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.

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.

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.

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.

The Poincaré polynomial for the Hilbert scheme of points of C^2

Questo lavoro prende in esame lo schema di Hilbert di punti di C^2, il quale viene descritto assieme ad alcune sue proprietà, ad esempio la sua struttura hyper-kahleriana. Lo scopo della tesi è lo studio del polinomio di Poincaré di tale schema di Hilbert: ciò che si ottiene è una espressione del tipo serie di potenze, la quale è un caso particolare di una formula molto più generale, nota con il nome di formula di Goettsche.

Assimilation of data from conventional and non conventional networks through a LETKF scheme in the COSMO model

The present work studies a km-scale data assimilation scheme based on a LETKF developed for the COSMO model. The aim is to evaluate the impact of the assimilation of two different types of data: temperature, humidity, pressure and wind data from conventional networks (SYNOP, TEMP, AIREP reports) and 3d reflectivity from radar volume. A 3-hourly continuous assimilation cycle has been implemented over an Italian domain, based on a 20 member ensemble, with boundary conditions provided from ECMWF ENS. Three different experiments have been run for evaluating the performance of the assimilation on one week in October 2014 during which Genova flood and Parma flood took place: a control run of the data assimilation cycle with assimilation of data from conventional networks only, a second run in which the SPPT scheme is activated into the COSMO model, a third run in which also reflectivity volumes from meteorological radar are assimilated. Objective evaluation of the experiments has been carried out both on case studies and on the entire week: check of the analysis increments, computing the Desroziers statistics for SYNOP, TEMP, AIREP and RADAR, over the Italian domain, verification of the analyses against data not assimilated (temperature at the lowest model level objectively verified against SYNOP data), and objective verification of the deterministic forecasts initialised with the KENDA analyses for each of the three experiments.

Real-time control of an Electrodynamic Shaker

Questa tesi è essenzialmente focalizzata sullo sviluppo di un sistema di controllo in tempo reale per uno Shaker Elettrodinamico usato per riprodurre profili di vibrazione ambientale registrati in contesti reali e di interesse per il recupero di energia. Grazie all'utilizzo di uno shaker elettrodinamico è quindi possibile riprodurre scenari di vibrazione reale in laboratorio e valutare più agevolmente le prestazioni dei trasduttori meccanici. Tuttavia, è richiesto un controllo dello Shaker non solo in termini di stabilità ma anche per garantire l'esatta riproduzione del segnale registrato nel contesto reale. In questa tesi, si è scelto di sviluppare un controllo adattivo nel dominio del tempo per garantire la corretta riproduzione del profilo di accelerazione desiderato. L'algoritmo è stato poi implementato sul sistema di prototipazione rapida dSPACE DS1104 basata su microprocessore PowerPC. La natura adattiva dell'algoritmo proposto permette di identificare cambiamenti nella risposta dinamica del sistema, e di regolare di conseguenza i parametri del controllore. Il controllo del sistema è stato ottenuto anteponendo al sistema un filtro adattivo la cui funzione di trasferimento viene continuamente adattata per rappresentare al meglio la funzione di trasferimento inversa del sistema da controllare. Esperimenti in laboratorio confermano l'efficacia del controllo nella riproduzione di segnali reali e in tipici test di sweep frequenziale.

Programmable electronic platform for the remote control of the cell-migration galvanotaxis

Il presente lavoro di tesi nasce come collaborazione tra il Laboratorio di Progettazione Elettronica e il Laboratorio di Microscopia a Fluorescenza del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell' Università di Bologna. In particolare nasce dalla volontà di dotare il dipartimento di un apparato sperimentale in grado di svolgere studi sulla Galvanotassia, un fenomeno biologico consistente nella migrazione di cellule sottoposte a stimolazione elettrica. La Galvanotassia è nota da fine '800 ma non sono ancora chiari i meccanismi cellulari che la provocano. Una migliore comprensione di tale fenomeno potrebbe portare importanti sviluppi in ambito medico, sia diagnostici che terapeutici. Dalla letteratura a riguardo non è emersa l'esistenza di apparecchi elettronici di controllo che permettano lo studio della Galvanotassia e che possano essere duttili a seconda del tipo di esperimento che si voglia svolgere. Da qui l'idea di iniziare lo sviluppo di un dispositivo elettronico, che fosse riprogrammabile, a basso costo e facilmente trasportabile. La progettazione di questo dispositivo ha portato ad una prima fase di test e verifiche sperimentali che hanno permesso di migliorare e affinare la costruzione di uno strumento di misura e controllo dei parametri relativi alla Galvanotassia. Sono già stati programmati test futuri che porteranno ad una versione definitiva dell' apparecchiatura alla quale succederanno più approfondite ricerche sul fenomeno della Galvanotassia.

