Modello B - UNICAS - Università degli Studi di Cassino

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Ministero dell Istruzione, dell Università e della Ricerca
DIPARTIMENTO PER L'UNIVERSITÀ, L'ALTA FORMAZIONE ARTISTICA, MUSICALE E COREUTICA E PER LA
RICERCA SCIENTIFICA E TECNOLOGICA
PROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE
RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO (DM n. 30 del 12 febbraio 2004)
PROGETTO DI UNA UNITÀ DI RICERCA - MODELLO B
Anno 2004 - prot. 2004094134_001
1.1 Tipologia del programma di ricerca
Interuniversitario
Aree scientifico disciplinari
Area 09: Ingegneria industriale e dell'informazione (100%)
1.2 Durata del Programma di Ricerca
24 Mesi
1.3 Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca
CHIAVERINI
STEFANO
[email protected]
ING-INF/04 - Automatica
Università degli Studi di CASSINO
Facoltà di INGEGNERIA
Dipartimento di AUTOMAZIONE, ELETTROMAGNETISMO, INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE E
MATEMATICA INDUSTRIALE
1.4 Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca
CHIAVERINI
STEFANO
Professore Ordinario
05/12/1961
CHVSFN61T05F839B
ING-INF/04 - Automatica
Università degli Studi di CASSINO
Facoltà di INGEGNERIA
Dipartimento di AUTOMAZIONE, ELETTROMAGNETISMO, INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE E
MATEMATICA INDUSTRIALE
0776/2993689
(Prefisso e telefono)
0776/2993707
(Numero fax)
[email protected]
(Email)
1.5 Curriculum scientifico del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca
MIUR - BANDO 2004
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Ministero dell Istruzione,
dell ,Università e della Ricerca
PARTE I
Testo italiano
Stefano Chiaverini è nato a Napoli il 5 Dicembre 1961. Ha conseguito la Laurea ed il Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettronica
presso l'Università di Napoli nel 1986 e 1990, rispettivamente. Attualmente è Professore Straordinario di Automatica presso la
Facoltà di Ingegneria dell'Università di Cassino, ove è Direttore Vicario del Dipartimento di Automazione, Elettromagnetismo,
Ingegneria dell'Informazione e Matematica Industriale. Ha fatto parte dei Comitati di Programma della IEEE International
Conference on Robotics and Automation nel 1998, 2002, 2003 e 2004, della 2003 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent
Robots and Systems, del 1999 IEEE Hong Kong Symposium on Robotics and Control, della 2001 IEEE/ASME International
Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, ed è stato responsabile della Segreteria Scientifica del 8^ International
Symposium on Experimental Robotics (2002). I suoi interessi di ricerca comprendono tecniche di inversione della cinematica di
manipolatori, controllo di manipolatori ridondanti, sistemi di robot cooperanti, controllo forza/posizione di manipolatori, sistemi
robotici sottomarini, e sistemi robotici mobili. Ha pubblicato circa 130 articoli su riviste e atti di convegni scientifici internazionali,
è stato curatore del libro "Complex Robotic Systems" (Springer-Verlag, 1998), ed è coautore del libro "Fondamenti di Sistemi
Dinamici" (McGraw-Hill, 2003). E` stato revisore di articoli per numerose riviste internazionali e per numerosi congressi
internazionali. Dal Gennaio 2000 al Febbraio 2004 è stato Associate Editor della rivista internazionale IEEE Transactions on
Robotics and Automation ed è Senior Member della IEEE.
Testo inglese
Stefano Chiaverini was born in Naples, Italy on Dec. 5, 1961. He received the Laurea and the Research Doctorate degrees in
Electronics Engineering at the University of Naples, Italy in 1986 and 1990, respectively. He currently is Professor of Automatic
Control in the Engineering Faculty of the University of Cassino, where he is Vice Head of the Department of Automation,
Electromagnetics, Information Engineering, and Industrial Mathematics. He has been on the Program Committees of the IEEE
International Conference on Robotics and Automation in 1998, 2002, 2003 and 2004, of the 2003 IEEE/RSJ International
Conference on Intelligent Robots and Systems, of the 1999 IEEE Hong Kong Symposium on Robotics and Control, of the 2001
IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, and has been responsible of the Scientific Secretariat
of the 8th International Symposium on Experimental Robotics (2002). His research interests include manipulator inverse kinematics
techniques, redundant manipulator control, cooperative robot systems, force/position control of manipulators, underwater robotic
systems, and mobile robotic systems. He has published about 130 international journal and conference papers, is co-editor of the
book "Complex Robotic Systems" (Springer-Verlag, 1998), and is co-author of the book "Fondamenti di Sistemi Dinamici"
(McGraw-Hill, 2003). He has served as reviewer for several international journals and for several international conferences. From
January 2000 to February 2004 he has been Associate Editor of the international journal IEEE Transactions on Robotics and
Automation and is Senior Member of the IEEE.
1.6 Pubblicazioni scientifiche più significative del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca
1.
G. ANTONELLI; CHIAVERINI S. (2004). Fault tolerant kinematic control of platoons of autonomous vehicles 2004 IEEE
International Conference on Robotics and Automation.
2.
ANTONELLI G.; CHIAVERINI S. (2004). Experiments of fuzzy lane following for mobile robots 2004 American Control
Conference.
3.
