Temporal logic objectives in high-level path planning: discrete-event-based conceptual framework

Esta tesis propone nuevos marcos basados en Sistemas de Eventos Discretos (SED) bajo el formalismo de redes de Petri, que ofrecen soluciones de planificación para sistemas multirobot homógeneos y heterogéneos y garantizan misiones de alto nivel. Estas misiones suelen<br />describirse utilizand...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autores: Hustiu , Sofia, Cezar Pastravanu, Octavian, Mahulea Poleuca, Cristian Florentin
Tipo de recurso: tesis de maestría
Estado:Versión publicada
Fecha de publicación:2025
País:España
Institución:Universidad de Zaragoza
Repositorio:Zaguán. Repositorio Digital de la Universidad de Zaragoza
OAI Identifier:oai:zaguan.unizar.es:162684
Acceso en línea:http://zaguan.unizar.es/record/162684
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:programación lineal
planificación
lenguajes formales
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description Esta tesis propone nuevos marcos basados en Sistemas de Eventos Discretos (SED) bajo el formalismo de redes de Petri, que ofrecen soluciones de planificación para sistemas multirobot homógeneos y heterogéneos y garantizan misiones de alto nivel. Estas misiones suelen<br />describirse utilizando especificaciones formales como la Logica Temporal Lineal (LTL), que captura de manera efectiva requisitos temporales y espaciales complejos. Formalismos alternativos de alto nivel, como la Lógica Temporal de Intervalos Métricos (MITL), amplían las capacidades de la LTL al incorporar intervalos de tiempo explícitos.<br />La primera contribución de esta tesis esta representada por un método de descomposición de tareas que reduce la complejidad de las misiones globales descritas en LTL al dividirlas en tareas mas pequeñas e independientes.<br />En segundo lugar, se presenta una estrategia de planificación que tiene como objetivo calcular trayectorias para un equipo robótico que satisfagan una misión descrita en lógica temporal, proporcionando una visión global del estado del equipo robótico. Las soluciones de planificación se obtienen mediante enfoques de programación dinámica y verificación de modelos. Especifícamente, se combinan dos representaciones en una única red de Petri denominada Red de Petri Compuesta, que considera los modelos robóticos y de misión unidos a través de una capa intermedia de lugares asociados a un conjunto de regiones de interés que los robots deben alcanzar y/o evitar según las especificaciones de alto nivel. La versatilidad del modelo combinado propuesto captura tanto las restricciones espaciales como las temporales del sistema multi-robot en relación con el espacio de trabajo, considerando especificaciones LTL y MITL. La especificación MITL se incorpora en un modelo denominado Red de Petri Compuesta con Tiempo.<br />La tercera contribución mejora el método de planificación al permitir el movimiento paralelo de los robots basado en trayectorias de misión precomputadas. Considera el espacio libre como un recurso compartido y aplica el algoritmo del Banquero para prevenir bloqueos.<br />Este enfoque mejora la eficiencia, garantiza un movimiento coordinado y libre de colisiones, y cumple con las misiones globales incluso en escenarios con recursos limitados, como pasajes estrechos.<br />Finalmente, se desarrolla una solución de planificación de movimiento que aborda la coordinación de un sistema robótico heterógeneo, garantizando una mision LTL basada en el paradigma de Nets-within-Nets (NwN). El nuevo marco propuesto, denominado Red de Petri de Equipo Robotico de Alto Nivel, examina una estructura jerárquica de redes de Petri que captura tanto los comportamientos locales de los robots como las restricciones globales de la misión. Ademas, se propone una función de sincronización que habilita el movimiento de robots con diferentes capacidades. Por lo tanto, esta solución facilita el manejo de sistemas multi-robot donde la heterogeneidad puede introducir una complejidad adicional, y los enfoques convencionales pueden tener dificultades para garantizar la coordinación y la escalabilidad.<br />
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Formalismos alternativos de alto nivel, como la Lógica Temporal de Intervalos Métricos (MITL), amplían las capacidades de la LTL al incorporar intervalos de tiempo explícitos.<br />La primera contribución de esta tesis esta representada por un método de descomposición de tareas que reduce la complejidad de las misiones globales descritas en LTL al dividirlas en tareas mas pequeñas e independientes.