ROBOT ASSISTED REAL WORLD IMPLEMENTATIONS OF SENSOR DEPLOYMENT ALGORITHMS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF G201204640_Thesis_Final.pdf - Accepted Version Download (4MB) | Preview

Arabic Abstract

إن الابحاث الحاليه في مجال نشر المجسات فقط تعتمد على المحاكاه وتفتقر لبعض الخصائص الطبيعيه لشبكة المجسات والربوتات اللاسلكيه مثل التباين في البيئه ووجود المعوقات وعدم توفر خدمة تحديد المواقع ((GPS. كل هذا يثير العديد من التساؤلات حول صحة العديد من التقنيات الموجوده حاليا. للتغلب على مثل هذه الصعوبات, نقترح بهذه الدراسه خمسه خوارزميات ثلاثه منهم بإستخدام ربوت واحد وإثنين بإستخدام اكثر من ربوت. في الجزء الاول من هذه الرساله سنعرض خوزازمية نشر المجسات الأساسيه (Basic SCAN) وخوارزمية نشر المجسات الانتهازيه (Opportunistic SCAN) واللتين يستخدما اوليا لنشر المجسات بإستخدام ربوت منفرد. يدخل الربوت المنطقه الاساسيه من نقظة بداية معروفه في بيئه غير معروفه وينفذ إما الخوازميه الاساسيه او الانتهازيه لنشر المجسات. الفرق الرئيسي بين هذه الخوارزميات هي في طريقة نشر المجسات. في هذا الجزء من الرساله نقترح استخدام التغطيه المركزه ( F- Coverage ) لكل من الخوارزميات الاساسيه والانتهازيه والتي تضمن اداء وتغطيه وسع. اخيرا, في الجزء الثالث من الرساله نقترح طريقتين جديدتين لنشر المجسات بإستخدام اكثر من ربوت, الاولي طريقة فرق تسد ( Divide & Conquer ) والطريقه الثانيه طريقة النشر التعاوني. الطريقه الاولى اكثر سهولة واقل تعقيدا مقارنة بالطريقه الثانيه والتي هي اكثر ذكاء وتتطلب التعاون بين الربوتات. هذا الشغل تم تنفيذه على ثلاثة مراحل. في المرحله الاولى تم تفيذ الخوارزميات على لغة البرمجه ماتلاب وتم اثبات ان الطرق المقترحه تتغلب على الطرق الحاليه وتم تدعيمها بإثبات رياضي. في المرحله الثانيه تم تطوير العمل بتنفيذه بإستخدام ويبوت ( Webots ) والتي تحاكي الواقع اكثر وكانت النتائج متناسقه ومتغلبه على الطرق الاخرى. في الاخير تم تنفيذ الطرق المقترحه على ربوتات حقيقه تسمى Epuck . من اجل تقييم الاداء, اخذنا في الاعتبار عوامل مهمه مثل التغطيه, المسافه, الوقت والرسائل لاثبات ان الطريقه الاساسيه افضل من طريقه نشر الربوتات بإستخدام التتبع الخلفي في كل من طريقة ربوت واحد او اكثر من ربوت. بالنسبة للتغطيه, الطريقه الاساسيه تغلبت على الطرق الاخرى ولكن التكلفه من ناحية المسافه المقطوعه. بالنسبة للرسائل والمسافة المقطوعه, الطريقه الانتهازيه تغلبت على الطرق الاخرى. من اجل ضمان التناسق بين الطرق المقترحه, تم تنفيذ الخوارزميات بالعديد من السيناريوهات وتغير طريقة نشر المعوقات. الميزه الاهم في هذا الشغل هي اقتراح اطار عام للأخذ بالاعتبار السيناريوهات التي لا يوجد فيها نظام تحديد المواقع والتي يصعب ايضا وصول الانسان اليها.

English Abstract

Existing researches in the field of sensor deployment technologies are purely based on simulations & emulations and lacks the real characteristics of the Wireless Sensor Robot Network (WSRN) like heterogeneity of environment, dynamic obstacle distribution, non-availability of GPS, robot’s obstacle & sensor detection capabilities etc. This raises a serious doubt on the correctness and reliability of the existing deployment techniques. To overcome these crucial challenges, we designed five novel algorithms, three for single robot scenarios namely Basic-SCAN, Opportunistic-SCAN (Opp-SCAN) and Focused Coverage SCAN (F-SCAN) and two for multi-robot scenarios namely Cooperative Deployment Mode (CDM) and Divide & Conquer (D&C). In the first part of the thesis we present Basic SCAN & Opportunistic SCAN algorithms which are used to perform the initial deployment task by a robot. The robot enters the ROI from a known starting point in an unknown environment and executes either Basic SCAN or Opportunistic SCAN to deploy the sensors. The major difference between the two algorithms is the way in which the deployment takes place. In the section part of thesis, we propose an F - Coverage version of both Basic and Opportunistic SCAN algorithms which guarantees the added performance and coverage on top of deployment algorithms. Finally, in the third part of the thesis, we propose two novel methods of multi robot team based sensor deployment termed as Divide & Conquer (D&C) mode and Cooperative Deployment (CDM). The D&C mode is much simpler with less complexity when compared to CDM which is much intelligent and require more cooperation among the robots for carrying out the task. This work has been carried at three different levels. In the first phase, we implemented our algorithms on MATLAB simulation environment and prove that proposed model outperform existing deployment techniques backed by solid mathematical models. In the second phase, we extended our work by implementing them on WEBOTS (a near to real world robotics tool) and achieved consistent and outperforming results. Finally, we proved our claims by cross-compiling our algorithms and deploying them on real E-puck robots and executing it on the real test bed scenario. In order to evaluate the performance, we considered key factors like coverage, robot distance, completion time and message overhead and prove that SCAN based deployment outperforms the back tracking deployment in both single and multi-robot scenarios. In terms of coverage, the BASIC SCAN algorithm performs better than all other algorithms, but at the cost of higher total distance travelled. When it comes to distance and message overhead, the Opportunistic SCAN algorithm performs better than all others. In order to ensure the consistency of the proposed model, we have rigorously tested the algorithms in numerous scenarios with dynamically changing obstacle distributions with an optimum confidence interval. The major differentiating aspect and contribution of this work was to propose novel and standard sensor deployment framework, especially in the areas where there is no GPS and where human reachability is not possible.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Computer
Department:	College of Computing and Mathematics > Computer Engineering
Committee Advisor:	Baroudi, Uthman
Committee Members:	El Ferik, Sami and Abu-Amara, Marwan
Depositing User:	MOHAMMED AZHARUDDIN (g201204640)
Date Deposited:	31 May 2016 05:16
Last Modified:	31 Dec 2020 07:24
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139987