PREMIO CLAUDIO BONIVENTO

I robot e la robotica mobile hanno guadagnato molte attenzioni durante gli ultimi anni, ed è stimato che le applicazioni nella robotica aumenteranno esponenzialmente nei prossimi anni. Grazie alla loro flessibilità e ai miglioramenti nel campo dell’automazione, i robot mobili sono usati in molte applicazioni: domotica, missioni di ricerca e soccorso, esplorazioni di ambienti ostili, agricoltura, protezione ambientale e molti altri. Le ca- pacità di base che un robot mobile deve compiere per una missione è la possibilità di muoversi agilmente nell’ambiente circostante. Può sembrare un task semplice per gli uomini, ma per un robot ci sono molte difficoltà tecniche. La capacità di movimento di un robot mobile si suddivide nelle cosidette: guidance, navigation and control. Guid- ance si riferisce alla capacità di generare una traiettoria consona per la missione. La traiettoria generata, di solito deve utilizzare le informazioni dell’ambiente circostante e dello stato del robot e deve permettere di muovere il robot verso un obiettivo in maniera sicura evitando gli ostacoli ed eventuali pericoli. Navigation si riferisce invece all’abilità di determinare lo stato del robot a partire dalle informazioni dei sensori di bordo. Per esempio lo stato del robot potrebbe essere la sua posizione e velocità nello spazio, ma potrebbe anche rappresentare stati di alto livello come per esempio guasti ad attuatori o sensori. Infine Control riguarda l’abilità di generare appositi input agli attuatori del robot, per farlo muovere sulla traiettoria generata e per garantire stabilità del sistema. Per un’ automobile autonoma per esempio gli input potrebbero essere le velocità o le coppie alle ruote. Questa tesi si focalizzerà su guidance e control per robot mobili, con applicazioni ad alcune classi di robot. In particolare, le applicazioni riguardano Vertical Take Off and Landing Unmanned Aerial Vehicles (VTOL UAV) e differential-wheel robot o robot car-like. La prima classe di robot (VTOL) è un perfetto benchmark a causa della sottoattuazione che lo caratterizza e per il particolare modello dinamico, mentre la sec- onda è perfetta ancora per la sottoattuazione e perchè soggetta a vincoli non olonomi. Il contributo di questa tesi riguardano la modellazione e il controllo delle due classi di in- teresse e lo sviluppo di nuove strategie di controllo e pianificazione del moto combinate per sistemi cinematici/dinamici. Per quanto riguarda la modellazione, viene proposto un nuovo approccio per modellare VTOL con eliche multiple, con il goal di generare un modello generico visto come composizione di singoli elementi attuatore/payload. Per quanto riguarda il controllo, sono proposte due nuove leggi di controllo per VTOL e differential-wheel robot. La prima con lo scopo di generare una legge di controllo sem- plice ma potente in grado di stabilizzare asintoticamente e globalmente il VTOL per compiere manovre acrobatiche. La seconda invece è una semplice legge di controllo saturata in velocità per il differential-wheel robot che permette l’inseguimento di trai- ettorie in un piano 2D. Per quanto riguarda la pianificazione del moto, innanzitutto viene proposto un approccio innovativo per generare traiettorie semplici ma non fat- tibili, che garantiscono comunque una traiettoria corretta per robot di cui si tiene conto del modello cinematico/dinamico. L’obiettivo di questo approccio è di ridurre il tempo di computazione richiesto dalla pianificazione della traiettoria, per essere utilizzato in applicazioni realistiche real-time. Inoltre viene presentato un innovativo framework di pianificazione del moto per robot mobili basato sulla teoria dei DES (Discrete Event System). I due approcci proposti consentono assieme di sviluppare un pianificatore di moto globale, real-time, con traiettorie quasi ottime, per modelli cinematici/dinamici ed adatto alla ripianificazione del moto per ambienti non noti e dinamici. Gli approcci proposti saranno supportati durante tutta la tesi con simulazioni ed esperimenti con applicazioni a piattaforme robotiche vere.