<br />En segundo lugar, se presenta una estrategia de planificación que tiene como objetivo calcular trayectorias para un equipo robótico que satisfagan una misión descrita en lógica temporal, proporcionando una visión global del estado del equipo robótico. Las soluciones de planificación se obtienen mediante enfoques de programación dinámica y verificación de modelos. Especifícamente, se combinan dos representaciones en una única red de Petri denominada Red de Petri Compuesta, que considera los modelos robóticos y de misión unidos a través de una capa intermedia de lugares asociados a un conjunto de regiones de interés que los robots deben alcanzar y/o evitar según las especificaciones de alto nivel. La versatilidad del modelo combinado propuesto captura tanto las restricciones espaciales como las temporales del sistema multi-robot en relación con el espacio de trabajo, considerando especificaciones LTL y MITL. La especificación MITL se incorpora en un modelo denominado Red de Petri Compuesta con Tiempo.<br />La tercera contribución mejora el método de planificación al permitir el movimiento paralelo de los robots basado en trayectorias de misión precomputadas. Considera el espacio libre como un recurso compartido y aplica el algoritmo del Banquero para prevenir bloqueos.<br />Este enfoque mejora la eficiencia, garantiza un movimiento coordinado y libre de colisiones, y cumple con las misiones globales incluso en escenarios con recursos limitados, como pasajes estrechos.<br />Finalmente, se desarrolla una solución de planificación de movimiento que aborda la coordinación de un sistema robótico heterógeneo, garantizando una mision LTL basada en el paradigma de Nets-within-Nets (NwN). El nuevo marco propuesto, denominado Red de Petri de Equipo Robotico de Alto Nivel, examina una estructura jerárquica de redes de Petri que captura tanto los comportamientos locales de los robots como las restricciones globales de la misión. Ademas, se propone una función de sincronización que habilita el movimiento de robots con diferentes capacidades. Por lo tanto, esta solución facilita el manejo de sistemas multi-robot donde la heterogeneidad puede introducir una complejidad adicional, y los enfoques convencionales pueden tener dificultades para garantizar la coordinación y la escalabilidad.<br />This thesis proposes novel Discrete Event System (DES)-based frameworks under Petri net formalism that provide planning solutions for homogeneous and heterogeneous multi-robot systems and ensure high-level missions. These missions are commonly described using formal specifications such as Linear Temporal Logic (LTL), which capture complex temporal and spatial requirements. Alternative high-level formalisms, such as Metric Interval Temporal Logic (MITL), extend the LTL capabilities by incorporating time intervals. The first contribution of this thesis is a task decomposition method that reduces the complexity of LTL global missions by dividing them into smaller, independent tasks. Secondly, a planning strategy aims to compute trajectories for a robotic team satisfying a temporal logic mission, by providing a global view of the robotic team's state. The planning solutions are obtained through both dynamical programming and model-checking approaches. Specifically, two representations are joined into a single Petri net denoted \textit{Composed Petri net}, considering the robotic, respectively mission models united through an intermediate layer of places associated with a set of regions of interest that the robots should reach and/or avoid according to the high-level specification. The versatility of the proposed joined model captures both spatial and temporal constraints of the multi-robot system concerning the workspace, considering LTL and MITL specifications. The latter specification is incorporated into a model denoted \textit{Composed Time Petri net}. The third contribution enhances the planning method by enabling parallel robot movement based on precomputed mission trajectories. It considers the free space as shared resources and applies the Banker's algorithm to prevent deadlocks. This approach improves efficiency, ensures coordinated, collision-free motion, and fulfills global missions even in resource-constrained scenarios like narrow passages. Finally, a motion planning solution addressing the coordination of a heterogeneous robotic system ensuring an LTL mission is developed on the Nets-within-Nets (NwN) paradigm. The newly proposed framework, namely the High-Level robotic team Petri net, examines a hierarchical Petri net structure capturing both local robot behaviors and global mission constraints. Furthermore, a proposed synchronization function enables the movement of robots with different capabilities. Hence, this solution enables an easier grip on the multi-robot systems where heterogeneity can introduce additional complexity, and conventional approaches may struggle to ensure coordination and scalability.<br />Universidad de Zaragoza, Prensas de la Universidad2025info:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfhttp://zaguan.unizar.es/record/162684reponame:Zaguán. Repositorio Digital de la Universidad de Zaragozainstname:Universidad de ZaragozaIngléshttp://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/esinfo:eu-repo/semantics/openAccessoai:zaguan.unizar.es:1626842026-05-29T13:59:51Z
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