ANTONELLI G.; CHIAVERINI S. (2003). A fuzzy approach to redundancy resolution for underwater vehicle-manipulator
systems CONTROL ENGINEERING PRACTICE. (vol. 11 pp. 445-452)
4.
G. ANTONELLI; CHIAVERINI S. (2003). Kinematic control of a platoon of autonomous vehicles 2003 IEEE International
Conference on Robotics and Automation. pp. 1464-1469
5.
G. ANTONELLI; CHIAVERINI S. (2003). Obstacle avoidance for a platoon of autonomous underwater vehicles 7th IFAC
Conf. on Manoeuvring and Control of Marine Crafts. pp. 143-148
1.7 Risorse umane impegnabili nel Programma dell'Unità di Ricerca
1.7.1 Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca
Personale docente
nº Cognome
Nome
Dipartimento
Qualifica
Settore
Disc.
Mesi Uomo
1° anno 2° anno
1. CHIAVERINI Stefano
Dip. AUTOMAZIONE,
ELETTROMAGNETISMO, INGEGNERIA
DELL'INFORMAZIONE E MATEMATICA
INDUSTRIALE
Prof.
Ordinario
ING-INF/04
6
6
2. FIGALLI
Dip. AUTOMAZIONE,
Prof.
ING-INF/04
2
2
Gennaro
MIUR - BANDO 2004
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Ministero dell Istruzione,
dell ,Università e della Ricerca
PARTE I
ELETTROMAGNETISMO, INGEGNERIA
DELL'INFORMAZIONE E MATEMATICA
INDUSTRIALE
Ordinario
3. FUSCO
Giuseppe Dip. AUTOMAZIONE,
ELETTROMAGNETISMO, INGEGNERIA
DELL'INFORMAZIONE E MATEMATICA
INDUSTRIALE
Prof.
Associato
ING-INF/04
3
3
4. ANTONELLI
Gianluca Dip. AUTOMAZIONE,
ELETTROMAGNETISMO, INGEGNERIA
DELL'INFORMAZIONE E MATEMATICA
INDUSTRIALE
Ricercatore ING-INF/04
Universitario
3
3
14
14
TOTALE
Altro personale
nº Cognome Nome
Dipartimento
Qualifica
1. PARILLO Fernando Dip. AUTOM. ELETTROM. ING. DELL' INF. E MAT. IND.
TOTALE
Tecnico cat. D
Mesi Uomo
1° anno 2° anno
2
2
2
2
1.7.2 Personale universitario di altre Università
Personale docente
Nessuno
Altro personale
Nessuno
1.7.3 Titolari di assegni di ricerca
Nessuno
1.7.4 Titolari di borse
nº Cognome
Nome Dipartimento
1. ARRICHIELLO Filippo Dip. AUTOM. ELETTROM. ING. DELL'
INF. E MAT. IND.
TOTALE
Anno di inizio Durata(in Tipologia
Mesi Uomo
borsa
anni)
1° anno 2° anno
2004
3
Dottorato
7
5
7
5
1.7.5 Personale a contratto da destinare a questo specifico programma
nº Qualifica
1. Altre tipologie
2. Altre tipologie
TOTALE
Costo previsto
Mesi Uomo
Note
1° anno 2° anno
8.000
6
Collaboratore tecnico/scientifico
8.000
6 Collaboratore tecnico/scientifico
16.000
6
6
1.7.6 Personale extrauniversitario indipendente o dipendente da altri Enti
Nessuno
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PARTE I
MIUR - BANDO 2004
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dell ,Università e della Ricerca
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PARTE II
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dell ,Università e della Ricerca
2.1 Titolo specifico del programma svolto dall'Unità di Ricerca
Testo italiano
Controllo coordinato e navigazione di squadre di robot in ambienti non strutturati
Testo inglese
Coordinated control and navigation of robot teams in unstructured environments
2.2 Settori scientifico-disciplinari interessati dal Programma di Ricerca
ING-INF/04 - Automatica
2.3 Parole chiave
Testo italiano
SQUADRE DI ROBOT ; ROBOT MOBILI ; CONTROLLO COORDINATO DEL MOTO ; NAVIGAZIONE ; FUSIONE
SENSORIALE ; RETROAZIONE VISUALE ; COSTRUZIONE DI MAPPE ; LOCALIZZAZIONE
Testo inglese
ROBOT TEAMS ; MOBILE ROBOTS ; COORDINATED MOTION CONTROL ; NAVIGATION ; SENSOR FUSION ; VISUAL
FEEDBACK ; MAP BUILDING ; LOCALIZATION
2.4 Base di partenza scientifica nazionale o internazionale
Testo italiano
In letteratura i termini sistema multi-robot, plotone, squadra, formazione, gruppo di robot o veicoli vengono utilizzati con larga
sovrapposizione di significato. Nel seguito verrà utilizzato il termine sistema multi-robot perché appare quello che in maniera più
generale riesce a comprendere sia insiemi di veicoli terrestri, aerei, e marini che insiemi di robot cooperanti al raggiungimento di
un obiettivo.
