ECTS - University of Pisa
Il corso si propone di fornire agli allievi le nozioni fondamentali e gli strumenti necessari per l’analisi, la progettazione e la realizzazione di sistemi di controllo per sistemi robotici, intesi nella loro più ampia accezione: sistemi fisici controllati da un processore digitale, dotati di capacità sensoriali e di intervento sull’ambiente, con caratteristiche di elevata autonomia e di facile interazione con l’uomo. Al termine del corso, lo studente avrà:
The course aims at providing students with the basic knowledge and tools needed for the analysis, design and implementation of robotic control systems in their broadest sense: physical systems controlled by a digital processor, equipped with sensory capabilities and intervention on the environment, with peculiarities of high autonomy and easy interaction with humans. At the end of the course, the student will have:
La verifica delle conoscenze avviene attraverso la applicazione delle stesse a casi di studio, i cui risultati sono presentati e discussi attraverso una relazione tecnica ed una presentazione con strumenti multimediali.
Knowledge verification occurs through application of the course topics to case studies. Results are presented and discussed through a technical report and a presentation with multimedia tools.
Al termine dell'insegnamento lo studente saprà:
At the end of the course the student will know how to:
Durante il corso le tecniche apprese di pianificazione e controllo verranno applicate su sistemi robotici simulati e/o fisici in attività di esercitazione e laboratoriale, sotto la supervisione dei docenti e dei collaboratori alla didattica
During the course, the motion planning and control techniques will be applied on simulated and / or physical robotic systems in exercise and laboratory activities, under the supervision of teachers and teaching staff
Al termine del corso gli studenti avranno sviluppato l’attitudine a riconoscere nei problemi applicativi di diversa natura che possono essere loro proposti, le caratteristiche salienti dei sistemi robotici in una accezione ampia del termine, di riconoscere le tecniche più adeguate per la pianificazione del moto e per il controllo, e di applicare gli strumenti di progetto appresi.
At the end of the course, students will have developed the ability to recognize in problems of different nature that can be proposed to them, the salient features of robotic systems in a broad sense of the term, to recognize the most appropriate techniques for motion planning and control, and to apply the design tools learned.
Agli studenti verrà chiesto di proporre argomenti di approfondimento nei quali loro stessi dovranno scegliere i sistemi cui applicare le tecniche apprese. In questo modo, potranno dimostrare di saper estendere l’applicabilità dei metodi ad una classe più generale di problemi che potranno incontrare nella loro vita professionale.
Students will be asked to propose topics to be studied in detail in which they will have to choose which learned technique is more suitable to be applied. In this way, they will be able to demonstrate how to extend the applicability of the methods to a more general class of problems they may encounter in their professional life.
Nessuno
N/A
Nessuno
N/A
Le lezioni vengono svolte alla lavagna con l'eventuale uso di supporti multimediali per la visione di immagini e video.
Modalità di apprendimento:
Metodologia di insegnamento:
Lessons are performed on the blackboard with the possible use of multimedia media for viewing images and videos.
Learning modality:
Teaching methodology:
