Approximation Algorithms for Generalized MST and TSP in Grid Clusters

We consider a special case of the generalized minimum spanning tree problem (GMST) and the generalized travelling salesman problem (GTSP) where we are given a set of points inside the integer grid (in Euclidean plane) where each grid cell is $1 \times 1$. In the MST version of the problem, the goal is to find a minimum tree that contains exactly one point from each non-empty grid cell (cluster). Similarly, in the TSP version of the problem, the goal is to find a minimum weight cycle containing one point from each non-empty grid cell. We give a $(1+4\sqrt{2}+\epsilon)$ and $(1.5+8\sqrt{2}+\epsilon)$-approximation algorithm for these two problems in the described setting, respectively. Our motivation is based on the problem posed in [7] for a constant approximation algorithm. The authors designed a PTAS for the more special case of the GMST where non-empty cells are connected end dense enough. However, their algorithm heavily relies on this connectivity restriction and is unpractical. Our results develop the topic further

Network Optimization on Partitioned Pairs of Points

Given n pairs of points, S = {{p_1, q_1}, {p_2, q_2}, ..., {p_n, q_n}}, in some metric space, we study the problem of two-coloring the points within each pair, red and blue, to optimize the cost of a pair of node-disjoint networks, one over the red points and one over the blue points. In this paper we consider our network structures to be spanning trees, traveling salesman tours or matchings. We consider several different weight functions computed over the network structures induced, as well as several different objective functions. We show that some of these problems are NP-hard, and provide constant factor approximation algorithms in all cases

Engineering an Approximation Scheme for Traveling Salesman in Planar Graphs

We present an implementation of a linear-time approximation scheme for the traveling salesman problem on planar graphs with edge weights. We observe that the theoretical algorithm involves constants that are too large for practical use. Our implementation, which is not subject to the theoretical algorithm\u27s guarantee, can quickly find good tours in very large planar graphs

Exploration autonome et efficiente de chantiers miniers souterrains inconnus avec un drone filaire