L'uso di sistemi multi-robot è di interesse in molteplici applicazioni, quali l'esplorazione di aree ampie e di difficile accessibilità per
l'uomo (p.es. fondali marini o terreni contaminati), le operazioni di ricerca e recupero (p.es. lo sminamento [25] o la pulizia di
ambienti [31]), la realizzazione di sistemi di trasporto automatizzati, fino ad applicazioni di intrattenimento quali giochi e
competizioni di squadra. In alcune applicazioni, inoltre, l'obiettivo assegnato non è fisicamente raggiungibile da un solo robot ma
può essere conseguito coordinando opportunamente più robot (p.es. presa di oggetti grandi, pesanti, o flosci, mediante squadre di
sistemi veicolo-manipolatore, oppure uso di due robot per spingere un divano [44]). In senso generale, anche singoli dispositivi
robotici complessi quali un sistema veicolo-manipolatore [3] o una mano robotica possono essere considerati come sistemi
multi-robot [15], [27]. Uno dei primi lavori concernenti i sistemi multi-robot è [38], in cui è esaminato anche l'aspetto della
sensoristica locale dei robot. Due importanti lavori di classificazione e rassegna sui problemi di cooperazione fra robot sono [5],
[46].
Gli approcci e le architetture utilizzate per governare i sistemi multi-robot sono innumerevoli; spesso le linee di demarcazione fra i
diversi algoritmi sono sfumate ed è difficile fare una classificazione netta fra loro. In prima approssimazione i sistemi multi-robot
possono essere caratterizzati in base a:
- presenza di un'architettura centralizzata o decentralizzata [24] e, in quest'ultimo caso, considerando se il sistema è gerarchico
[17], [32] o distribuito [39];
- differenziazione dei componenti il sistema, cioè considerando se i robot sono o meno identici;
- struttura di comunicazione, che spazia dall'assenza completa di comunicazione fra i robot [20], ad una comunicazione
unidirezionale con un supervisore [4], [10], ad architetture che richiedono esplicita comunicazione fra robot [42], [43];
- uso di modellistica del comportamento degli altri robot componenti il sistema [19], come, ad es., nel caso di giochi di squadra in
cui questo approccio può aumentare l'efficienza dell'azione.
Alcuni aspetti importanti nello studio di sistemi multi-robot composti da squadre di veicoli autonomi riguardano il controllo
coordinato e la navigazione in ambienti non strutturati. In tale ambito, risulta di fondamentale importanza la risoluzione di una serie
di problematiche specifiche.
Un primo problema che deve essere affrontato riguarda la pianificazione del moto del sistema, inteso come moto coordinato di più
robot in uno spazio comune [29], [40], [34]. Tale problema, che include quello del controllo della distribuzione dei veicoli in una
formazione di geometria assegnata, è generalmente affrontato tramite approcci geometrici [4], [9] o approcci basati su regole
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PARTE II
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dell ,Università e della Ricerca
comportamentali [6]. Nell'ambito del pianificazione del moto ricadono l'esplorazione di una regione [13], [45] o il controllo di
plotoni di automobili in autostrade automatizzate ed il controllo del traffico aereo [36]. Durante un compito di esplorazione
l'eventuale ridondanza sensoriale disponibile può essere opportunamente sfruttata [28].
Nel moto autonomo di un sistema multi-robot in un ambiente non strutturato le tecniche di controllo basate su sola retroazione di
informazione sensoriale propriocettiva non possono, in generale, garantire la corretta esecuzione di un compito. Tra i dati sensoriali
eterocettivi utilizzabili per il controllo, un ruolo molto importante è svolto da quelli forniti da un sistema di visione; in tal caso,
bisogna però garantire un'efficiente estrazione dall'immagine delle informazioni utili per la retroazione [16]. Più in generale, l'uso
di sensoristica eterocettiva si rende indispensabile per sopperire alla carenza di dati per la pianificazione e per la gestione di eventi
non noti a priori (per esempio, assenza/incompletezza della mappa ambientale, presenza di ostacoli, persone in movimento nell'area
di lavoro, oggetti fuori posto nell'ambiente). Pertanto, un traguardo importante da raggiungere consiste nella realizzazione di
sistemi di navigazione operanti in tempo reale che sfruttino la disponibilità di informazione sensoriale sullo stato dell'ambiente [2],
[12], [23], [26], [37].
Altre metodologie necessarie al funzionamento autonomo in ambienti non strutturati riguardano la localizzazione dei veicoli che
compongono il sistema multi-robot [11]. A tale scopo risulta necessario lo sviluppo di tecniche di filtraggio dei dati sensoriali [21].
La fusione di diversi dati sensoriali può altresì essere sfruttata per procedere alla costruzione di mappe dell'ambiente [1], [8], [22],
[30], [35]. Recentemente, sono allo studio tecniche per procedere simultaneamente alla localizzazione ed alla costruzione della
mappa ambientale (SLAM) [14], [18].
Accanto alle problematiche relative allo sviluppo di nuove metodologie di controllo, risulta pure di notevole interesse applicativo lo
studio e la sperimentazione di opportune architetture di controllo [33] con particolare riferimento, in tempi più recenti, ai sistemi
telecontrollati via reti informatiche [7], [47]. In particolare, la scelta dell'architettura hardware/software deve soddisfare i requisiti
minimi di comunicazione sia fra i robot che rispetto ad un eventuale unità di controllo centralizzata, e pertanto pone forti vincoli
sulla applicabilità di una tecnica a sistemi multi-robot di grande dimensioni.
Un altro tema di interesse applicativo riguarda lo studio di tecniche specifiche di tolleranza ai guasti. Nel caso dei sistemi
multi-robot si desidera salvaguardare l'esecuzione del compito assegnato anche in caso di smarrimento o distruzione di uno o più
componenti della squadra [41].
