Framework for Robots Self-Deployment Using Virtual Force Approach

Framework for Robots Self-Deployment Using Virtual Force Approach. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

My_MS_thesis_final_Gamal_Sallam.pdf - Accepted Version

Download (10MB) | Preview

Arabic Abstract

توزيع الربوتات اصبح مشهورا بالاونه الاخيره نتيجة للتطبيات اللي ستتيحها في مختلف المجالات. الربوتات تستخدم في العديد من التطبيقات سواء المدنيه او العسكريه. عدد من تلك التطبيقات مثل تطبيقات البحت والانقاذ او المراقبه خلال الكوارت البيئيه لا يمكن تنفذيها بربوت منفرد ولكنها تتطلب تعاون اكثر من ربوت متوصلين بإستخدام شبكة الربوتات. على سبيل المثال, في عملية الانقاذ يمكن استخدام الربوتات لإكتتشاف الأجسام تحت الانقاض او مساعدة الجرحى. احد اهم العوائق التي تواجه مثل هذي التطبيقات هو كيفية نشر الربوتات بدون تحكم مركزي. تعتبر طريقة القوى الوهميه واحده من اهم الطريق المستخدمه لنشر الربوتات بدون تحكم مركزي. في هذه الأطروحه, نقترح إطار موحد للأخذ بالإعتبار عدد من العوامل المؤثره في طريقة نشر الربوتات بإستخدام القوى الوهميه. اولا, فعلية هذه الطريقه تعتمد على طريقة ضبط عناصرها الأساسيين. يوجد عنصريين مهمين وهما قوة التجاذب وقوة التنافر. سنبحث في هذه الدراسه كيفية ضبط هذين العنصرين بحيث يسهل استخدام الطريقه لأكثر من سيناريو. علاوة على ذالك, سنعرض طريقة القوى الوهميه بحيث تأخذ بالاعتبار استهلاك الطاقه والطاقه المتبقيه لكل ربوت. ثانيا, بما أن معظم الطرق الحاليه التي تعمتمد على طريقة القوى الوهميه لا تأخذ بالاعتبار نشر الربوتات لغرض معين, فإننا نقترح في هذه الدراسه طريقة جديده تسمى نشر الربوتات بإستخدام القوى الوهميه التعاونيه. الطريقه المقترحه تعدل بطريقة القوى الوهميه لتأخذ بالإعتبار متطلبات المهمه مثل عدد الربوتات المطلوبه في كل منطقه من مناطق نشر الربوتات. علاوة على ذالك فإن الطريقه المقترحه تحسن عملية نشر الربوتات من اخلال استغلال التعاون بين الربوتات وبين علامات مميزه موجوده مسبقا في أماكن نشر الربوتات. طريقتين اخريين تم اقتراحهما لتحسين عملية توزيع الربوتات والوصول الى افضل نتيجه ممكنه. تم دراسة الطرق المقترحه بإستخدام المحاكاه وبإستخدم تجارب على روبوتات واقعيه وجميعهم اثبتو فعالية الطرق المقترحه

English Abstract

Robots deployment is becoming so popular in recent days due to its applications in different fields. Robots are used for many military and civilian applications. Many such applications, such as search-and-rescue operations or area monitoring during an environmental disaster, cannot be effectively carried out by a single robot, but rather are carried out by many robots linked cooperatively in a robotic network. In rescue operations, for example, robots can be used to help in discovering bodies under the rubbles or even assist the injured. One of the main challenges in these applications is how to deploy the robots without central coordination. Virtual force (VF) technique appears as one of the prominent approaches to perform multi-robot deployment autonomously. In this thesis, we propose a unified framework that is generalized to consider different aspects of VF-based deployment. First, the effectiveness of virtual force depends on how its parameters are selected in order to achieve the required deployment. There are two important factors: attractive force (wa) and repulsive force (wr). We investigate how to calibrate these two factors in order to accommodate different kinds of scenarios with different number of robots, communication ranges and so on. Moreover, we present an energy aware virtual force approach to balance energy consumption among robots and consequently maximize the network lifetime. Second, since most of the existing VF-based approaches lack purposeful deployment, we present a Cooperative Virtual Force Robot Deployment (COVER) technique. Our approach modifies the original VF approach to consider the mission requirements such as the number of required robots in each locality (e.g., landmarks are distributed and each needs a specific number of robots in its vicinity). In addition, COVER expedites the deployment process by establishing a cooperative relation between robots and neighboring landmarks. To shorten the deployment time and improve other metrics we propose Two-hop COVER that enhances COVER in many different ways. In case that Two-hop COVER could not reach 100% demand satisfaction, we present Trace Fingerprint that is designed to be used with Two-hop COVER to guarantee 100% demand satisfaction. Extensive simulation experiments have been carried out to assess the performance of the proposed algorithms. Moreover, a proof-of-concept experiment using Turtlebot robots has been carried out for validating COVER algorithm.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Computer
Department: College of Computing and Mathematics > Computer Engineering
Committee Advisor: Baroudi, Uthman
Committee Members: Mahmoud, Ashraf and El-Ferik, Sami
Depositing User: GAMAL AMEEN SALLAM (g201302890)
Date Deposited: 24 May 2016 08:23
Last Modified: 31 Dec 2020 08:07