Control of networked autonomous robotic vehicles
Authors: Γιαννουσάκης Κωνσταντίνος 
Published: June 2021

Η διατριβή αυτή έχει ως αντικείμενο τον έλεγχο δικτυωμένων αυτόνομων ρομποτικών οχημάτων, καθώς και την αξιολόγησή του σε πειραματικό επίπεδο. Τα ρομποτικά οχήματα επιστρατεύονται είτε αυτόνομα είτε συνεργατικά σε μία κυρτή περιοχή ή σε μία μη­κυρτή περιοχή με εμπόδια. Τα ερευνητικά αντικείμενα που εξετάζονται είναι ο σχεδιασμός τροχιάς (trajectory planning), ο έλεγχος κίνησης (motion control), η αποφυγή εμποδίων (obstacle avoidance), η καλυψιμότητα χώρου (area coverage), καθώς και η επιστροφή σε γνωστές θέσεις (homing). Η βασική συνεισφορά της διατριβής έχει ως εξής. Πρώτον, σχεδιάστηκε μία αυτοματοποιημένη μέθοδος για τη δημιουργία μίας κατά τμήματα ελάχιστου χρόνου τροχιάς για ρομποτικά οχήματα. Δεύτερον, υλοποιήθηκε ένας ελεγκτής κίνησης για ρομποτικά οχήματα ο οποίος λαμβάνει υπόψη του τα εμπόδια. Τρίτον, προτείνεται μία νέα μέθοδος για την ανάθεση περιοχών αρμοδιότητας στα ρομπότ, η οποία και χρησιμοποιείται για την εξαγωγή βέλτιστων κατανεμημένων νόμων ελέγχου για τις διεργασίες της καλυψιμότητας χώρου και της επιστροφής σε γνωστές θέσεις, εντός μη­κυρτής περιοχής με εμπόδια. Τέλος, κάθε διεργασία αξιολογείται μέσα από πειράματα χρησιμοποιώντας ένα δίκτυο πραγματικών ρομποτικών οχημάτων, τα οποία με τη σειρά τους ελέγχονται σε πραγματικό χρόνο με τη βοήθεια εργαλείων υπολογιστικής γεωμετρίας. Τα πειράματα διεξάγονται χρησιμοποιώντας ρομποτικά οχήματα με διαφορική κίνηση, με την υποστήριξη ενός συστήματος εντοπισμού θέσης που υλοποιήθηκε για αυτό το σκοπό. Αυτό το σύστημα εντοπισμού θέσης, το οποίο στηρίζεται σε κάμερες και στη χρήση λογισμικού επαυξημένης πραγματικότητας, αποτελεί το βασικό μέσο για την εκτίμηση της θέσης των ρομπότ εντός της περιοχής ενδιαφέροντος. Η προκύπτουσα θέση και ο προσανατολισμός κάθε ρομπότ συνδυάζεται με τις μετρήσεις από τους τροχούς του, έτσι ώστε να εκτιμηθεί η πλήρης του κατάσταση. Επιπλέον, για τον αποτελεσματικό έλεγχο των ρομπότ, λαμβάνονται υπόψη στο σύνολο της διατριβής, τόσο το κινοδυναμικό μοντέλο του ρομποτικού οχήματος με διαφορική κίνηση, όσο και οι κινηματικοί του περιορισμοί. Η απλούστερη μέθοδος για τον έλεγχο ενός ρομπότ είναι μέσω του σχεδιασμού τροχιάς. Αφότου ορίσουμε την συνάρτηση τροχιάς και τις ιδιότητές της, προτείνουμε μία αυτοματοποιημένη μέθοδο δημιουργίας τροχιάς βέλτιστου χρόνου, δεδομένου ενός συνόλου σημείων που πρέπει να διασχίσει το ρομπότ. Με βάση