Testo inglese
The terms multi-robot system, platoon, team, formation, group of robots or vehicles are used in the literature with wide overlap of
meaning. In the following, we will adopt the term multi-robot system since it is suited to denote in the most general way both a set of
terrestrial, aerial, or marine vehicles and a set of robots that cooperate to achieve a common target.
The adoption of a multi-robot system is of interest in many applications, such as exploration of wide areas or environments that are
difficult to be accessed by humans (e.g., marine depth or contaminated sites), search and rescue operation (e.g., demining [25] or
area cleaning [31]), realization of automated transportation systems, up to entertainment applications, such as team games and
competitions. Moreover, in some applications the assigned task cannot be executed by a single robot but can be instead achieved by
suitably coordinating multiple robots (e.g., grasping of large, heavy, or limp objects by teams of vehicle-manipulator systems, or the
use of two robots to push a sofa [44]). From a general point of view, even single complex robotic devices, such as a
vehicle-manipulator system [3] or a robotic hand can be considered as multi-robot systems [15], [27]. One of the first papers
concerning multi-robot systems is [38], in which also the local sensing capability of the robot is discussed. Two good papers that
attempt a classification and an overview of cooperative control problems for robots are [5], [46].
There is a very large number of approaches and architectures for handling control of multi-robot systems reported in the literature;
very often the differences between the algorithms are light and it is difficult to set up a neat classification. At a first sight multi-robot
systems can be characterized by looking at:
- presence of a centralized versus a decentralized architecture [24]; in the latter case, one might consider if the system is
hierarchical [17], [32] or distributed [39];
- differences among the systems' components, i.e., considering if identical robots are used or not;
- structure of the communication, ranging from absolute absence of robot communication [20], to one-way communication of each
robot to a supervisor [4], [10], to full inter-vehicle communication [42], [43];
- use of behavioral models of the other robots composing the system [19], such as, e.g., in the case of team games where this
approach can enhance effectiveness of the action.
A first problem to be solved is motion planning of the system, aimed at motion coordination of multiple robots sharing a common
space [29], [40], [34]. This problem, which includes that of controlling distribution of the vehicles according to a formation of
assigned geometry, is generally dealt with by geometric approaches [4], [9] or by behaviorally-based approaches [6]. In the
framework of motion planning is exploration of a region [13], [45] or control of a platoon of cars in automated freeways and aerial
traffic control [36]. During an exploration task the possibly available redundancy of sensory data can be suitably exploited [28].
In the autonomous motion of a multi-robot system within an unstructured environment, control techniques based on sole
proprioceptive sensory feedback cannot guarantee proper task execution, in general. Among the heteroceptive sensory data that can
be used for control purposes, a major role is played by visual data; in this case, however, an efficient extraction of the relevant
features needed to the feedback closure must be ensured [16]. In a more general sense, the use of heteroceptive sensors is made
necessary to overcome lack of data needed to planning and to face unplanned events (e.g., missing or incomplete map of the
environment, presence of obstacles, moving humans in the workspace, misplaced objects in the environment). Therefore, an
important goal to be reached is the realization of navigation systems operating in real time, based on available sensory data about
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the status of the environment [2], [12], [23], [26], [37].
Other methodologies needed to autonomous operation in unstructured environments are those related to the localization of the
vehicles composing the multi-robot system [11]. To the purpose, the development of filtering techniques to process sensory data is
needed [21]. On the other hand, fusion of different sensory data can be exploited to build maps of the environment [1], [8], [22],
[30], [35]. Recently, techniques for simultaneous localization and map building (SLAM) are under development [14], [18].
Besides the development of new control methodologies, it is also of major interest in the applications the design and the experimental
validation of suitable control architectures [33], lately with special emphasis on internet-based telecontrolled systems [7], [47]. In
particular, the choice of a specific hardware/software architecture must satisfy the minimum requirements to guarantee both
inter-vehicle communication and communication to the supervisor; therefore, strong limitations may be experienced in case of
porting of some technique to multi-robot systems with many vehicles.
Another issue of major interest in the applications is the development of specific fault-tolerant control techniques. In the case of
multi-robot systems it is desired to guarantee accomplishmento of the given task even in case of loss or breakage of one or more
components of the team [41].
2.4.a Riferimenti bibliografici
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Mechatronics, 7(2)134-142, 2002.
[38] C. Reynolds, "Flocks, herd and schools: A distributed behavioral model", Computer Graphics, 21(4)25-34, 1987.
[39] D.A. Schoenwald, J.T. Feddema and F.J. Oppel, "Decentralized control of a collective of autonomous robotic vehicles", Proc.
2001 American Control Conf., pp. 2087-2092.
[40] T. Simeon, S. Leroy, and J.-P. Laumond, "Path coordination for multiple mobile robots: a resolution-complete algorithm",
IEEE Trans. Robotics & Automation, 18:42-49, 2002.
[41] J. Starke, "Dynamical assignment of distributed autonomous robotic systems to manufacturing targets considering
environmental feedbacks", Proc. 2002 IEEE Int. Symp. Intelligent Control, pp. 678-683.
[42] D.J. Stilwell, "Decentralized control synthesis for a platoon of autonomous vehicles", Proc. 2002 IEEE Int. Conf. Robotics &
Automation, pp. 744-749.
