Over the last decades, autonomous robots have been considered in a variety of applications such as persistent monitoring, package delivery and cooperative transportation. These applications often require the satisfaction of a set of complex tasks that need to be possibly performed in a timely manner. For example, in search and rescue missions, UAVs are expected to cover a set of regions within predetermined time intervals in order to increase the probability of identifying the victims of an accident. Spatio-temporal tasks of this form can be easily expressed in Signal Temporal Logic (STL), a predicate language that allow us to formally introduce time-constrained tasks such as visit area A between 0 and 5 min or robot 1 should move in a formation with robot 2 until robot 1 reaches region B between 5 and 20 sec. Existing approaches in control under spatio-temporal tasks encode the STL constraints using mixed-integer expressions. In the majority of these works, receding horizon schemes are designed and long planning horizons are considered that depend on the temporal constraints of the STL tasks. As a result, the complexity of these problems may increase with the number of the tasks or the length of the time interval within which a STL task needs to be satisfied. Other approaches, consider a limited STL fragment and propose computationally efficient feedback controllers that ensure the satisfaction of the STL task with a minimum, desired robustness. Nevertheless, these approaches do not consider actuation limitations that are always present in real-world systems and thus, yield controllers of arbitrarily large magnitude. In this thesis, we consider the control problem under spatio-temporal constraints for systems that are subject to actuation limitations. In the first part, receding horizon control schemes (RHS) are proposed that ensure the satisfaction or minimal violation of a given set of STL tasks. Contrary to existing approaches, the planning horizon of the RHS scheme can be chosen independent of the STL task and hence, arbitrarily small, given the initial feasibility of the problem. Combining the advantages of the RHS and feedback strategies, we encode the STL tasks using control barrier functions that are designed either online or offline and design controllers that aim at maximizing the robustness of the STL task. The recursive feasibility property of the framework is established and a lower bound on the violation of the STL formula is derived. In the next part, we consider a multi-agent system that is subject to a STL task whose satisfaction may involve a large number of agents in the team. Then, the goal is to decompose the global task into local ones the satisfaction of each one of which depends only on a given sub-team of agents. The proposed decomposition method enables the design of decentralized controllers under local STL tasks avoiding unnecessary communication among agents. In the last part of the thesis, the coordination problem of multiple platoons is considered and related tasks such as splitting, merging and distance maintenance are expressed as Signal Temporal Logic tasks. Then, feedback control techniques are employed ensuring the satisfaction the STL formula, or alternatively minimal violation in presence of actuation limitations. / De senaste ̊artiondena har autonoma robotar sett en rad nya användningsområden, såsom ̈overvakning, paketleverans och kooperativ transport. Dessa innebär ofta att en samling komplexa uppgifter måste lösas på kort tid. Inom Search and Rescue (SAR), till exempel, krävs att drönare hinner genomsöka vissa geografiska regioner inom givna tidsintervall. Detta för att ̈oka chansen att identifierade drabbade vid en olycka. Den här typen av uppgift i tid och rum (spatio-temporal) kan enkelt uttryckas med hjälp av Signal Temporal Logic (STL). STL ̈är ett språk som tillåter oss att på ett formellt sätt formulera tidsbegränsade uppgifter, såsom besök område A mellan o och 5 minuter, eller robot 1 ska röra sig i formationtillsammans med robot 2 till dess att robot 1 når område B mellan 5 och 20 sekunder. Nuvarande lösningar till styrproblem av spatio-temporal-typen kodar STL-begränsningar med hjälp av mixed-integer-uttryck. Majoriteten av lösningarna involverar receding-horizon-metoder med långa tidshorisonter som beror av tidsbegränsningarna i STL-uppgifterna. Detta leder till att problemens komplexitet ̈ökar med antalet deluppgifter inom och tiden för STL-uppgifterna. Andra lösningar bygger på restriktiva STL-fragment och beräkningsmässigt effektiva ̊aterkopplingsregulatorer som garanterar STL-begränsningarna med minimal önskad robusthet. Dessvärre tar dessa sällan hänsyn till fysiska begräsningar hos regulatorn och ger ofta godtyckligt stora styrsignaler. I den här licentiatuppsatsen behandlar vi styrproblem med begräsningar i rum och tid, samt den ovan nämnda typen av fysiska regulatorbegränsningar. I den första delen presenterar vi receding-horizon-metoder (RHS) som uppfyller kraven i STL-uppgifter, eller minimalt bryter mot dessa. Till skillnad från tidigare lösningar så kan tidshorisonten i våra RHS-metoder väljas oberoende av STL-uppgifterna och därmed göras godtyckligt kort, så länge ursprungsproblemet ̈ar lösbart. Genom att formulera STL-uppgifterna som control barrier funktioner kan vi kombinera fördelarna hos RHS och ̊återkoppling. Vi härleder en rekursiv lösbarhetsegenskap och en undre gräns på ̈overträdelsen av STL-kraven. I den andra delen behandlar vi multi-agent-system med uppgifter i tid och rum som berör många agenter. Målet är att bryta ner den globala uppgiften i fler men enklare lokala uppgifter som var och en bara involverar en given delmängd av agenterna. Vår nedbrytning till ̊åter oss att konstruera decentraliserade regulatorer som löser lokala STL-uppgifter, och kan i och med det markant minska kommunikationskostnaderna i j̈ämförelse med centraliserad styrning. I den sista delen av uppsatsen behandlar vi samordning av flera grupper. Vi uttrycker uppgifter såsom delning, sammanslagning och avståndshållning med hjälp av STL, och utnyttjar sedan ̊aterkoppling för att uppfylla eller minimalt bryta mot kraven. / <p>QC 20220311</p>
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-309751 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Charitidou, Maria |
| Publisher | KTH, Reglerteknik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Licentiate thesis, monograph, info:eu-repo/semantics/masterThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-EECS-AVL ; 2022:16 |
Page generated in 0.0163 seconds