Digital Twin-based Approach for Resilient Tracking Control of Nonholonomic Mobile Robots under Cyber-attacks. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS_Thesis_final_Hunain.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 21 May 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

نستخدم التوائم الرقمية على نطاق واسع في الروبوتات لأغراض المراقبة والمحاكاة، إلا أن دورها في تعزيز مرونة أنظمة التحكم لا يزال محدوداً. في هذا العمل، نقترح إطاراً للتحكم المتين يعتمد على التوأم الرقمي لروبوت متنقل غير شامل القيود الحركية، يعمل في بيئة تتعرض لهجمات حجب الخدمة (DoS) وحقن البيانات الخاطئة (FDI). تم تصميم التوأم الرقمي ليعمل كمتحكم احتياطي متزامن، قادر على الحفاظ على تتبع المسار في حال فقدان بيانات المستشعرات أو تعرضها للتلاعب. تعتمد المنهجية على دمج تقدير الحالات باستخدام المراقب، ومنطق تبديل واقع الهجمات، وآلية لاستعادة التحكم لضمان بقاء خطأ التتبع ضمن حدود مقبولة. أظهرت نتائج المحاكاة أن الإطار المقترح يحافظ على الاستقرار ويمكنه من استعادة الأداء الطبيعي بسلاسة بعد انتهاء الهجمات. يبرز هذا العمل إمكانية توظيف التوائم الرقمية كعناصر تحكم فعالة، متجاوزاً دورها التقليدي كمجرد أدوات للمراقبة نحو أنظمة روبوتية أكثر أماناً وقدرة على التحمل.

English Abstract

Digital twins have been widely explored for monitoring and simulation in robotics, but their role in control resilience remains underdeveloped. This work proposes a digital twin–based resilient control framework for a nonholonomic mobile robot operating under denial-of-service (DoS) and false data injection (FDI) attacks. The digital twin is designed to act as a synchronized backup controller, maintaining trajectory tracking when sensor data are unavailable or corrupted. The methodology integrates observer-based state estimation, attack-aware switching logic, and a control recovery mechanism to ensure bounded tracking performance. Simulation results demonstrate that the proposed framework preserves stability and enables smooth recovery to nominal operation after attacks. This study highlights the potential of digital twins as active control agents, extending their role beyond passive monitoring toward fault-tolerant and secure robotic systems.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Computer Systems Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Thesis Advisor:	Muhammad Rehan Farooq,
Thesis Committee Members:	Muhammad Khalid, Muhammad Suhail Shaik,
Depositing User:	HUNAIN KAISAR (g202411440)
Date Deposited:	02 Jun 2026 06:26
Last Modified:	02 Jun 2026 06:26
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144443