[43] D.J. Stilwell and B.E. Bishop, "A strategy for controlling autonomous robot platoons", Proc. 39th IEEE Conf. Decision and
Control, pp. 3483-3488, 2000.
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dell ,Università e della Ricerca
[44] T. Sugar, J.P. Desai, V. Kumar and J.P. Ostrowski, "Coordination of multiple mobile manipulators", Proc. 2001 IEEE Int.
Conf. Robotics & Automation, pp. 3022-3027.
[45] B. Yamauchi, "Decentralized coordination for multirobot exploration", Robotics & Autonomous Systems, 29:111-118, 1999.
[46] Y. Uny Cao, A.S. Fukunaga and A.B. Kanhg, "Cooperative mobile Robotics: antecedents and directions", Autonomous Robots,
4:7-27, 1997.
[47] N. Xi and T.J. Tarn, "Action synchronization and control of internet based telerobotic systems", Proc. 1999 IEEE Int. Conf.
Robotics & Automation, pp. 219-224.
2.5 Descrizione del programma e dei compiti dell'Unità di Ricerca
Testo italiano
Nell'ambito del progetto PICTURE, oltre a svolgere la funzione di coordinamento scientifico del Programma di Ricerca, l'unità di
Cassino (UNICAS) svolge funzioni di coordinamento dell'attività di ricerca relativa al tema TEAM, al cui sviluppo collaborano
anche le unità UNIGE, UNIPI, POLITO e UNIVPM, come illustrato nel Modello A. All'interno di tale tema, UNICAS si occuperà
principalmente di sistemi multi-robot composti da squadre di veicoli autonomi. Obiettivo della ricerca di UNICAS nell'ambito del
tema TEAM è lo sviluppo di nuove tecniche di pianificazione del moto coordinato e di nuove strategie di navigazione per squadre di
robot in ambienti non strutturati o parzialmente strutturati. Particolare attenzione sarà rivolta al collegamento con i temi affini
sviluppati nell'ambito di PICTURE, con specifico riferimento alle tecniche di controllo di robot mobili basate su dati multi-sensoriali
(tema MULTI), al controllo coordinato di sistemi veicolo-manipolatore (tema VMS), ed alle loro possibili applicazioni in ambito
sottomarino (tema UNDW).
Per la validazione sperimentale delle metodologie sviluppate è previsto l'utilizzo di diversi robot e veicoli autonomi in ambienti non
strutturati o a parziale strutturazione (p.es., laboratori, corridoi, cortili). Una descrizione del laboratorio coinvolto nella
sperimentazione può essere reperita alla URL:
http://webuser.unicas.it/lai
In particolare, l'unità UNICAS dispone di:
- 1 robot mobile I-Robot Magellan Pro con cinematica differential-drive di tipo uniciclo, corredato di 16 sonar, 16 infrarossi, 16
bumpers, radio-ethernet e telecamera a bordo;
- 1 robot mobile K-Team Khepera con cinematica differential-drive di tipo uniciclo, corredato di 8 infrarossi e di radio-modem;
- 1 sistema di visione fisso / mobile con telecamere bianco-nero e colore, e con frame grabber Matrox Meteor II multi-channel
collegato ad un desktop-PC.
Per una realistica validazione sperimentale dei temi di ricerca proposti sono in corso di acquisizione ulteriori 6 robot Khepera, che
consentiranno di testare con significatività tecniche di pianificazione del moto di squadre di veicoli autonomi.
Nell'ambito del tema TEAM, UNICAS si occuperà dello sviluppo di algoritmi per la pianificazione del moto di squadre di robot a
partire da primitive di comportamento assegnato e per l'esecuzione di tale moto in un ambiente parzialmente o totalmente incognito.
Le primitive di comportamento riguarderanno, ad esempio, la movimentazione dei robot in formazione ed il raggiungimento di
obiettivi di percorso, l'esplorazione coordinata di aree definite, ovvero la realizzazione di comportamenti reattivi per l'evitamento di
ostacoli lungo un percorso assegnato. Saranno investigate sperimentalmente architetture di navigazione, guida, e controllo per
squadre di robot costituite da veicoli autonomi che prevedono la distribuzione delle funzionalità sensoriali e decisionali su un
insieme di stazioni di elaborazione collegate in rete. In questo scenario, ogni robot mobile ospita a bordo un insieme di sensori
eterocettivi per la navigazione (per esempio, sonar, infrarossi, e -su un solo robot- telecamera) ed un processore con funzioni di
gestione del controllo locale e dello scambio dei dati (via etere), mentre un PC (in una postazione fissa collegata in rete) elabora
ulteriori informazioni sensoriali (per esempio, l'acquisizione della scena da parte di una telecamera fissa nell'ambiente) fondendole
con quelle provenienti dai veicoli in moto per elaborare le direttive di guida da fornire al plotone di veicoli. UNICAS si propone
inoltre di indagare la tolleranza degli algoritmi di navigazione di squadre di robot ad eventi quali la rottura o lo smarrimento di una
o più unità. In particolare, si intende sperimentare l'eventualità che un veicolo si blocchi durante un moto in formazione; in questo
caso, gli altri veicoli dovranno sia evitare il veicolo fuori uso che riconfigurarsi in maniera tale da portare a termine la missione.