Control and navigation of a rover for agricultural purposes

L’obiettivo di questa tesi è di descrivere e implementare via software un modello di rover autonomo per uso in ambito agricolo. La scelta di questo argomento deriva dal fatto che al laboratorio CASY dell’Università di Bologna è stato commissionato un robot che possa aiutare piccoli imprenditori agricoli a essere competitivi con i più grandi. Le funzionalità che il robot avrà, una volta ultimato, andranno dal tagliare l’erba allo spruzzare fertilizzante sugli alberi da frutto. Questa tesi si interessa del progetto del sistema di navigazione. Inizialmente viene introdotto il modello cinematico e in particolare la configurazione differential drive in cui il rover rientra. Successivamente viene elaborato un sistema di controllo basato sulla linearizzazione statica del feedback. Una volta completati il modello e il sistema di controllo si procede con la generazione di traiettoria: vengono analizzati e confrontati alcuni algoritmi per l’inseguimento di una traiettoria definita tramite waypoint. Infine è presentato un algoritmo per la navigazione all’interno di un campo di filari di alberi da frutto. Le uniche informazioni esterne disponibili in questo contesto sono le rilevazioni di sensori di distanza frontali e laterali, in quanto un GPS sarebbe troppo impreciso per gli scopi. Questa tesi costituisce la base per ulteriori sviluppi del progetto. In particolare la realizzazione di un programma di supervisione che stabilisca la modalità di moto da attuare e programmi specifici per le varie funzionalità agricole del rover.

Modeling and control algorithms for product phasing using smart belts

Nella seguente tesi è descritto il principio di sviluppo di una macchina industriale di alimentazione. Il suddetto sistema dovrà essere installato fra due macchine industriali. L’apparato dovrà mettere al passo e sincronizzare con la macchina a valle i prodotti che arriveranno in input. La macchina ordina gli oggetti usando una serie di nastri trasportatori a velocità regolabile.
Lo sviluppo è stato effettuato al Laboratorio Liam dopo la richiesta dell’azienda Sitma. Sitma produceva già un tipo di sistema come quello descritto in questa tesi. Il deisderio di Sitma è quindi quello di modernizzare la precedente applicazione poiché il dispositivo che le permetteva di effettuare la messa al passo di prodotti era un PLC Siemens che non è più commercializzato. La tesi verterà sullo studio dell’applicazione e la modellazione tramite Matlab-Simulink per poi proseguire ad una applicazione, seppure non risolutiva, in TwinCAT 3.

Distributed non-cooperative robust economic predictive control for dynamically coupled linear systems.

In this thesis, a tube-based Distributed Economic Predictive Control (DEPC) scheme is presented for a group of dynamically coupled linear subsystems. These subsystems are components of a large scale system and control inputs are computed based on optimizing a local economic objective. Each subsystem is interacting with its neighbors by sending its future reference trajectory, at each sampling time. It solves a local optimization problem in parallel, based on the received future reference trajectories of the other subsystems. To ensure recursive feasibility and a performance bound, each subsystem is constrained to not deviate too much from its communicated reference trajectory. This difference between the plan trajectory and the communicated one is interpreted as a disturbance on the local level. Then, to ensure the satisfaction of both state and input constraints, they are tightened by considering explicitly the effect of these local disturbances. The proposed approach averages over all possible disturbances, handles tightened state and input constraints, while satisfies the compatibility constraints to guarantee that the actual trajectory lies within a certain bound in the neighborhood of the reference one. Each subsystem is optimizing a local arbitrary economic objective function in parallel while considering a local terminal constraint to guarantee recursive feasibility. In this framework, economic performance guarantees for a tube-based distributed predictive control (DPC) scheme are developed rigorously. It is presented that the closed-loop nominal subsystem has a robust average performance bound locally which is no worse than that of a local robust steady state. Since a robust algorithm is applying on the states of the real (with disturbances) subsystems, this bound can be interpreted as an average performance result for the real closed-loop system. To this end, we present our outcomes on local and global performance, illustrated by a numerical example.

Optimal Control and Lyapunov exponents

Il presente lavoro è suddiviso in due parti. Nella prima sono presentate la teoria degli esponenti di Lyapunov e la teoria del Controllo Ottimo da un punto di vista geometrico. Sono riportati i risultati principali di queste due teorie e vengono abbozzate le dimostrazioni dei teoremi più importanti. Nella seconda parte, usando queste due teorie, abbiamo provato a trovare una stima per gli esponenti di Lyapunov estremali associati ai sistemi dinamici lineari switched sul gruppo di Lie SL2(R). Abbiamo preso in considerazione solo il caso di un sistema generato da due matrici A,B ∈ sl2(R) che generano l’intera algebra di Lie. Abbiamo suddiviso il problema in alcuni possibili casi a seconda della posizione nello spazio tridimensionale sl2(R) del segmento di estremi A e B rispetto al cono delle matrici nilpotenti. Per ognuno di questi casi, abbiamo trovato una candidata soluzione ottimale. Riformuleremo il problema originale di trovare una stima per gli esponenti di Lyapunov in un problema di Controllo Ottimo. Dopodiché, applichiamo il Principio del massimo di Pontryagin e troveremo un controllo e la corrispondente traiettoria che soddisfa tale Principio.