Controllo di Sistemi Multi-Robot e Interazione Uomo-Multi-Robot

Multi-robot systems are rapidly improving and thanks to technological innovations they will become part of our everyday life. This near future will need new control strategies for these systems to enable them to efficiently complete their tasks, and to interact with human operators. In this thesis we proposed new control strategies to take multi-robot systems one step forward towards their applications in real world and their common usage. First of all, we introduced a novel strategy for connectivity maintenance that can efficiently mediate between the task of the system and the need of communication among the agents of the system. In fact, most of the time a multi-robot system needs communication among its agents in order to work properly, hence a proper controller should consider this aspect. The proposed methodology is flexible, both in terms of type of tasks that can be achieved and of communication network, which can change during the task, always ensuring connectivity. One of the most useful features of multi-robot systems is their intrinsic distributed nature, which enables them with the ability of simultaneously monitor different areas, or measure different quantities of interest. This ability is usually used in coverage tasks, where the robots are deployed in a large area that could not be monitored, or measured, efficiently by a single robot or by human operators. Coverage is a well-known and well studied problem for multi-robot systems, but it is usually studied under mild assumptions. Hence, we proposed a distributed coverage control law that considers the limited sensing range of robots and does not rely on a communication network. Another challenging aspect of deploying multi-robot systems in real world is to provide them stable control laws. In this aspect, we introduced a novel methodology that enables a multi-robot systems to achieve its task in a stable manner, minimally changing the primary task. This method allows us to implement control law that may lead to instability in a safe manner, and eventually to deal with delays and interaction with unknown environments. Finally, the topic of human-multi-robot interaction is faced. In fact, in order to deploy a multitude of robots along with operators, we need to investigate how robots can exchange information with humans. We focused on the ability of a multi-robot system to communicate its intention to a human operator. This ability is defined as legibility. We studied if these systems can communicate in an implicit manner their objective, both in terms of spatial goal and coordination objective. Furthermore, we characterized how the different characteristic of control laws can affect legibility.

I sistemi multi-robot stanno migliorando rapidamente e grazie alle innovazioni tecnologiche diventeranno parte integrante della vita di tutti i giorni. Questo futuro è ormai vicino ed ha bisogno di nuove strategie di controllo per permettere a questi sistemi di svolgere in maniera efficiente le attività a loro assegnate e di interagire con gli operatori. In questa tesi proponiamo nuove metodologie di controllo per portare i sistemi multi-robot un passo avanti verso il loro utilizzo in applicazioni nel mondo reale e affinché diventino di uso comune. Prima di tutto abbiamo introdotto una nuova strategia per il mantenimento della connettività che può efficacemente bilanciare l'obiettivo del sistema con la necessità di avere comunicazione tra gli agenti del sistema stesso. Infatti, la maggior parte dei sistemi multi-robot ha bisogno di comunicazione tra gli agenti per poter funzionare correttamente, quindi un controllore adeguato deve tenere conto di questo aspetto. La metodologia proposta è flessibile sia in termini di tipologie di compiti che possono essere ottenuti, sia di rete di comunicazione, che può cambiare durante l'attività, ma sempre garantendo un sistema connesso. Una delle caratteristiche più utili dei sistemi multi-robot è la loro natura intrinsecamente distribuita, che permette a questi sistemi di monitorare contemporaneamente aree diverse o di misurare molteplici quantità di interesse allo stesso tempo. Questa abilità è spesso impiegata nell'ambito di compiti di coverage, in cui i robot sono dispiegati in ampie aree che non potrebbero essere monitorate, o misurate, efficacemente da un robot singolo o da operatori. Il problema del coverage è ben noto e studiato nell'ambito dei sistemi multi-robot, ma è solitamente affrontato introducendo delle ipotesi importanti. Proponiamo quindi una legge di controllo distribuita che considera le capacità di percezione limitate dei robot e che non si affida ad una rete di comunicazione. Un altro aspetto impegnativo da tenere in considerazione nel dispiegamento dei sistemi multi-robot nel mondo reale è il fatto di poter implementare leggi di controllo stabili. Da questo punto di vista, introduciamo una nuova metodologia che permette ad un sistema multi-robot di compiere il proprio obiettivo in una maniera stabile, andando ad intaccare il meno possibile l'obiettivo stesso. Questo metodo permette di implementare in maniera stabile anche una legge di controllo che potrebbe introdurre instabilità, ed eventualmente anche di poter far fronte alla presenza di ritardi e all'interazione con un ambiente sconosciuto. Infine, è trattato l'argomento dell'interazione tra uomo e sistemi multi-robot. Infatti, per poter utilizzare una moltitudine di robot al fianco degli operatori è necessario investigare come i robot possono comunicare con l'uomo. Ci siamo focalizzati sull'abilità dei sistemi multi-robot di comunicare il proprio intento ad un operatore. Questa abilità è definita come leggibilità. Abbiamo investigato se esiste la possibilità per questi sistemi di comunicare in maniera implicita il loro obiettivo, sia in termini di obiettivi spaziali, sia di obiettivi di coordinazione. Abbiamo inoltre caratterizzato come le diverse caratteristiche delle leggi di controllo possono influenzare la leggibilità.