UNICAS sarà pure impegnata sul tema MULTI, coordinato da POLITO. In questo ambito UNICAS si propone di studiare
architetture per l'utilizzo di dati sensoriali di molteplice natura (p.es., odometria, prossimità, visione) per la navigazione ed il
controllo di robot mobili. Tali dati sensoriali possono essere distribuiti fra diversi robot e/o su stazioni di controllo fisse. In
particolare si prevede l'utilizzo di telecamere sia montate su robot che fisse ad inquadrare l'ambiente. Diverse architetture verranno
indagate rispetto alla quantità di informazione che ogni robot e/o processore di stazione fissa ha a disposizione. Ci si propone,
inoltre, di fornire al veicolo capacità comportamentali ispirate a quelle umane di fronte ai cambiamenti del percorso da seguire,
come, ad esempio, nel caso di occorrenza di una curva improvvisa. Allo scopo, si prevede di utilizzare la sensoristica eterocettiva
per aumentare la robustezza del sistema.
Nell'ambito del tema VMS, coordinato da UNIGE, UNICAS si propone di sviluppare e validare tecniche di controllo coordinato
veicolo-manipolatore. Infatti, leggi di controllo dinamico che tengono esplicitamente conto delle caratteristiche dinamiche di queste
strutture possono risultare in migliori prestazioni pur tenendo contenuto l'onere computazionale. La ridondanza cinematica
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intrinseca di questi sistemi, inoltre, può essere efficacemente sfruttata per il conseguimento di più obiettivi simultaneamente; ciò
sarà ottenuto ricorrendo a tecniche di controllo cinematico che fondono un approccio fuzzy con un'opportuna formulazione di
classici algoritmi di inversione cinematica a priorità di compito.
UNICAS sarà infine impegnata sul tema UNDW, coordinato da UNIVPM, nel cui ambito si propone l'applicazione delle tecniche di
pianificazione e controllo sviluppate per veicoli singoli e per squadre di veicoli a compiti robotici da eseguirsi in ambienti
sottomarini.
Schematicamente, la ricerca sarà sviluppata secondo le seguenti fasi, ciascuna della durata di sei mesi:
Fase 1 (costo 10000 Euro)
TEAM - Studio di algoritmi di pianificazione del moto di squadre di robot costituite da veicoli autonomi. Studio dei possibili guasti
con particolare riferimento alla perdita (smarrimento o guasto) di un veicolo appartenente ad una squadra.
MULTI - Scelta e messa a punto degli algoritmi da implementare.
VMS - Analisi delle prestazioni degli esistenti controllori dinamici ed algoritmi di sfruttamento della ridondanza per sistemi
veicolo-manipolatore.
UNDW - Studio dei possibili guasti per un singolo veicolo sottomarino e delle specifiche di moto per una squadra di veicoli
sottomarini autonomi.
Fase 2 (costo 23000 Euro)
TEAM - Analisi dei vincoli di implementabilità degli algoritmi, quali ritardi nelle comunicazioni, anolonomia dei veicoli, ecc. .
Acquisizione, installazione e configurazione di componenti hardware/software per il testbed sperimentale. Codifica dei guasti
intenzionalmente generati nell'architettura hardware/software disponibile in laboratorio.
MULTI - Implementazione dell'architettura hardware e del software per la gestione del setup sperimentale.
VMS - Stesura del codice per la simulazione di sistemi veicolo-manipolatori sia terrestri che a base flottante.
UNDW - Stesura del codice per la simulazione del modello dinamico di un singolo veicolo sottomarino e per la simulazione di una
squadra di veicoli sottomarini.
Fase 3 (costo 20000 Euro)
TEAM - Codifica degli algoritmi sul set-up sperimentale. Simulazione di guasto e test hardware-in-the-loop.
MULTI - Codifica e taratura degli algoritmi di pianificazione e controllo del moto.
VMS - Sviluppo di algoritmi di controllo cinematico e dinamico.
UNDW - Sviluppo di algoritmi di identificazione del modello di un veicolo sottomarino tramite reti neurali.
Fase 4 (costo 15000 Euro)
TEAM - Realizzazione sperimentale degli algoritmi proposti. Esperimenti di gestione dei guasti per una squadra di robot costituita
da diversi Khepera.
MULTI - Realizzazione sperimentale degli algoritmi su architetture multi-sensore.
VMS - Taratura degli algoritmi ed analisi delle prestazioni.
UNDW - Sviluppo di algoritmi di rilevazione guasti per veicoli sottomarini e di controllo coordinato per squadre di veicoli
sottomarini autonomi.
Testo inglese
In the framework of the project PICTURE, the Research Unit of Cassino (UNICAS) carries on both the scientific coordination of the
Research Program and coordination duties for the research activity under the TEAM topic, to which the Research Units UNIGE,
UNIPI, POLITO, and UNIVPM also cooperate, as detailed in Model A. Within the TEAM topic, UNICAS will mainly focus on
multi-robot systems composed by teams of autonomous vehicles. The research objective of UNICAS under the TEAM topic is the
development of new coordinated motion planning techniques and new navigation strategies for multi-robot systems in unstructured
or partially structured environments. Particular attention will be paid to the link with related topics developed in the PICTURE
project, with specific reference to multi-sensory control techniques for mobile robots (MULTI topic), to coordinated control of
vehicle-manipulator system (VMS topic), and to their possible application in underwater environments (UNDW topic).
