Communication and Control Co-Design with Data-Driven Safety Guarantees for Networked Robots

QC 20250505

Abstract

Mobila nätverk, som ursprungligen utvecklades för mobiltelefoner, används i allt större utsträckning av autonoma robotar som kräver tillförlitlig uppkoppling föratt kunna utföra komplexa uppgifter. Framsteg inom artificiell intelligens möjliggör nya tillämpningar för obemannade drönare, uppkopplade autonoma fordon och industriella mobila robotar. Många robotar saknar dock den beräkningsförmåga som krävs för avancerade algoritmer och måste därför skicka sin sensordata till edge-servrar som algoritmerna också kan avlastas till. Detta medför nya utmaningar om många robotar använder nätverket samtidigt, eftersom överföring av stora mängder sensordata kan överbelasta nätverket. Ett allt viktigare forskningsområde är därmed samdesign av kommunikation och styrning för mobila robotar. Samdesign kan användes till att anpassa en robots beteende efter nätverkets förutsättningar för att bibehålla säker och effektiv drift med begränsade resurser.

Det övergripande målet med denna avhandling är att föreslå ett nytt ramverk för samdesign för uppkopplade robotar. Specifikt vill vi hitta en avvägning mellankommunikations- och styrprestanda samtidigt som vi garanterar säker navigation med sensorbaserad positionering. Detta är särskilt viktigt för industriella mobila robotar i till exempel lager och fabriker, där satellitbaserad positionering inte är ett alternativ. Det är även relevant för mobila robotar i andra miljöer där satellitsignaler kan blockeras, såsom gruvor, täta skogar och bland höghus i städer. Avhandlingen består av två huvudsakliga bidrag.

I det första bidraget designar vi styrningen av en mobil robot för att möjliggöra säker navigering bland hinder som endast kan upptäckas av externa sensorer. Eftersom roboten inte kan upptäcka dessa hinder med sina egna sensorer, måste den undvika dem baserat på sin uppskattade position i en karta av kända hinder. För att ta hänsyn till osäkerheter i positioneringen inför vi ett säkerhetsfilter baserat på en robust Control Barrier Function. Filtret designas för att undvika kollisioner givet en övre gräns för lokaliseringsfelet. Vi utför hårdvaruexperiment med en Mobile YuMi Research Platform för att bestämma den övre gränsen på lokaliseringsfelet, samt för att demonstrera hur den föreslagna metoden undviker kollisioner.

Därefter, i det andra bidraget, presenterar vi ett ramverk med samdesign för uppkopplade robotar som behöver överföra sensordata över nätverket för att få uppdaterad position från en lokaliseringsalgoritm som avlastats till en edge-server. Eftersom robotens rörelse också påverkar lokaliseringsnoggrannheten samdesignar vi kommunikation och styrning för att uppnå en önskad nivå av lokaliseringsosäkerhet. Genom att härleda ett osäkerhetskrav från ett säkerhetsvillkor baserat på robotens avstånd till kartlagda hinder kan vi verifiera att roboten navigerar säkert. Metoden valideras i hårdvaruexperiment som visar att en avvägning mellan kommunikationoch hastighet kan uppnås utan att kompromissa med säkerheten.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-363005