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

Reducing Communication Delay Variability for a Group of Robots

A novel architecture is presented for reducing communication delay variability for a group of robots. This architecture relies on using three components: a microprocessor architecture that allows deterministic real-time tasks; an event-based communication protocol in which nodes transmit in a TDMA fashion, without the need of global clock synchronization techniques; and a novel communication scheme that enables deterministic communications by allowing senders to transmit without regard for the state of the medium or coordination with other senders, and receivers can tease apart messages sent simultaneously with a high probability of success. This approach compared to others, allows simultaneous communications without regard for the state of the transmission medium, it allows deterministic communications, and it enables ordered communications that can be a applied in a team of robots. Simulations and experimental results are also included

Application of JXTA-overlay platform for secure robot control

In this paper, we present the evaluation and experimental results of secured robot control in a P2P system. The control system is based on JXTA-Overlay platform. We used secure primitives and functions of JXTA-Overlay for the secure control of the robot motors. We investigated the time of robot control for some scenarios with different number of peers connected in JXTA-Overlay network. All experiments are realised in a LAN environment. The experimental results show that with the join of other peers in the network, the average time of robot control is increased, but the difference between the secure and unsecure robot control average time is nearly the samePeer ReviewedPostprint (published version

Wireless Real-Time Communication in Tunnel-like Environments using Wireless Mesh Networks: The WICKPro Protocol

