Intelligent Systems for the Exploration of Structured and Complex Environments

Robotics is related with the development of robotic systems able to move knowing the environment where they must act. The environments diversities have brought researchers developing indoor and outdoor robotic techniques and technologies able to perceive movements and effects at the time arise. This work investigated possible design and implementation of mechatronic structures, able to work in industrial or complex unstructured environments. As first aspect structured environment and needed sensors has been investigated. The work has been then expanded adding complexity to the aims and reducing the structures faced. During the work, three innovative mechatronic systems have been investigated. The first one regarded the highly structured industrial environment in which an intelligent and semi-autonomous station for testing domestic boilers during the production has been studied. Considering a more challenging, not structured environment, where optical data need to be gathered with poses information, the author concentrated then on the underwater seabed reconstruction by means of photo cameras carried by divers. The most important challenge in the development of the designed platforms was the Unscented Kalman Filter (UKF) implementation to solve the navigation problem that fuses the data provided by an Ultra Short Baseline (USBL), an Inertial Measurement Unit (IMU) and a receiver for global positioning (GPS). The work, after considering structured environment reconstruction by means of vision advanced techniques and after facing the situations without positioning structures in the environment, closed with the study of a situation where the robot movement alter the pose but in a way that can be estimated and prevented. An innovative Backstepping controller with a non-linear disturbance observer (NDO) has been designed for the hybrid actuation of the underwater robot under analysis reducing the oscillatory behavior introduced by the biomimetic propulsion.

L’attività di ricerca si è concentrata sullo studio, progettazione e realizzazione di sistemi di raccolta dati in ambienti strutturati e complessi. Si è iniziato studiando metodologie e sensori tipicamente utilizzati negli ambienti strutturati, in particolare quello industriale, per poi procedere sull’ambiente sottomarino (ambiente complesso). Tre sistemi meccatronici innovativi sono stati realizzati. Partendo da un ambiente strutturato è stata sviluppata una stazione automatica per il collaudo dei boiler domestici installata al termine di una catena produttiva. In questo caso studio si è contribuito allo sviluppo e implementazione di tecniche di image processing per l’identificazione dei difetti. La macchina in questo momento lavora autonomamente presso un importante azienda italiana e nelle varie sessioni ha una percentuale di individuazione dei difetti superiore al 90\%, con solo il 3\% di falsi positivi: percentuali di gran lunga migliori a quelle ottenute dagli operatori esperti dell’azienda. Considerando l’ambiente sottomarino è stato progettato e sviluppato un dispositivo capace di collezionare dati per subacquei al fine di aiutare gli archeologi nell’esplorazione di siti archeologici e ricostruzione 3D. La sfida più importante nello sviluppo è stata implementare l’Unscented Kalman Filter (UKF) risolvente il problema della localizzazione fondendo i dati forniti da Ultra Short Baseline (USBL), Unità di Misura Inerziale (IMU) e ricevitore GPS. Proseguendo nella tematica di raccolta dati in ambienti non strutturati è stato sviluppato un veicolo marino pesciforme autonomo a propulsione ibrida. È stato caratterizzato il sistema di visione del veicolo basato su action camera ed il sistema di controllo dell’orientamento. Il controllore realizzato (Backstepping con osservatore non lineare del disturbo) ha permesso, tramite due motori brushless, la cancellazione del comportamento oscillatorio introdotto dalla propulsione biomimetica.