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Control Barrier Functions For Energy Sufficiency In Mobile Robot Systems

Hassan Fouad

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

Modern-day robotics is advancing at an astounding rate, and as time goes by new robotic applications keep emerging, especially considering mobile robots and multi-robot systems. New robotic systems promise to extend human abilities and enable humans to deal with more arduous tasks in harsher and more dangerous environments, with potentially significant social and economic effects. Therefore, the ability of mobile robots and multi-robot systems to achieve long-term autonomy and survive in their work environments for extended periods of time is becoming more and more necessary, with the main aim of unlocking the full potential of these robotic systems, especially in real-life deployments. One key component in the quest for long-term autonomy is energy sufficiency, namely the ability of robots to maintain sufficient charge throughout their mission execution, regardless of what the mission or environment may be. Maintaining energy sufficiency poses new challenges, especially when the available charging resources in the environment are limited, thus imposing the need to coordinate charging activities among different robots. Another challenge is when robots operate in unknown and complex environments, where robots’ power consumption may not be uniform across the environment, and/or the environment itself could be cluttered and unstructured, which calls for more careful ways of seeking recharge, taking these environment-related aspects into account. Moreover, guaranteeing energy sufficiency for the aforementioned scenarios is a challenge in itself, that is because these guarantees could overly restrict the robots’ ability to carry out their missions.

Résumé

De nos jours, la robotique moderne progresse à un rythme effréné et, au fil du temps, de nouvelles applications robotiques apparaissent. Dans ce contexte, de nouvelles applications robotiques ne cessent d’émerger, notamment en ce qui concerne les robots mobiles et les systèmes multi-robots. En effet, Les nouveaux systèmes robotiques permettent non seulement d’étendre les capacités humaines, mais donnent également la possibilité à l’homme d’accomplir des tâches plus ardues dans des environnements plus difficiles et plus dangereux. Ceci engendre des conséquences sociales et économiques importantes et potentiellement dangereuses, créant des effets socio-économiques autant importants que ces conséquences. Par conséquent, la capacité des robots mobiles et des systèmes multi-robots à atteindre une autonomie à long terme et à survivre dans leur environnement de travail est essentielle. L’un des éléments clés dans la quête de l’autonomie à long terme est la suffisance énergétique ainsi que l’autonomie énergétique, c’est-à-dire la capacité des robots à maintenir une charge suffisante tout au long de l’exécution de leur mission, quelles que soient les circonstances, indépendamment de la nature de la mission ou l’environnement. Le maintien de la suffisance énergétique pose de nouveaux défis, en particulier lorsque les ressources de recharge disponibles dans l’environnement sont limitées, ce qui impose la nécessité de coordonner les activités de recharge entre les différents robots. Un autre défi se pose lorsque les robots opèrent dans des environnements inconnus et complexes, où la consommation d’énergie des robots peut ne pas être uniforme dans tout l’environnement, et/ou l’environnement lui-même peut être encombré et non structuré. Cela nécessite de réfléchir à des alternatives plus prudentes dans la recherche d’une station de recharge, tout en prenant en considération ces aspects environnementaux. En outre, assurer une suffisance énergétique pour les scenarios mentionnés représente un défi en soi, car ces garanties pourraient non seulement trop restreindre la capacité des robots à se déplacer, mais également nuire à leur capacité à bien mener leurs missions.

Department: Department of Computer Engineering and Software Engineering
Program: Génie informatique
Academic/Research Directors: Giovanni Beltrame
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/55835/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 11 Mar 2024 14:08
Last Modified: 13 Apr 2024 06:16
Cite in APA 7: Fouad, H. (2023). Control Barrier Functions For Energy Sufficiency In Mobile Robot Systems [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/55835/

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