To experimentally validate the developed methodologies, the use of different robots and autonomous vehicles in unstructured or
partially structured environments (e.g., laboratories, corridors, courtyards) is planned. A description of the laboratory involved in
the experimental activity can be found at the URL:
http://webuser.unicas.it/lai
In detail, the UNICAS Unit has at its disposal:
- 1 mobile robot I-Robot Magellan Pro with differential-drive unicycle-like kinematics, equipped with 16 sonar, 16 infrared, 16
bumpers, radio-ethernet and on board camera;
- 1 mobile robot K-Team Khepera with differential-drive unicycle-like kinematics, equipped with 8 infrared and radio-modem;
- 1 fixed / mobile vision system with black-and-white and color cameras, and with a Matrox Meteor II multi-channel frame grabber
linked to a desktop PC.
For a realistic experimental validation of the proposed research topics 6 additional Khepera robots are in purchase order that will
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allow at some degree of significance testing of motion planning techniques for a team of autonomous vehicles.
In the framework of the TEAM topic, UNICAS will focus on the development of algorithms for motion planning of multi-robot
systems which implement behavioral primitives and execute the planned motion in partially structured or unstructured environments.
These primitives will regard, e.g., movement of the robots in a given formation and the achievement of path targets, the coordinated
exploration of finite areas, or the implementation of reactive behaviors for obstacle avoidance over a given path. Architectures for
navigation, guidance and control of multi-robot systems constituted by autonomous vehicles will be investigated, that are based on
distributed sensory and decisional functionality over a network of computing resources. In this scenario, each mobile robot hosts on
board a set of etheroceptive sensors for navigation (e.g., sonar, infrared, and -on a single robot- a camera) together with a processor
which is in charge of handling local control and data exchange (through a radio-link). At the same time, a PC (connected to the
network from a fixed station) elaborates additional sensory information (for example, a view of the scene from a ground-fixed
camera) by fusing it with that coming from the moving vehicles; then, it elaborates the guidance instructions and send it to the
mobile robots. UNICAS will also investigate tolerance of the navigation algorithms for multi-robot systems to events such as failure
or loss of one or more vehicles of the team. In particular, it is planned to test in experiments the occurrence of one vehicle stopping
during a motion in formation; in this case, the other vehicles should both avoid the stopped vehicle and reconfigure themselves so as
to accomplish the mission.
UNICAS will also work on the MULTI topic, that is coordinated by POLITO. Within this topic, UNICAS will focus on the study of
architectures for exploiting multiple kinds of sensory data (e.g., odometry, proximity, vision) for navigation and control of mobile
robots. The sensory data is distributed over the different robots and/or ground-fixed control stations. In particular, the use of both
robot-fixed and ground-fixed cameras for different views of the environment is planned. Various architectures will be investigated
with respect to the different amount of information to be handled by each robot and/or by ground-fixed station. Another research
target is to provide human-inspired behavioral capabilities to the vehicle, aimed at handling changes in the path to be followed, such
as, e.g., in the case of a sudden bend. To this purpose, the use of etheroceptive sensors will be adopted to gain robustness of the
control system.
In the framework of the VMS topic, that is coordinated by UNIGE, UNICAS will focus on the development and validation of control
techniques for coordinating the motion of the manipulator and the vehicle. In fact, dynamic control laws taking explicitly take into
account the dynamics of the system can yield improved performance while keeping an affordable computational load. Moreover, the
intrinsic kinematic redundancy of vehicle-manipulator systems can effectively be exploited to achieve multiple goals at the same
time; this will be pursued by developing kinematic control techniques which merge a fuzzy approach to a suitable reformulation of
classical task-priority inverse kinematics algorithms.
Finally, UNICAS will work on the UNDW topic, that is coordinated by UNIVPM. The research activity carried out under this frame
is aimed at investigating application of the planning and control techniques developed for single vehicles and teams of vehicles to
robotic tasks to be executed in underwater environments.
Schematically, the research will be carried out according to the following phases, each of them lasting six months:
Phase 1 (cost 10000 Euro)
TEAM - Study of algorithms for motion planning of multi-robot systems constituted by autonomous vehicles. Study of possible faults
with specific reference to failure (either loss or fault) of a vehicle in a team.
MULTI - Choice and development of the algorithms to be implemented.
VMS - Analysis of the performance achievable by existing dynamic controllers and redundancy resolution algorithms for
vehicle-manipulator systems.
UNDW - Study of possible faults for a single underwater vehicle and of motion specifications for a team of autonomous vehicles.
Phase 2 (cost 23000 Euro)
TEAM - Analysis of the implementation constraints affecting the chosen algorithms, such as communication delays, anholonomic
motion, etc. . Acquisition, installation, and configuration of hardware/software components for the experimental testbed. Coding in
the available hardware/software architecture of intentional faults to be activated.
MULTI - Implementation of the hardware architecture and of the software needed to drive the experimental setup.
VMS - Coding of a simulator of vehicle-manipulator systems both ground-based and free-floating.
UNDW - Coding of a simulator of the dynamics of a single underwater vehicle and of a team of underwater vehicles.
Phase 3 (cost 20000 Euro)
TEAM - Coding of the algorithms on the experimental set-up. Simulation of a fault and hardware-in-the-loop test.
MULTI - Coding and tuning of the motion planning and control algorithms.
VMS - Development of kinematic and dynamic control algorithms.
UNDW - Development of algorithms based on neural networks for model identification of an underwater vehicle.
Phase 4 (cost 15000 Euro)
TEAM - Experimental validation of the proposed algorithms. Experiments of fault recovery for a team of robots composed by
Khepera vehicles.
