addressing this problem. More broadly, a methodology is proposed for the high-level control of non-holonomic unicycle-like vehicles in the presence of strong flowfields (e.g. winds, underwater currents) which may outreach the maximum vehicle speed. The proposed strategy guarantees convergence to a safe and stable vehicle configuration with respect to the flowfield, while preserving some tracking performance with respect to the target path. As an alternative approach, an algorithm based on Model Predictive Control (MPC) is developed, and a comparison between advantages and disadvantages of both approaches is drawn. Evaluations in simulations and a challenging real-world flight experiment in very windy conditions confirm the feasibility of the proposed guidance approach.

Shape-based compliance control for snake robots

I serpenti robot sono una classe di meccanismi iper-ridondanti che appartiene alla robotica modulare. Grazie alla loro forma snella ed allungata e all'alto grado di ridondanza possono muoversi in ambienti complessi con elevata agilità. L'abilità di spostarsi, manipolare e adattarsi efficientemente ad una grande varietà di terreni li rende ideali per diverse applicazioni, come ad esempio attività di ricerca e soccorso, ispezione o ricognizione. I robot serpenti si muovono nello spazio modificando la propria forma, senza necessità di ulteriori dispositivi quali ruote od arti. Tali deformazioni, che consistono in movimenti ondulatori ciclici che generano uno spostamento dell'intero meccanismo, vengono definiti andature. La maggior parte di esse sono ispirate al mondo naturale, come lo strisciamento, il movimento laterale o il movimento a concertina, mentre altre sono create per applicazioni specifiche, come il rotolamento o l'arrampicamento. Un serpente robot con molti gradi di libertà deve essere capace di coordinare i propri giunti e reagire ad ostacoli in tempo reale per riuscire a muoversi efficacemente in ambienti complessi o non strutturati. Inoltre, aumentare la semplicità e ridurre il numero di controllori necessari alla locomozione alleggerise una struttura di controllo che potrebbe richiedere complessità per ulteriori attività specifiche. L'obiettivo di questa tesi è ottenere un comportamento autonomo cedevole che si adatti alla conformazione dell'ambiente in cui il robot si sta spostando, accrescendo le capacità di locomozione del serpente robot. Sfruttando la cedevolezza intrinseca del serpente robot utilizzato in questo lavoro, il SEA Snake, e utilizzando un controllo che combina cedevolezza attiva ad una struttura di coordinazione che ammette una decentralizzazione variabile del robot, si dimostra come tre andature possano essere modificate per ottenere una locomozione efficiente in ambienti complessi non noti a priori o non modellabili.