Information-Driven Path Planning for UAV with Limited Autonomy in Large-scale Field Monitoring

This paper presents a novel information-based mission planner for a drone tasked to monitor a spatially distributed dynamical phenomenon. For the sake of simplicity, the area to be monitored is discretized. The insight behind the proposed approach is that, thanks to the spatio-temporal dependencies of the observed phenomenon, one does not need to collect data on the entire area. In fact, unmeasured states can be estimated using an estimator, such as a Kalman filter. In this context the planning problem becomes the one of generating a flight path that maximizes the quality of the state estimation while satisfying the flight constraints (e.g. flight time). The first result of this paper is to formulate this problem as a special Orienteering Problem where the cost function is a measure of the quality of the estimation. This approach provides a Mixed-Integer Semi-Definite formulation to the problem which can be optimally solved for small instances. For larger instances, two heuristics are proposed which provide good sub-optimal results. To conclude, numerical simulations are shown to prove the capabilities and efficiency of the proposed path planning strategy. We believe this approach has the potential to increase dramatically the area that a drone can monitor, thus increasing the number of applications where monitoring with drones can become economically convenient

Centralized versus market-based approaches to mobile task allocation problem: State-of-the-art

Centralized approach has been adopted for finding solutions to resource allocation problems (RAPs) in many real-life applications. On the other hand, market-based approach has been proposed as an alternative to solve the problem due to recent advancement in ICT technologies. In spite of the existence of some efforts to review the pros and cons of each approach in RAPs, the studies cannot be directly applied to specific problem domains like mobile task allocation problem which is characterised with high level of uncertainty on the availability of resources (workers). This paper aims to review existing studies on task allocation problems(TAPs) focusing on those two approaches and their comparison and identify major issues that need to be resolved for comparing the two approaches in mobile task allocation problems. Mobile Task Allocation Problem (MTAP) is defined and its problematic structures are explained in relation with task allocation to mobile workers. Solutions produced by each approach to some applications and variations of MTAP are also discussed and compared. Finally, some future research directions are identified in order to compare both approaches in function of uncertainty emerging from the mobile nature of the MTAP

Crowdsensing-driven route optimisation algorithms for smart urban mobility

Urban rörlighet anses ofta vara en av de främsta möjliggörarna för en hållbar statsutveckling. Idag skulle det dock kräva ett betydande skifte mot renare och effektivare stadstransporter vilket skulle stödja ökad social och ekonomisk koncentration av resurser i städerna. En viktig prioritet för städer runt om i världen är att stödja medborgarnas rörlighet inom stadsmiljöer medan samtidigt minska trafikstockningar, olyckor och föroreningar. Att utveckla en effektivare och grönare (eller med ett ord; smartare) stadsrörlighet är en av de svåraste problemen att bemöta för stora metropoler. I denna avhandling närmar vi oss problemet från det snabba utvecklingsperspektivet av ITlandskapet i städer vilket möjliggör byggandet av rörlighetslösningar utan stora stora investeringar eller sofistikerad sensortenkik. I synnerhet föreslår vi utnyttjandet av den mobila rörlighetsavkännings, eng. Mobile Crowdsensing (MCS), paradigmen i vilken befolkningen exploaterar sin mobilkommunikation och/eller mobilasensorer med syftet att frivilligt samla, distribuera, lokalt processera och analysera geospecifik information. Rörlighetavkänningssdata (t.ex. händelser, trafikintensitet, buller och luftföroreningar etc.) inhämtad från frivilliga i befolkningen kan ge värdefull information om aktuella rörelsesförhållanden i stad vilka, med adekvata databehandlingsalgoriter, kan användas för att planera människors rörelseflöden inom stadsmiljön. Såtillvida kombineras i denna avhandling två mycket lovande smarta rörlighetsmöjliggörare, eng. Smart Mobility Enablers, nämligen MCS och rese/ruttplanering. Vi kan därmed till viss utsträckning sammanföra forskningsutmaningar från dessa två delar. Vi väljer att separera våra forskningsmål i två delar, dvs forskningssteg: (1) arkitektoniska utmaningar vid design av MCS-system och (2) algoritmiska utmaningar för tillämpningar av MCS-driven ruttplanering. Vi ämnar att visa en logisk forskningsprogression över tiden, med avstamp i mänskligt dirigerade rörelseavkänningssystem som MCS och ett avslut i automatiserade ruttoptimeringsalgoritmer skräddarsydda för specifika MCS-applikationer. Även om vi förlitar oss på heuristiska lösningar och algoritmer för NP-svåra ruttproblem förlitar vi oss på äkta applikationer med syftet att visa på fördelarna med algoritm- och infrastrukturförslagen.La movilidad urbana es considerada una de las principales desencadenantes de un desarrollo urbano sostenible. Sin embargo, hoy en día se requiere una transición hacia un transporte urbano más limpio y más eficiente que soporte una concentración de recursos sociales y económicos cada vez mayor en las ciudades. Una de las principales prioridades para las ciudades de todo el mundo es facilitar la movilidad de los ciudadanos dentro de los entornos urbanos, al mismo tiempo que se reduce la congestión, los accidentes y la contaminación. Sin embargo, desarrollar una movilidad urbana más eficiente y más verde (o en una palabra, más inteligente) es uno de los temas más difíciles de afrontar para las grandes áreas metropolitanas. En esta tesis, abordamos este problema desde la perspectiva de un panorama TIC en rápida evolución que nos permite construir movilidad sin la necesidad de grandes inversiones ni sofisticadas tecnologías de sensores. En particular, proponemos aprovechar el paradigma Mobile Crowdsensing (MCS) en el que los ciudadanos utilizan sus teléfonos móviles y dispositivos, para nosotros recopilar, procesar y analizar localmente información georreferenciada, distribuida voluntariamente. Los datos de movilidad recopilados de ciudadanos que voluntariamente quieren compartirlos (por ejemplo, eventos, intensidad del tráfico, ruido y contaminación del aire, etc.) pueden proporcionar información valiosa sobre las condiciones de movilidad actuales en la ciudad, que con el algoritmo de procesamiento de datos adecuado, pueden utilizarse para enrutar y gestionar el flujo de gente en entornos urbanos. Por lo tanto, en esta tesis combinamos dos prometedoras fuentes de movilidad inteligente: MCS y la planificación de viajes/rutas, uniendo en cierta medida los distintos desafíos de investigación. Hemos dividido nuestros objetivos de investigación en dos etapas: (1) Desafíos arquitectónicos en el diseño de sistemas MCS y (2) Desafíos algorítmicos en la planificación de rutas aprovechando la información del MCS. Nuestro objetivo es demostrar una progresión lógica de la investigación a lo largo del tiempo, comenzando desde los fundamentos de los sistemas de detección centrados en personas, como el MCS, hasta los algoritmos de optimización de rutas diseñados específicamente para la aplicación de estos. Si bien nos centramos en algoritmos y heurísticas para resolver problemas de enrutamiento de clase NP-hard, utilizamos ejemplos de aplicaciones en el mundo real para mostrar las ventajas de los algoritmos e infraestructuras propuestas