MULTI - Implementation of the algorithms on multi-sensor architectures.
VMS - Tuning of the algorithms and performance analysis.
UNDW - Development of fault-detection algorithms for underwater vehicles and of coordinated control for teams of autonomous
underwater vehicles.
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PARTE II
2.6 Descrizione delle attrezzature già disponibili ed utilizzabili per la ricerca proposta con valore
patrimoniale superiore a 25.000 Euro
Testo italiano
nº
anno di
acquisizione
1.
2001
2.
3.
2003
2003
Testo inglese
nº
anno di
acquisizione
1.
2001
2.
3.
2003
2003
Descrizione
1 robot mobile I-Robot Magellan Pro, corredato di 16 sonar, 16 infrarossi, 16 bumpers, radio-ethernet e
telecamera a bordo.
Frame grabber e telecamere a colori e in bianco e nero.
1 robot mobile K-Team Khepera, corredato di 8 infrarossi e radio-modem. Sono in corso di acquisizione altri
6 robot mobili analoghi.
Descrizione
1 mobile robot I-Robot Magellan Pro, equipped with 16 sonar, 16 infrared, 16 bumpers, radio-ethernet and on
board camera.
Frame grabber and black-and-white and color cameras.
1 mobile robot K-Team Khepera, equipped with 8 infrared and radio-modem. Other 6 similar mobile robots
are now in purchase order.
2.7 Descrizione delle Grandi attrezzature da acquisire (GA)
Testo italiano
Nessuna
Testo inglese
Nessuna
2.8 Mesi uomo complessivi dedicati al programma
Personale universitario dell'Università sede
dell'Unità di Ricerca
Personale universitario di altre Università
Titolari di assegni di ricerca
Titolari di borse
Dottorato
Post-dottorato
Scuola di Specializzazione
Personale a contratto Assegnisti
Borsisti
Dottorandi
Altre tipologie
Personale extrauniversitario
TOTALE
MIUR - BANDO 2004
Numero Mesi uomo Mesi uomo Totale mesi uomo
1° anno
2° anno
5
16
16
32
0
0
1
0
0
0
0
0
2
0
8
0
0
0
7
5
12
6
6
12
29
27
56
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dell ,Università e della Ricerca
PARTE III
3.1 Costo complessivo del Programma dell'Unità di Ricerca
Testo italiano
Voce di spesa
Materiale
inventariabile
Spesa
Descrizione
in
Euro
21.000 Unità robotiche mobili con accessori, Sensoristica per la navigazione autonoma, Telecamera con
ottiche e frame grabber, Personal computer ed apparecchiature accessorie, Pacchetti software,
Libri.
Grandi Attrezzature
Materiale di
4.000 Componentistica di laboratorio, Cancelleria, Lucidi, Supporti magnetici ed ottici, Cartucce di
consumo e
stampa, Ricambi.
funzionamento
Spese per calcolo ed
elaborazione dati
Personale a
16.000 Collaboratori tecnico / scientifici.
contratto
Servizi esterni
Missioni
16.000 Partecipazione a convegni internazionali e nazionali, Riunioni di coordinamento, Mobilità intersede,
Visite a laboratori di ricerca.
Pubblicazioni
2.000 Contributi richiesti per la pubblicazione di memorie scientifiche.
Partecipazione /
7.000 Quote di iscrizione a convegni.
Organizzazione
convegni
Altro
2.000 Oneri amministrativi e costi di struttura.
TOTALE
68.000
Testo inglese
Voce di spesa
Spesa
Descrizione
in
Euro
21.000 Mobile robotic units with accessories, Sensory systems for autonomous navigation, Camera with
lenses and frame grabber, Personal computers and accessory devices, Software packages, Books.
Materiale
inventariabile
Grandi Attrezzature
Materiale di
4.000 Laboratory components, Stationery, Transparencies, Data storage media, Print cartridges,
consumo e
Replacement parts.
funzionamento
Spese per calcolo ed
elaborazione dati
Personale a
16.000 Technical / scientific collaborators.
contratto
Servizi esterni
Missioni
16.000 Participation to international and international conferences, Project coordination meetings,
Mobility among the research units, Visit to research laboratories.
Pubblicazioni
2.000 Due publication fees.
Partecipazione /
7.000 Registration to conferences.
Organizzazione
convegni
Altro
2.000 Administrative fees and department overhead.
TOTALE
68.000
3.2 Costo complessivo del Programma di Ricerca
Descrizione
Costo complessivo del Programma
dell'Unità di Ricerca
Fondi disponibili (RD)
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68.000
13.500 dall'Ateneo all'atto della presentazione
della domanda.
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PARTE III
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Fondi acquisibili (RA)
6.900 dall'Ateneo in caso di approvazione del
progetto.
Cofinanziamento di altre
amministrazioni
Cofinanziamento richiesto al MIUR
47.600
3.3.1 Certifico la dichiarata disponibilità e l'utilizzabilità dei fondi di Ateneo (RD e RA)
SI
(per la copia da depositare presso l'Ateneo e per l'assenso alla diffusione via Internet delle informazioni riguardanti i programmi
finanziati e la loro elaborazione necessaria alle valutazioni; legge del 31.12.96 n° 675 sulla "Tutela dei dati personali")
Firma _____________________________________
MIUR - BANDO 2004
Data 19/03/2004 ore 17:44
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