En los últimos años, las redes inalámbricas se están utilizando cada vez más en entornos industriales debido a sus ventajas respecto a redes cableadas: menor coste de instalación, soporte de movilidad, instalación en lugares donde los cables pueden ser problemáticos y mayor facilidad de reconfiguración. Estas redes inalámbricas normalmente deben proporcionar comunicación en tiempo real para satisfacer los requerimientos de las aplicaciones. Podemos encontrar ejemplos de comunicación en tiempo real con redes inalámbricas para entornos industriales en el campo de la automatización industrial y en el control de procesos, donde redes inalámbricas de radiofrecuencia han sido utilizadas para posibilitar comunicación en tiempo real con un despliegue sencillo. Asimismo, la industria también está interesada en comunicaciones en tiempo real en entornos subterráneos, puesto que existen diversas actividades que se llevan a cabo en escenarios tales como túneles y minas, incluyendo operaciones de minería, vigilancia, intervención y rescate. Las redes inalámbricas malladas (Wireless Mesh Networks, WMNs) representan una solución prometedora para conseguir comunicaci ón en tiempo real en entornos inalámbricos, dado que proporcionan una red troncal inalámbrica formada por encaminadores (routers) que es utilizada por terminales móviles. Sin embargo, las WMNs también presentan algunos retos: la naturaleza multisalto de estas redes causa interferencias entre flujos e interferencias de un flujo consigo mismo, además de que la propagación inalámbrica sufre shadowing y propagación multicamino. El estándar IEEE 802.11 ha sido ampliamente utilizado en redes WMNs debido a su bajo coste y la operación en bandas frecuenciales sin licencia. El problema es que su protocolo de acceso al medio (Medium Access Control, MAC) no es determinista y que sus comunicaciones sufren los problemas del terminal oculto y expuesto. Esta tesis doctoral se centra en el soporte de comunicaciones en tiempo real en entornos tipo túnel utilizando redes WMNs. Con este objetivo, desarrollamos un protocolo MAC y de nivel de red denominado WIreless Chain networK Protocol (WICKPro) que funciona sobre IEEE 802.11. Más concretamente, en este trabajo diseñamos dos versiones de este protocolo para proporcionar soporte de tráfico de tiempo real firme (Firm Real-Time, FRT) y de tiempo real no estricto (Soft Real-Time, SRT): FRT-WICKPro y SRT-WICKPro. Asimismo, proponemos un algoritmo de hand-off conocido como Double-Threshold Hand-off (DoTHa) para el manejo de la movilidad en SRT-WICKPro WICKPro utiliza un esquema de paso de testigo para solventar las interferencias entre flujos y de un flujo consigo mismo, así como los problemas del terminal oculto y expuesto, dado que este esquema no permite que dos nodos transmitan al mismo tiempo. Esta solución es razonable para redes pequeñas donde el re uso espacial es imposible o limitado. Para tratar la naturaleza no determinista de IEEE 802.11, combinamos el esquema de paso de testigo con una planificación cíclica global. Como es habitual en planificación cíclica, el hiperperiodo es dividido en un conjunto de ciclos secundarios. FRT-WICKPro inicia el paso de testigo de forma síncrona para satisfacer estrictamente dichos ciclos secundarios, mientras que SRT-WICKPro implementa un paso de testigo asíncrono y permite sobrepasar los ciclos secundarios, por lo que desacopla los ciclos secundarios reales de los te_oricos. Finalmente, DoTHa lidia con el shadowing y la propagación multicamino. Para abordar el shadowing, DoTHa permite llevar a cabo el proceso de hand-off en la región conectada y en la región de transición de un enlace, mientras que la propagación multicamino es ignorada para el proceso de hand-off porque la potencia recibida es promediada. Nuestras propuestas fueron validadas en experimentos de laboratorio y de campo, así como en simulación. Como un estudio de caso, llevamos a cabo la teleoperación de un robot móvil en dos entornos confinados: los pasillos de un edificio y el túnel del Somport. El túnel del Somport es un antiguo túnel ferroviario fuera de servicio que conecta España y Francia por los Pirineos Centrales. Aunque los robots autónomos son cada vez más importantes, la tecnología no está suficientemente madura para manejar entornos con alto dinamismo como sistemas de fabricación reconfigurables, o para realizar decisiones de vida o muerte, por ejemplo después de un desastre con contaminación radiactiva. Las aplicaciones que pueden beneficiarse de la teleoperación de robots móviles incluyen la monitorización en tiempo real y el uso de maquinaria robotizada, por ejemplo camiones dumper y máquinas tuneladoras, que podrían ser operadas remotamente para evitar poner en peligro vidas humanas.Industrial applications have been shifting towards wireless networks in recent years because they present several advantages compared with their wired counterparts: lower deployment cost, mobility support, installation in places where cables may be problematic, and easier reconfiguration. These industrial wireless networks usually must provide real-time communication to meet application requirements. Examples of wireless real-time communication for industrial applications can be found in factory automation and process control, where Radio Frequency wireless communication technologies have been employed to support flexible real-time communication with simple deployment. Likewise, industry is also interested in real-time communication in underground environments, since there are several activities that are carried out in scenarios such as tunnels and mines, including mining, surveillance, intervention, and rescue operations. Wireless Mesh Networks (WMNs) are promising enablers to achieve wireless real-time communication because they provide a wireless backbone comprised by dedicated routers that is utilized by mobile terminals. However, WMNs also present several challenges: wireless multi-hopping causes inter-flow and intra-flow interferences, and wireless propagation suffers shadowing and multi-path fading. The IEEE 802.11 standard has been widely used in WMNs due to its low cost and the operation in unlicensed frequency bands. The downside is that its Medium Access Control (MAC) protocol is non-deterministic, and that its communications suffer from the hidden and exposed terminal problems. This PhD thesis focuses on real-time communication in tunnel-like environments by using WMNs. Particularly, we develop a MAC and network protocol on top of the IEEE 802.11 standard to provide real-time capabilities, so-called WIreless Chain networK Protocol (WICKPro). Two WICKPro versions are designed to provide Firm Real-Time (FRT) or Soft Real-Time (SRT) traffic support: FRT-WICKPro and SRT-WICKPro. We also propose a hand-off algorithm dubbed Double-Threshold Hand-off (DoTHa) to manage mobility in SRT-WICKPro. WICKPro employs a token-passing scheme to solve the inter-flow and intra-flow interferences as well as the hidden and exposed terminal problems, since this scheme does not allow two nodes to transmit at the same time. This is a reasonable solution for small-scale networks where spatial reuse is impossible or limited. The non-deterministic nature of IEEE 802.11 is faced by combining the token-passing mechanism with a polling approach based on a global cyclic packet schedule. As usual in cyclic scheduling, the hyper-period is divided into minor cycles. FRT-WICKPro triggers the token synchronously and fulfills strictly minor cycles, whereas SRT-WICKPro carries out asynchronous token-passing and lets minor cycles be overrun, thereby decoupling the theoretic and the actual minor cycles. Finally, DoTHa deals with shadowing and multi-path fading. Shadowing is addressed by providing the opportunity of triggering hand-off in the connected and transitional regions of a link, while multi-path fading is neglected for hand-off purposes by smoothing the received signal power. We tested our proposals in laboratory and field experiments, as well as in simulation. As a case study, we carried out the tele-operation of a mobile robot within two confined environments: the corridors of a building and the Somport tunnel. The Somport tunnel is an old out-of-service railway tunnel that connects Spain and France through the Central Pyrenees. Although autonomous robots are becoming more and more important, technology is not mature enough to manage highly dynamic environments such as reconfigurable manufacturing systems, or to make life-and-death decisions, e.g., after a disaster with radioactivity contamination. Applications that can benefit from mobile robot tele-operation include real-time monitoring and the use of robotized machinery, for example, dumper trucks and tunneling machines, which could be remotely operated to avoid endangering human lives

