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.

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

Night Vision Imaging System (NVIS) certification requirements analysis of an Airbus Helicopters H135

The safe operation of nighttime flight missions would be enhanced using Night Vision Imaging Systems (NVIS) equipment. This has been clear to the military since 1970s and to the civil helicopters since 1990s. In these last months, even Italian Emergency Medical Service (EMS) operators require Night Vision Goggles (NVG) devices that therefore amplify the ambient light. In order to fly with this technology, helicopters have to be NVIS-approved. The author have supported a company, to quantify the potentiality of undertaking the certification activity, through a feasibility study. Even before, NVG description and working principles have been done, then specifications analysis about the processes to make a helicopter NVIS-approved has been addressed. The noteworthy difference between military specifications and the civilian ones highlights non-irrevelant lacks in the latter. The activity of NVIS certification could be a good investment because the following targets have been achieved: Reductions of the certification cost, of the operating time and of the number of non-compliance.

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.

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.

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.

Spatial-temporal variability of the benthic communities in Ravenna harbour using Autonomous Reef Monitoring Structures (ARMS) with focus on Non-Indigenous Species (NIS)

A Non-Indigenous Species (NIS) is defined as an organism, introduced outside its natural past or present range of distribution by humans, that successfully survives, reproduces, and establish in the new environment. Harbors and tourist marinas are considered NIS hotspots, as they are departure and arrival points for numerous vessels and because of the presence of free artificial substrates, which facilitate colonization by NIS. To early detect the arrival of new NIS, monitoring benthic communities in ports is essential. Autonomous Reef Monitoring Structures (ARMS) are standardized passive collectors that are used to assess marine benthic communities. Here we use an integrative approach based on multiple 3-month ARMS deployment (from April 2021 to October 2022) to characterize the benthic communities (with a focus on NIS) of two sites: a commercial port (Harbor) and a touristic Marina (Marina) of Ravenna. The colonizing sessile communities were assessed using percentage coverage of the taxa trough image analyses and vagile fauna (> 2 mm) was identified morphologically using a stereomicroscope and light microscope. Overall, 97 taxa were identified and 19 of them were NIS. All NIS were already observed in port environments in the Mediterranean Sea, but for the first time the presence of the polychaete Schistomeringos cf. japonica (Annenkova, 1937) was observed; however molecular analysis is needed to confirm its identity. Harbor and Marina host significantly different benthic communities, with significantly different abundance depending on the sampling period. While the differences between sites are related to their different environmental characteristic and their anthropogenic pressures, differences among times seems related to the different life cycle of the main abundant species. This thesis evidenced that ARMS, together with integrative taxonomic approaches, represent useful tools to early detect NIS and could be used for a long-term monitoring of their presence.