INTERNET OF DRONES DEPLOYMENT FOR INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEM APPLICATIONS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF PhD_Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 17 April 2023. Available under License Creative Commons Attribution. Download (4MB)

Arabic Abstract

حظيت أنظمة النقل الذكية باهتمام كبير باعتبارها تقنية رائدة تتمتع بأحدث التطورات التكنولوجية لتوفير السلامة والكفاءة في التدريب واستخدام الاتجاهات المستقبلية لدمج المركبات والبنى التحتية مع تقنية المركبات التعاونية. جذب ظهور إنترنت الطائرات بدون طيار الكثير من الاهتمام مؤخرًا ويتم استخدامه في العديد من التطبيقات. ومع ذلك ، فان تصميم نشر الطائات بدون طيار وتخطيط مسار التغطية يواجه بالعديد من القيود والتحديات، التي تحفز البحث عن حلول فعالة. للتعامل مع مثل هذه التحديات ، تحلل هذه الأطروحة أكثر بروتوكولات تخطيط المسار الخالية من الاصطدامات وأساليب نشر الطائرات بدون طيار لتحديد بعض الفجوات المحتملة ، ثم تقترح آليات فعالة لسد هذه الفجوات. أولاً تقترح هذه الأطروحة طريقتين لتخطيط مسار لسرب من الطائرات بدون طيار للعمل في البيئة الثابتة والمتحركة، لتجنب العديد من العوائق الثابتة والمتحرك ذات الأحجام المختلفة ضمن نطاق اكتشاف محدود ومسار كامل مع تقليل استهلاك الطاقة. وتظهر النتائج كفاءة ودقة الخوارزميات المقترحة في بيئة متفرقة وكثيفة تنطوي على مخاطر تصادم عالية مع سرعات نسبية للعوائق تصل إلى 10 أمتار / ثانية. ثانيًا، لتعزيز اتصال شبكة المركبات المخصصة، تقترح هذه الأطروحة طريقتين جديدتين للاتصال التعاوني الديناميكي للطائرات بدون طيار لتساعد شبكة المركبات في تضاريس ثنائية وثلاثية الأبعاد، المخصصة على التوالي. في النهج الأول ، يُفترض أن الأرض مسطحة بينما تُؤخذ في الاعتبار تأثير ارتفاع التضاريس على الاتصال في الأخير من خلال اقتراح نموذج اتصال فعال ثلاثي الأبعاد بين الطائات بدون طيار في الجو والمركبات على الارض في مساحة ثلاثية الأبعاد. يتم إجراء عمليات محاكاة مكثفة بناءً على الإشارة المستقبلة في المركبات على الارض وذلك لفحص أداء النماذج المقترحة. توضح نتائج المحاكاة أن النهج المقترح ينشر الطائرات بدون طيار في مواقع أفضل بشكل مستمر بناءً على حركات السيارة ويحقق تغطية أفضل وجودة أفضل للإشارة المستقبلة من خلال إيجاد أنسب موضع للطائرات بدون طيار. إلى جانب ذلك ، تُظهر نتائج المحاكاة لنموذج قدرة النهج المقترح في اكتشاف عوائق التضاريس، وبالتالي تضمن إرسال الطائرات بدون طيار إلى أنسب المواقع في مساحة ثلاثية الأبعاد لتقليل تأثير عوائق التضاريس على الاتصال. أخيرًا ، تقترح هذه الأطروحة نموذجًا رياضيًا للتغطية وتخطيط المسار بناءً على صياغة البرمجة الخطية المختلطة، وتتم مقارنة النتائج بالنهج الاستدلالي وتوضح أهمية استخدام النهج الاستدلالي في ايجاد حل للمشاكل الكبيرة والمعقدة وذات أحجام واسعة النطاق.

English Abstract

Intelligent Transportation Systems (ITS) is a leading technology endowed with cutting-edge technological advances to provide traffic safety and efficiency, and to integrate vehicles and infrastructures with the cooperative vehicular technique by utilizing the future trends. The emergence of Internet of Drones (IoD) has attracted much attention lately as it is used in a multitude of applications. However, the design of IoD deployment and coverage path planning has been hampered by underline limitations and challenges, which motivate the quest for efficient solutions. To cope with such challenges, this thesis analyzes the most recent collision-free path planning protocols and UAVs deployment approaches to identify some of their potential gaps and then proposes efficient mechanisms to fill such gaps. First, this thesis proposes energy-efficient path planning approaches to avoid multiple static and dynamic obstacles of different sizes. More importantly, the results validate the efficiency and accuracy of the proposed algorithms in a sparse and dense environment that involves high collision risk with obstacle relative speeds up to 10 meters/second. Second, this thesis proposes two novel dynamic IoD collaborative communication approaches for VANETs assistant, namely, IoDAV, 3DIoDAV, in two and three-dimension terrain, respectively, to enhance the VANETs connectivity. In the former approach, the flat terrain is assumed while the impact of terrain elevation on communication is considered in the latter by proposing a 3D propagation model for an efficient IoD-to-Vehicle (IoD2V) communication in 3D space. The simulation results demonstrate that the proposed IoDAV approach allows finding the optimal IoD positions throughout the time based on the vehicle’s movements. Besides, the simulation results of 3DIoDAV show the ability of the proposed approach in detecting the terrain obstacles and thus, guarantees to dispatch the IoD nodes into the most appropriate locations in 3D space that minimize the impact of terrain obstacles on communication. Third, routing protocols are analyzed and AODV is found to be a suitable routing protocol in IoD network. Finally, this thesis proposes a mathematical model for coverage and path planning based on mixed-integer linear programming (MILP) formulation.The results are compared with the heuristic approach, and demonstrate the importance of using the heuristic approach in large-scale problem sizes.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Computer Engineering
Department:	College of Computing and Mathematics > Computer Engineering
Committee Advisor:	Sheltami, Tarek
Committee Members:	Mahmoud, Ashraf S. and Abu-Amara, Marwan and Deriche, Mohamed and Yasar, Ansar
Depositing User:	GAMIL AHMED (g201302310)
Date Deposited:	18 Aug 2022 04:48
Last Modified:	18 Aug 2022 04:48
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142200