Flexible Wi-Fi communication among mobile robots in Indoor industrial environments

In order to speed up industrial processes and to improve logistics, mobile robots are getting important in industry. In this paper, we propose a flexible and configurable architecture for the mobile node that is able to operate in different network topology scenarios. The proposed solution is able to operate in presence of network infrastructure, in ad hoc mode only, or to use both possibilities. In case of mixed architecture, mesh capabilities will enable coverage problem detection and overcoming. The solution is based on real requirements from an automated guided vehicle producer. First, we evaluate the overhead introduced by our solution. Since the mobile robot communication relies in broadcast traffic, the broadcast scalability in mesh network is evaluated too. Finally, through experiments on a wireless testbed for a variety of scenarios, we analyze the impact of roaming, mobility and traffic separation, and demonstrate the advantage of our approach in handling coverage problems

Analysis, evaluation and improvement of RT-WMP for real-time and QoS wireless communication: Applications in confined environments

En los ultimos años, la innovación tecnológica, la característica de flexibilidad y el rápido despligue de las redes inalámbricas, han favorecido la difusión de la redes móviles ad-hoc (MANETs), capaces de ofrecer servicios para tareas específicas entre nodos móviles. Los aspectos relacionados al dinamismo de la topología móvil y el acceso a un medio compartido por naturaleza hacen que sea preciso enfrentarse a clases de problemas distintos de los relacionados con la redes cableadas, atrayendo de este modo el interés de la comunidad científica. Las redes ad-hoc suelen soportar tráfico con garantía de servicio mínimo y la mayor parte de las propuestas presentes en literatura tratan de dar garantías de ancho de banda o minimizar el retardo de los mensajes. Sin embargo hay situaciones en las que estas garantías no son suficientes. Este es el caso de los sistemas que requieren garantías mas fuertes en la entrega de los mensajes, como es el caso de los sistemas de tiempo real donde la pérdida o el retraso de un sólo mensaje puede provocar problemas graves. Otras aplicaciones como la videoconferencia, cada vez más extendidas, implican un tráfico de datos con requisitos diferentes, como la calidad de servicio (QoS). Los requisitos de tiempo real y de QoS añaden nuevos retos al ya exigente servicio de comunicación inalámbrica entre estaciones móviles de una MANET. Además, hay aplicaciones en las que hay que tener en cuenta algo más que el simple encaminamiento de los mensajes. Este es el caso de aplicaciones en entornos subterráneos, donde el conocimiento de la evolución de propagación de la señal entre los diferentes nodos puede ser útil para mejorar la calidad de servicio y mantener la conectividad en cada momento. A pesar de ésto, dentro del amplio abanicos de propuestas presente en la literatura, existen un conjunto de limitaciones que van de el mero uso de protocolos simulados a propuestas que no tienen en cuenta entornos no convencionales o que resultan aisladas desde el punto de vista de la integración en sistemas complejos. En esta tesis doctoral, se propone un estudio completo sobre un plataforma inalámbrica de tiempo real, utilizando el protocolo RT-WMP capaz de gestionar trafíco multimedia al mismo tiempo y adaptado al entorno de trabajo. Se propone una extensión para el soporte a los datos con calidad de servicio sin limitar las caractaristícas temporales del protocolo básico. Y con el fin de tener en cuenta el efecto de la propagación de la señal, se caracteriza el entorno por medio de un conjunto de restricciones de conectividad. La solución ha sido desarrollada y su validez ha sido demostrada extensamente en aplicaciones reales en entornos subterráneos, en redes malladas y aplicaciones robóticas