1 Controllo Cinematico
1.1 Catene Cinematiche Seriali
1.2 Veicolo planare vincolato su binario rettilineo o circolare
1.3 Veicolo planare con vincolo di ruota singola (uniciclo)
1.3.1 Inseguimento di traccia con uniciclo
1.3.2 Inseguimento del moto di un punto con uniciclo
1.3.3 Controllo di postura (regolazione) di un veicolo uniciclo
1.4 Veicolo planare con vincolo di ruota doppia (biciclo)
2 Controllo Dinamico di Sistemi Meccanici Completamente Attuati
2.1 Controllori PD Indipendenti
2.2 Controllo a Coppia Calcolata
2.2.1 Robustezza del Controllo a Coppia Calcolata
2.2.2 Controllo Robusto o a Struttura Variabile
2.2.3 Controllo a Coppia Calcolata Adattivo
2.3 Controllo in Backstepping
2.3.1 Controllo in Backstepping di SIstemi Lagrangiani Completamente Attuati Senza Vincoli
2.3.2 Controllo in Backstepping di SIstemi Lagrangiani Completamente Attuati Con Vincoli
2.3.3 Controllo Adattativo in Backstepping
3 Sistemi Intrinsecamente Nonlineari
3.1 Proprietà strutturali e nonlinearità intrinseche.
3.2 Sistemi Nonlineari: Strumenti di Analisi
3.2.1 Descrizione dello Spazio di Stato, Varietà e Diffeomorfismi
3.2.2 Cambiamenti di Coordinate e Spazi Tangenti
3.2.3 Funzioni, vettori e covettori
3.2.4 Operazioni su Funzioni, vettori e covettori
3.2.5 Distribuzioni e Codistribuzioni
3.2.6 Integrabilità e Teorema di Frobenius
3.3 Raggiungibilità di sistemi nonlineari
3.4 Osservabilità di sistemi non lineare affini nel controllo
4 Controllo di Sistemi Nonlineari
4.1 Introduzione
4.2 Linearizzazione Ingresso-Stati SISO
4.3 Linearizzazione Ingresso-Uscita SISO
4.4 Linearizzazione in retroazione MIMO
5 Introduzione ai sistemi multi robot
5.1 Caratteristiche e problematiche
5.2 Astrazione e modellistica
6 Introduzione alla teoria dei grafi
6.1 Definizioni, caratteristiche e proprietà dei grafi
6.2 Matrici associate ai grafi e analisi spettrale
6.3 Introduzione all'ottimizzazione discreta
6.4 Introduzione alla programmazione dinamica
7 Algoritmi di pianificazione del moto
7.1 Introduzione al problema della pianificazione del moto
7.2 Modelli geometrici e spazio delle configurazioni
7.3 Algoritmi di pianificazione combinatorici.
7.4 Algoritmi di pianificazione del moto basati su campionamento.
7.5 Algoritmi di pianificazione basati sui potenziali o su comportamenti
8 Algoritmi distribuiti su reti sincrone
8.1 Introduzione agli algoritmi distribuiti su reti sincrone
8.2 Il Protocollo del Consenso a tempo continuo e discreto
9 Controllo di formazione
9.1 Introduzione al controllo in formazione
9.2 Formalizzazione e modellistica delle formazioni
9.3 Controllo di formazioni con dinamica lineare
9.4 Controllo di formazioni di unicicli
9.5 Problema del Coverage
10 Strumenti di simulazione robotica
10.1 Uso del Matlab per la simulazione di sistemi robotici distribuiti
10.2 Introduzione al Robotics Operative System (ROS)
1 Kinematic Control
1.1 Serial Kinematic Chains
1.2 Planar vehicle constrained on rectilinear or circular track
1.3 Single wheel planar vehicle
1.3.1 Unicycle path tracking
1.3.2 Unicycle trajectory tracking
1.3.3 Unicycle position control
1.4 Bicycle control
2 Dynamic Control of Fully Actuated Mechanical Systems
2.1 Independent PD Controllers
2.2 Computed Torque Control
2.2.1 Robustness of the Computed Torque Control
2.2.2 Robust control or Variable Structure Control
2.2.3 Adaptive Computed Torque Control
2.3 Backstepping Control
2.3.1 Backstepping control of fully actuated unconstrained Lagrangian systems
2.3.2 Backstepping control of fully actuated constrained Lagrangian systems
2.3.3 Backstepping Adaptive Control
3 Intrinsically Nonlinear Systems
3.1 Structural properties and intrinsic nonlinearity.
3.2 Nonlinear Systems: Analysis Tools
3.2.1 Description of State Space, Manifolds and Diffeomorphisms
3.2.2 Coordinates changes and Boundary Spaces
3.2.3 Functions, vectors and co-vectors
3.2.4 Operations on functions, vectors and covectors
3.2.5 Distributions and Codistributions
3.2.6 Integrability and Frobenius Theorem
3.3 Reachability of nonlinear systems
3.4 Observability of nonlinear systems affine in the control
4 Nonlinear Systems Control
4.1 Introduction
4.2 SISO Input-States Linearization
4.3 SISO Input-Output Linearization
4.4 MIMO Feedback Linearization
5 Introduction to multi-robot systems
5.1 Peculiarities and challenges
5.2 Abstraction and modeling
6 Introduction to graph theory
6.1 Definitions, characteristics and Properties of Graphs
6.2 Matrices associated to graphs and spectral analysis
6.3 Introduction to Discrete Optimization
6.4 Introduction to Dynamic Programming
7 Motion Planning Algorithms
7.1 Introduction to the motion planning problem
7.2 Geometric models and configuration space
7.3 Combinatorial motion planning algorithms
7.4 Sample-based motion planning algorithms
7.5 Planning algorithms based on Artificial Potential fields and on Behaviors
8 Algorithms distributed on synchronous networks
8.1 Introduction to distributed algorithms on synchronous networks
8.2 The Consensus Protocol in continuous and discrete time
9 Formation Control
9.1 Introduction to formation control
9.2 Abstraction and Modeling of Formations
9.3 Formation Control for robots with linear dynamical model
9.4 Formation Control for unicycle
9.5 Coverage Problem
10 Robotics simulation tools
10.1 Matlab to simulate distributed robotic systems
10.2 Introduction to Robotics Operating System (ROS)
Nessuna variazione.
N/A
L’esame consiste in due prove orali sulle due parti del corso. Entrambe sono articolate in uno o più esercizi da svolgere autonomamente, con l’uso del materiale del corso e di ogni altro materiale ritenuto utile; ed in una o più domande cui rispondere oralmente interagendo con la commissione.
In aggiunta o in alternativa alla prova orale, l’esame consiste nella valutazione dei risultati di approfondimento mediante esposizione di tavole o di progetti proposti e svolti dai candidati.
The final exam consists of two oral exams on the two parts of the course. Both are articulated in one or more exercises to be performed independently, using the material of the course and any other material deemed useful; and in one or more questions to answer orally interacting with the commission.
In addition or as an alternative to the oral examination, the examination consists in evaluating the results of the topics chosen by the student and analyzed in detail applying the tools learned.
Agli studenti è data facoltà di svolgere una attività progettuale, che può essere preparata in collaborazione con centri di ricerca e sviluppo pubblici o privati.
Students can carry out a project activity, which can be prepared in collaboration with public or private R&D centers.
http://www.centropiaggio.unipi.it/course/robotica-controllo-dei-robot
http://www.centropiaggio.unipi.it/course/robotica-sistemi-robotici-distribuiti
