Multi-robotkoordination och planering med mänsklig interaktion under STL-specifikationer : Centraliserade och distribuerade ramverk

Recent urbanization and industrialization have brought tremendous pressure and challenges to modern autonomous systems. When considering multiple complex tasks, cooperation and coordination between multiple agents can improve efficiency in a system. In real-world applications, multi-agent systems (MAS) are widely used in various fields, such as robotics, unmanned aerial systems, autonomous vehicles, distributed sensor networks, etc. Unlike traditional MAS systems based on pre-defined algorithms and rules, a special human-in-loop (HIL) based MAS involves human interactions to enhance the system’s adaptability for special scenarios, as well as apply human preferences for robot control. However, existing HIL strategies are primarily based on human involvement at a low level, such as mixed-initiative control and mixed-agent scenarios with both human-driven and intelligent robots. There are fewer investigations on applying HIL in high-level coordination. In particular, designing a coordination strategy for multi-task multi-agent scenarios, which can also deal with real-time human commands, will be one of the key topics of this Master’s thesis project. In this thesis work, different kinds of tasks described by signal temporal logic (STL) are created for agents, which can be enforced by control barrier function (CBF) constraints. Both centralized and distributed frameworks are designed for agent coordination. In detail, the centralized strategy is developed for machine-to-infrastructure (M2I) communication, by using the nonlinear model predictive control (NMPC) method to obtain collision-free trajectories. The distributed strategy utilizing graph theory is proposed for machine-to-machine (M2M), in order to reduce computation time by offloading. Most importantly, a HIL model is generated for both frameworks to apply online human commands to the coordination, with a novel task allocation protocol. Simulations and experiments are carried out on both Matlab and Python-based ROS simulators, to show that proposed frameworks can achieve obvious performance advantages in safety, smoothness, and stability for task completion. Numerical results are provided to validate the feasibility and applicability of our algorithms.Den senaste urbaniseringen och industrialiseringen har medfört enormt tryck och utmaningar för moderna autonoma system. Vid beaktande av flera komplexa uppgifter kan samarbete och samordning mellan flera agenter förbättra effektiviteten i ett system. I verkliga tillämpningar används multiagent-system (MAS) i stor utsträckning inom olika områden, såsom robotik, obemannade luftfarkoster, autonoma fordon, distribuerade sensorsystem etc. Till skillnad från traditionella MAS-system baserade på fördefinierade algoritmer och regler, innebär ett särskilt människa-i-loop (HIL)-baserat MAS mänsklig interaktion för att förbättra systemets anpassningsförmåga till speciella scenarier samt anpassa mänskliga preferenser för robotstyrning. Emellertid är befintliga HIL-strategier främst baserade på mänsklig inblandning på en låg nivå, såsom mixad-initiativkontroll och mixade agentscenarier med både människa-drivna och intelligenta robotar. Det finns färre undersökningar om att tillämpa HIL på högnivåkoordination. Särskilt att utforma en koordineringsstrategi för fleruppgiftsfleragent-scenarier, som också kan hantera mänskliga kommandon i realtid, kommer att vara ett av huvudämnena för detta masterprojekt. I detta examensarbete skapas olika typer av uppgifter beskrivna av signaltemporallogik (STL) för agenter, som kan upprätthållas genom styrbarriärfunktions (CBF) -begränsningar. Både centraliserade och distribuerade ramverk utformas för agentkoordination. Mer specifikt utvecklas den centraliserade strategin för maskin-till-infrastruktur (M2I)-kommunikation genom att använda icke-linjär modellprediktiv reglering (NMPC) för att erhålla kollisionsfria trajektorier. Den distribuerade strategin med användning av grafteori föreslås för maskin-till-maskin (M2M) för att minska beräkningstiden genom avlastning. Viktigast av allt genereras en HIL-modell för båda ramverken för att tillämpa online-mänskliga kommandon på koordinationen med en ny protokoll för uppgiftstilldelning. Simuleringar och experiment utförs på både Matlab och Python-baserade ROS-simulatorer för att visa att de föreslagna ramverken kan uppnå tydliga prestandafördelar när det gäller säkerhet, smidighet och stabilitet för uppgiftsslutförande. Numeriska resultat presenteras för att validera genomförbarheten och tillämpligheten hos våra algoritmer