την αρχική θέση και ταχύτητα του ρομπότ, η μέθοδος αυτή συνδέει τα σημεία με τη σειρά, ανά δύο, αξιοποιώντας τις καμπύλες Bezier τρίτης τάξης. Χρησιμοποιώντας μεθόδους βελτιστοποίησης υπό μη­γραμμικούς περιορισμούς, τα εκάστοτε τμήματα Bezier βελτιστοποιούνται ως προς τη χρονική διάρκεια υπό τους περιορισμούς στις ταχύτητες και στις επιταχύνσεις του ρομπότ. Το πρόβλημα βελτιστοποίησης απλοποιείται μέσω της εύρεσης ριζών πολυωνύμων και οδηγεί σε μία εφικτή, ομαλή τροχιά, που εκμεταλλεύεται όσο το δυνατόν περισσότερο τη δυναμική του ρομπότ. Παρόλο που οι τροχιές μπορούν εύκολα να ενσωματώσουν τη δυναμική του ρομπότ, δεν αποτελούν αποτελεσματικό τρόπο ελέγχου των ρομπότ ενός σμήνους, όπου η κίνησή τους καθορίζεται από τις αλληλεπιδράσεις τους. Στις περισσότερες διεργασίες με ρομποτικά σμήνη, ο ελεγκτής υψηλού επιπέδου του κάθε ρομπότ παρέχει μία επιθυμητή διεύθυνση κίνησης, επομένως απαιτείται ένας ελεγκτής κίνησης για να μετατρέψει αυτήν την διεύθυνση στην είσοδο ελέγχου του ρομπότ. Ως πρώτο βήμα, σχεδιάσαμε έναν ελεγκτή κίνησης ο οποίος δεν λαμβάνει υπόψη του την περιοχή, αλλά οδηγεί το ρομπότ όσο το δυνατόν γρηγορότερα προς μία επιθυμητή κατεύθυνση, λαμβάνοντας υπόψη τους δυναμικούς περιορισμούς, την περίοδο δειγματοληψίας και τη μέγιστη απόσταση κίνησης. Αυτός ο ελεγκτής γενικεύεται έτσι ώστε εκτός από τη δυναμική και τους περιορισμούς, να λαμβάνει υπόψη του την περιοχή και τις διαστάσεις του ρομπότ, προκειμένου να αποφευχθούν τα εμπόδια στο πεδίο ορατότητας του ρομπότ. Η απόδοση αυτών των ελεγκτών αξιολογείται μέσω πειραμάτων στον έλεγχο θέσης, εντός κυρτής, αλλά και μη-κυρτής περιοχής, όπου η διεύθυνση κίνησης καθορίζεται από το συντομότερο μονοπάτι από το ρομπότ στον στόχο του. Τέλος, βασιζόμενοι στους παραπάνω ελεγκτές κίνησης, εξετάσαμε τον κατανεμημένο έλεγχο σε ομάδα πολλαπλών ρομπότ. Ύστερα από την πειραματική αξιολόγηση ορισμένων γνωστών στρατηγικών καλυψιμότητας χώρου για κυρτές περιοχές, στραφήκαμε στον κατανεμημένο έλεγχο εντός μη-κυρτών περιοχών με εμπόδια. Αρχικά, αναπτύχθηκε μία μέθοδος ανάθεσης τμημάτων της μη-κυρτής περιοχής στα ρομπότ, όπου τα μέρη που ανατίθενται στο κάθε ρομπότ καθορίζονται σύμφωνα με την έννοια του ορατού πεδίου. Με βάση την παραπάνω μέθοδο, εξήχθησαν βέλτιστοι χωρικά κατανεμημένοι αλγόριθμοι για το πρόβλημα της επιστροφής σε γνωστές θέσεις, καθώς και για το πρόβλημα της καλυψιμότητας χώρου, εκφράζοντας το κάθε πρόβλημα μέσω μίας κατάλληλα επιλεγμένης συγκεντρωτικής συνάρτησης σκοπού.