Abstract: Underground mining stopes are often mapped using a sensor located at the end of a pole that the operator introduces into the stope from a secure area. The sensor emits laser beams that provide the distance to a detected wall, thus creating a 3D map. This produces shadow zones and a low point density on the distant walls. To address these challenges, a research team from the Université de Sherbrooke is designing a tethered drone equipped with a rotating LiDAR for this mission, thus benefiting from several points of view. The wired transmission allows for unlimited flight time, shared computing, and real-time communication. For compatibility with the movement of the drone after tether entanglements, the excess length is integrated into an onboard spool, contributing to the drone payload. During manual piloting, the human factor causes problems in the perception and comprehension of a virtual 3D environment, as well as the execution of an optimal mission. This thesis focuses on autonomous navigation in two aspects: path planning and exploration. The system must compute a trajectory that maps the entire environment, minimizing the mission time and respecting the maximum onboard tether length. Path planning using a Rapidly-exploring Random Tree (RRT) quickly finds a feasible path, but the optimization is computationally expensive and the performance is variable and unpredictable. Exploration by the frontier method is representative of the space to be explored and the path can be optimized by solving a Traveling Salesman Problem (TSP) but existing techniques for a tethered drone only consider the 2D case and do not optimize the global path. To meet these challenges, this thesis presents two new algorithms. The first one, RRT-Rope, produces an equal or shorter path than existing algorithms in a significantly shorter computation time, up to 70% faster than the next best algorithm in a representative environment. A modified version of RRT-connect computes a feasible path, shortened with a deterministic technique that takes advantage of previously added intermediate nodes. The second algorithm, TAPE, is the first 3D cavity exploration method that focuses on minimizing mission time and unwound tether length. On average, the overall path is 4% longer than the method that solves the TSP, but the tether remains under the allowed length in 100% of the simulated cases, compared to 53% with the initial method. The approach uses a 2-level hierarchical architecture: global planning solves a TSP after frontier extraction, and local planning minimizes the path cost and tether length via a decision function. The integration of these two tools in the NetherDrone produces an intelligent system for autonomous exploration, with semi-autonomous features for operator interaction. This work opens the door to new navigation approaches in the field of inspection, mapping, and Search and Rescue missions.La cartographie des chantiers miniers souterrains est souvent réalisée à l’aide d’un capteur situé au bout d’une perche que l’opérateur introduit dans le chantier, depuis une zone sécurisée. Le capteur émet des faisceaux laser qui fournissent la distance à un mur détecté, créant ainsi une carte en 3D. Ceci produit des zones d’ombres et une faible densité de points sur les parois éloignées. Pour relever ces défis, une équipe de recherche de l’Université de Sherbrooke conçoit un drone filaire équipé d’un LiDAR rotatif pour cette mission, bénéficiant ainsi de plusieurs points de vue. La transmission filaire permet un temps de vol illimité, un partage de calcul et une communication en temps réel. Pour une compatibilité avec le mouvement du drone lors des coincements du fil, la longueur excédante est intégrée dans une bobine embarquée, qui contribue à la charge utile du drone. Lors d’un pilotage manuel, le facteur humain entraîne des problèmes de perception et compréhension d’un environnement 3D virtuel, et d’exécution d’une mission optimale. Cette thèse se concentre sur la navigation autonome sous deux aspects : la planification de trajectoire et l’exploration. Le système doit calculer une trajectoire qui cartographie l’environnement complet, en minimisant le temps de mission et en respectant la longueur maximale de fil embarquée. La planification de trajectoire à l’aide d’un Rapidly-exploring Random Tree (RRT) trouve rapidement un chemin réalisable, mais l’optimisation est coûteuse en calcul et la performance est variable et imprévisible. L’exploration par la méthode des frontières est représentative de l’espace à explorer et le chemin peut être optimisé en résolvant un Traveling Salesman Problem (TSP), mais les techniques existantes pour un drone filaire ne considèrent que le cas 2D et n’optimisent pas le chemin global. Pour relever ces défis, cette thèse présente deux nouveaux algorithmes. Le premier, RRT-Rope, produit un chemin égal ou plus court que les algorithmes existants en un temps de calcul jusqu’à 70% plus court que le deuxième meilleur algorithme dans un environnement représentatif. Une version modifiée de RRT-connect calcule un chemin réalisable, raccourci avec une technique déterministe qui tire profit des noeuds intermédiaires préalablement ajoutés. Le deuxième algorithme, TAPE, est la première méthode d’exploration de cavités en 3D qui minimise le temps de mission et la longueur du fil déroulé. En moyenne, le trajet global est 4% plus long que la méthode qui résout le TSP, mais le fil reste sous la longueur autorisée dans 100% des cas simulés, contre 53% avec la méthode initiale. L’approche utilise une architecture hiérarchique à 2 niveaux : la planification globale résout un TSP après extraction des frontières, et la planification locale minimise le coût du chemin et la longueur de fil via une fonction de décision. L’intégration de ces deux outils dans le NetherDrone produit un système intelligent pour l’exploration autonome, doté de fonctionnalités semi-autonomes pour une interaction avec l’opérateur. Les travaux réalisés ouvrent la porte à de nouvelles approches de navigation dans le domaine des missions d’inspection, de cartographie et de recherche et sauvetage

Approximation theory in combinatorial optimization. Application to the generalized minimum spanning tree problem

We present an overview of the approximation theory in combinatorial optimization. As an application we consider the Generalized Minimum Spanning Tree (GMST) problem which is defined on an undirected complete graph with the nodes partitioned into clusters and non-negative costs are associated to the edges. This problem is NP-hard and it is known that a polynomial approximation algorithm cannot exist. We present an in-approximability result for the GMST problem and under special assumptions: cost function satisfying the triangle inequality and with cluster sizes bounded by $\rho$, we give an approximation algorithm with ratio $2 \rho$