Multi-Agent Systems in Smart Environments - from sensor networks to aerial platform formations

Nell’ultimo ventennio, i progressi nel campo della computazione pervasiva e dell’intelligenza ambientale hanno portato ad un rapido sviluppo di ambienti smart, dove più sistemi cyber-fisici sono chiamati ad interagire al fine di migliorare la vita umana. L’efficacia di un ambiente smart si basa pertanto sulla collaborazione di diverse entità vincolate a fornire prestazioni di alto livello in tempo reale. In quest’ottica, il ruolo dei sistemi multi-agente è evidente grazie alla capacità di queste architetture, che coinvolgono gruppi di dispositivi capaci di interagire tra loro, di risolvere compiti complessi sfruttando calcoli e comunicazioni locali. Sebbene tutti i sistemi multi-agenti si caratterizzino per scalabilità, robustezza e autonomia, queste architetture possono essere distinte in base alle proprietà degli elementi che le compongono. In questa tesi si considerano tre tipi di sistemi multi-agenti e per ciascuno di questi sono proposte soluzioni distribuite e innovative volte a risolvere problemi tipici per gli ambienti smart. Reti di Sensori Wireless - La prima parte della tesi è incentrata sullo sviluppo di efficaci strategie di clustering per le reti di sensori wireless impiegate in ambito industriale. Tenendo conto sia dei dati acquisiti che della topologia di rete, sono proposti due algoritmi (uno centralizzato e uno distribuito) volti a raggruppare i nodi in clusters locali non sovrapposti per migliorare le capacità di auto-organizzazione del sistema. Sistemi Multi-Camera - La seconda parte della tesi affronta il problema di videosorveglianza nel contesto di reti di sensori visivi intelligenti. In primo luogo, è considerata la stima di assetto che prevede la ricostruzione dell’orientamento di ogni agente appartenente al sistema rispetto ad un sistema globale inerziale. In seguito, è affrontato il problema di pattugliamento perimetrale, secondo il quale i confini di una certa area devono essere ripetutamente monitorati da un insieme di videocamere. Entrambe le problematiche sono trattate nell’ambito dell’ottimizzazione distribuita e risolte attraverso la minimizzazione iterativa di un’adeguata funzione costo. Formazioni di Piattaforme Aeree - La terza parte della tesi è dedicata alle piattaforme aeree autonome. Concentrandosi sul singolo veicolo, sono valutate due proprietà, ovvero la capacità di controllare indipendentemente la posizione e l’assetto e la robustezza rispetto alla perdita di un motore. Sono quindi descritti due controllori non lineari che mirano a mantenere una data piattaforma in hovering statico in posizione fissa con orien- tamento costante. Infine, l’attenzione è volta agli stormi di piattaforme aeree, studiando sia la stabilizzazione di una determinata formazione che il controllo del movimento lungo direzioni prefissate. A tal fine viene studiata la teoria della bearing rigidità per i sistemi che evolvono nello spazio speciale euclideo tri-dimensionale. La tesi evolve dunque dallo studio di sistemi multi-agenti fissi a totalmente attuati usati in applicazioni per ambienti smart in cui il numero di gradi di libertà da gestire è incrementale.