Robotic Wireless Sensor Networks

In this chapter, we present a literature survey of an emerging, cutting-edge, and multi-disciplinary field of research at the intersection of Robotics and Wireless Sensor Networks (WSN) which we refer to as Robotic Wireless Sensor Networks (RWSN). We define a RWSN as an autonomous networked multi-robot system that aims to achieve certain sensing goals while meeting and maintaining certain communication performance requirements, through cooperative control, learning and adaptation. While both of the component areas, i.e., Robotics and WSN, are very well-known and well-explored, there exist a whole set of new opportunities and research directions at the intersection of these two fields which are relatively or even completely unexplored. One such example would be the use of a set of robotic routers to set up a temporary communication path between a sender and a receiver that uses the controlled mobility to the advantage of packet routing. We find that there exist only a limited number of articles to be directly categorized as RWSN related works whereas there exist a range of articles in the robotics and the WSN literature that are also relevant to this new field of research. To connect the dots, we first identify the core problems and research trends related to RWSN such as connectivity, localization, routing, and robust flow of information. Next, we classify the existing research on RWSN as well as the relevant state-of-the-arts from robotics and WSN community according to the problems and trends identified in the first step. Lastly, we analyze what is missing in the existing literature, and identify topics that require more research attention in the future

An Algorithm for Calculating the Inverse Jacobian of Multirobot Systems in a Cluster Space Formulation

Multirobot systems have characteristics such as high formation re-configurability that allow them to perform dynamic tasks that require real time formation control. These tasks include gradient sensing, object manipulation, and advanced field exploration. In such instances, the Cluster Space Control approach is attractive as it is both intuitive and allows for full degree of freedom control. Cluster Space Control achieves this by redefining a collection of robots as a single geometric entity called a cluster. To implement, it requires knowing the inverse Jacobian of the robotic system for use in the main control loop. Historically, the inverse Jacobian has been computed by hand which is an arduous process. However, a set of frame propagation equations that generate both the inverse position kinematics and inverse Jacobian has recently been developed. These equations have been used to manually compile the inverse Jacobian Matrix. The objective of this thesis was to automate this overall process. To do this, a formal method for representing cluster space implementations using graph theory was developed. This new graphical representation was used to develop an algorithm that computes the new frame propagation equations. This algorithm was then implemented in Matlab and the algorithm and its associated functions were organized into a Matlab toolbox. A collection of several cluster definitions were developed to test the algorithm, and the results were verified by comparing to a derivation based technique. The result is the initial version of a Matlab Toolbox that successfully automates the computation of the inverse Jacobian Matrix for a cluster of robots

Multi-robot deployment planning in communication-constrained environments

A lo largo de los últimos años se ha podido observar el aumento del uso de equipos de robots en tareas en las cuales es imposible o poco eficiente la intervención de los humanos, e incluso que implica un cierto grado de riesgo para una persona. Por ejemplo, monitorización de entornos de difícil acceso, como podrían ser túneles, minas, etc. Éste es el tema en el que se ha enfocado el trabajo realizado durante esta tesis: la planificación del despliegue de un equipo de agentes para la monitorización de entornos.La misión de los agentes es alcanzar unas localizaciones de interés y transmitirle la información observada a una estación base estática. Ante la ausencia de una infraestructura de comunicaciones, una transmisión directa a la base es imposible. Por tanto, los agentes se deben coordinar de manera autónoma, de modo que algunos de ellos alcancen los objetivos y otros realicen la función de repetidor para retransmitir la información.Nos hemos centrado en dos líneas de investigación principales, relacionadas con dos maneras del envío de la información a la estación base. En el primer enfoque, los agentes deben mantener un enlace de comunicación con la base en el momento de alcanzar los objetivos. Con el fin de, por ejemplo, poder interactuar desde la base con un robot que ha alcanzado el objetivo. Para ello hemos desarrollado un método que obtiene las posiciones óptimas para los agentes utilizados a modo de repetidor. A continuación, hemos implementado un método de planificación de caminos de modo que los agentes pudiesen navegar el máximo tiempo posible dentro de zonas con señal. Empleando conjuntamente ambos métodos, los agentes extienden el área de cobertura de la estación base, estableciendo un enlace de comunicación desde la misma hasta los objetivos marcados.Utilizando este método, el equipo es capaz de lidiar con variaciones del entorno si la comunicación entre los agentes no se pierde. Sin embargo, los eventos tan comunes e irrelevantes para los seres humanos, como el simple cierre de una puerta, pueden llegar a ser críticos para el equipo de robots. Ya que esto podría interrumpir la comunicación entre el equipo. Por ello, hemos propuesto un método distribuido para que el equipo sea capaz de reconectarse, formando una cadena hacia un objetivo, en escenarios donde haya variaciones con respecto al mapa inicial que poseían los robots.La segunda parte de la presente tesis se ha centrado en misiones de recopilación de datos de un entorno. Aquí la comunicación con la estación base, en el instante de alcanzar un objetivo, no es necesaria y a menudo imposible. Por tanto, en este tipo de escenarios, es más eficiente que algunos agentes, llamados trabajadores, recopilen datos del entorno, y otros, denominados colectores, reúnan la información de los que trabajan para periódicamente retransmitirla a la base. De este modo tan solo los colectores realizan largos viajes a la estación base, mientras que los trabajadores emplean la mayor parte de su tiempo exclusivamente a la recopilación de datos.Primero, hemos desarrollado dos métodos para la planificación de caminos para la sincronización entre los trabajadores y colectores. El primero, muestrea el espacio de manera aleatoria, para obtener una solución lo más rápido posible. El segundo, usando FMM, es más lento, pero obtiene soluciones óptimas.Finalmente, hemos propuesto una técnica global para la misión de recopilación de datos. Este método consiste en: encontrar el mejor balance entre la cantidad de trabajadores y colectores, la mejor división del escenario en áreas de trabajo para los trabajadores, la asociación de los trabajadores para transmitir los datos recopilados a los colectores o directamente a la estación base, así como los caminos de los colectores. El método propuesto trata de encontrar la mejor solución con el fin de entregar la mayor cantidad de datos y que el tiempo de "refresco" de los mismos sea el menor posible.<br /