Foundations of coverage algorithms in autonomic mobile sensor networks

Drones are poised to become a prominent focus of advances in the near future as hardware platforms manufactured via mass production become accessible to consumers in higher quantities at lower costs than ever before. As more ways to utilize such devices become more popular, algorithms for directing the activities of mobile sensors must expand in order to automate their work. This work explores algorithms used to direct the behavior of networks of autonomous mobile sensors, and in particular how such networks can operate to achieve coverage of a field using mobility. We focus special attention to the way limited mobility affects the performance (and other factors) of algorithms traditionally applied to area coverage and event detection problems. Strategies for maximizing event detection and minimizing detection delay as mobile sensors with limited mobility are explored in the first part of this work. Next we examine exploratory coverage, a new way of analyzing sensor coverage, concerned more with covering each part of the coverage field once, while minimizing mobility required to achieve this level of 1-coverage. This analysis is contained in the second part of this work. Extending the analysis of mobility, we next strive to explore the novel topic of disabled mobility in mobile sensors, and how algorithms might react to increase effectiveness given that some sensors have lost mobility while retaining other senses. This work analyzes algorithm effectiveness in light of disabled mobility, demonstrates how this particular failure mode impacts common coverage algorithms, and presents ways to adjust algorithms to mitigate performance losses. --Abstract, page iv

Emergency rapid mapping with drones: models and solution approaches for offline and online mission planning

Die Verfügbarkeit von unbemannten Luftfahrzeugen (unmanned aerial vehicles oder UAVs) und die Fortschritte in der Entwicklung leichtgewichtiger Sensorik eröffnen neue Möglichkeiten für den Einsatz von Fernerkundungstechnologien zur Schnellerkundung in Großschadenslagen. Hier ermöglichen sie es beispielsweise nach Großbränden, Einsatzkräften in kurzer Zeit ein erstes Lagebild zur Verfügung zu stellen. Die begrenzte Flugdauer der UAVs wie auch der Bedarf der Einsatzkräfte nach einer schnellen Ersteinschätzung bedeuten jedoch, dass die betroffenen Gebiete nur stichprobenartig überprüft werden können. In Kombination mit Interpolationsverfahren ermöglichen diese Stichproben anschließend eine Abschätzung der Verteilung von Gefahrstoffen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Problem der Planung von UAV-Missionen, die den Informationsgewinn im Notfalleinsatz maximieren. Das Problem wird dabei sowohl in der Offline-Variante, die Missionen vor Abflug bestimmt, als auch in der Online-Variante, bei der die Pläne während des Fluges der UAVs aktualisiert werden, untersucht. Das übergreifende Ziel ist die Konzeption effizienter Modelle und Verfahren, die Informationen über die räumliche Korrelation im beobachteten Gebiet nutzen, um in zeitkritischen Situationen Lösungen von hoher Vorhersagegüte zu bestimmen. In der Offline-Planung wird das generalized correlated team orienteering problem eingeführt und eine zweistufige Heuristik zur schnellen Bestimmung explorativer UAV-Missionen vorgeschlagen. In einer umfangreichen Studie wird die Leistungsfähigkeit und Konkurrenzfähigkeit der Heuristik hinsichtlich Rechenzeit und Lösungsqualität bestätigt. Anhand von in dieser Arbeit neu eingeführten Benchmarkinstanzen wird der höhere Informationsgewinn der vorgeschlagenen Modelle im Vergleich zu verwandten Konzepten aufgezeigt. Im Bereich der Online-Planung wird die Kombination von lernenden Verfahren zur Modellierung der Schadstoffe mit Planungsverfahren, die dieses Wissen nutzen, um Missionen zu verbessern, untersucht. Hierzu wird eine breite Spanne von Lösungsverfahren aus unterschiedlichen Disziplinen klassifiziert und um neue effiziente Modellierungsvarianten für die Schnellerkundung ergänzt. Die Untersuchung im Rahmen einer ereignisdiskreten Simulation zeigt, dass vergleichsweise einfache Approximationen räumlicher Zusammenhänge in sehr kurzer Zeit Lösungen hoher Qualität ermöglichen. Darüber hinaus wird die höhere Robustheit genauerer, aber aufwändigerer Modelle und Lösungskonzepte demonstriert