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

A Survey on Aerial Swarm Robotics

The use of aerial swarms to solve real-world problems has been increasing steadily, accompanied by falling prices and improving performance of communication, sensing, and processing hardware. The commoditization of hardware has reduced unit costs, thereby lowering the barriers to entry to the field of aerial swarm robotics. A key enabling technology for swarms is the family of algorithms that allow the individual members of the swarm to communicate and allocate tasks amongst themselves, plan their trajectories, and coordinate their flight in such a way that the overall objectives of the swarm are achieved efficiently. These algorithms, often organized in a hierarchical fashion, endow the swarm with autonomy at every level, and the role of a human operator can be reduced, in principle, to interactions at a higher level without direct intervention. This technology depends on the clever and innovative application of theoretical tools from control and estimation. This paper reviews the state of the art of these theoretical tools, specifically focusing on how they have been developed for, and applied to, aerial swarms. Aerial swarms differ from swarms of ground-based vehicles in two respects: they operate in a three-dimensional space and the dynamics of individual vehicles adds an extra layer of complexity. We review dynamic modeling and conditions for stability and controllability that are essential in order to achieve cooperative flight and distributed sensing. The main sections of this paper focus on major results covering trajectory generation, task allocation, adversarial control, distributed sensing, monitoring, and mapping. Wherever possible, we indicate how the physics and subsystem technologies of aerial robots are brought to bear on these individual areas

Adaptive and learning-based formation control of swarm robots

Autonomous aerial and wheeled mobile robots play a major role in tasks such as search and rescue, transportation, monitoring, and inspection. However, these operations are faced with a few open challenges including robust autonomy, and adaptive coordination based on the environment and operating conditions, particularly in swarm robots with limited communication and perception capabilities. Furthermore, the computational complexity increases exponentially with the number of robots in the swarm. This thesis examines two different aspects of the formation control problem. On the one hand, we investigate how formation could be performed by swarm robots with limited communication and perception (e.g., Crazyflie nano quadrotor). On the other hand, we explore human-swarm interaction (HSI) and different shared-control mechanisms between human and swarm robots (e.g., BristleBot) for artistic creation. In particular, we combine bio-inspired (i.e., flocking, foraging) techniques with learning-based control strategies (using artificial neural networks) for adaptive control of multi- robots. We first review how learning-based control and networked dynamical systems can be used to assign distributed and decentralized policies to individual robots such that the desired formation emerges from their collective behavior. We proceed by presenting a novel flocking control for UAV swarm using deep reinforcement learning. We formulate the flocking formation problem as a partially observable Markov decision process (POMDP), and consider a leader-follower configuration, where consensus among all UAVs is used to train a shared control policy, and each UAV performs actions based on the local information it collects. In addition, to avoid collision among UAVs and guarantee flocking and navigation, a reward function is added with the global flocking maintenance, mutual reward, and a collision penalty. We adapt deep deterministic policy gradient (DDPG) with centralized training and decentralized execution to obtain the flocking control policy using actor-critic networks and a global state space matrix. In the context of swarm robotics in arts, we investigate how the formation paradigm can serve as an interaction modality for artists to aesthetically utilize swarms. In particular, we explore particle swarm optimization (PSO) and random walk to control the communication between a team of robots with swarming behavior for musical creation

Distributed consensus in multi-robot systems with visual perception

La idea de equipos de robots actuando con autonomía y de manera cooperativa está cada día más cerca de convertirse en realidad. Los sistemas multi robot pueden ejecutar tareas de gran complejidad con mayor robustez y en menos tiempo que un robot trabajando solo. Por otra parte, la coordinación de un equipo de robots introduce complicaciones que los ingenieros encargados de diseñar estos sistemas deben afrontar. Conseguir que la percepción del entorno sea consistente en todos los robots es uno de los aspectos más importantes requeridos en cualquier tarea cooperativa, lo que implica que las observaciones de cada robot del equipo deben ser transmitidas a todos los otros miembros. Cuando dos o más robots poseen información común del entorno, el equipo debe alcanzar un consenso usando toda la información disponible. Esto se debe hacer considerando las limitaciones de cada robot, teniendo en cuenta que no todos los robots se pueden comunicar unos con otros. Con este objetivo, se aborda la tarea de diseñar algoritmos distribuidos que consigan que un equipo de robots llegue a un consenso acerca de la información percibida por todos los miembros. Específicamente, nos centramos en resolver este problema cuando los robots usan la visión como sensor para percibir el entorno. Las cámaras convencionales son muy útiles a la hora de ejecutar tareas como la navegación y la construcción de mapas, esenciales en el ámbito de la robótica, gracias a la gran cantidad de información que contiene cada imagen. Sin embargo, el uso de estos sensores en un marco distribuido introduce una gran cantidad de complicaciones adicionales que deben ser abordadas si se quiere cumplir el objetivo propuesto. En esta Tesis presentamos un estudio profundo de los algoritmos distribuidos de consenso y cómo estos pueden ser usados por un equipo de robots equipados con cámaras convencionales, resolviendo los aspectos más importantes relacionados con el uso de estos sensores. En la primera parte de la Tesis nos centramos en encontrar correspondencias globales entre las observaciones de todos los robots. De esta manera, los robots son capaces de detectar que observaciones deben ser combinadas para el cálculo del consenso. También lidiamos con el problema de la robustez y la detección distribuida de espurios durante el cálculo del consenso. Para contrarrestar el incremento del tamaño de los mensajes intercambiados por los robots en las etapas anteriores, usamos las propiedades de los polinomios de Chebyshev, reduciendo el número de iteraciones que se requieren para alcanzar el consenso. En la segunda parte de la Tesis, centramos nuestra atención en los problemas de crear un mapa y controlar el movimiento del equipo de robots. Presentamos soluciones para alcanzar un consenso en estos escenarios mediante el uso de técnicas de visión por computador ampliamente conocidas. El uso de algoritmos de estructura y movimiento nos permite obviar restricciones tales como que los robots tengan que observarse unos a otros directamente durante el control o la necesidad de especificar un marco de referencia común. Adicionalmente, nuestros algoritmos tienen un comportamiento robusto cuando la calibración de las cámaras no se conoce. Finalmente, la evaluación de las propuestas se realiza utilizando un data set de un entorno urbano y robots reales con restricciones de movimiento no holónomas. Todos los algoritmos que se presentan en esta Tesis han sido diseñados para ser ejecutados de manera distribuida. En la Tesis demostramos de manera teórica las principales propiedades de los algoritmos que se proponen y evaluamos la calidad de los mismos con datos simulados e imágenes reales. En resumen, las principales contribuciones de esta Tesis son: • Un conjunto de algoritmos distribuidos que permiten a un equipo de robots equipados con cámaras convencionales alcanzar un consenso acerca de la información que perciben. En particular, proponemos tres algoritmos distribuidos con el objetivo de resolver los problemas de encontrar correspondencias globales entre la información de todos los robots, detectar y descartar información espuria, y reducir el número de veces que los robots tienen que comunicarse entre ellos antes de alcanzar el consenso. • La combinación de técnicas de consenso distribuido y estructura y movimiento en tareas de control y percepción. Se ha diseñado un algoritmo para construir un mapa topológico de manera cooperativa usando planos como características del mapa y restricciones de homografía como elementos para relacionar las observaciones de los robots. También se ha propuesto una ley de control distribuida utilizando la geometría epipolar con el objetivo de hacer que el equipo de robots alcance una orientación común sin la necesidad de observarse directamente unos a otros

Comprehensive review on controller for leader-follower robotic system

985-1007This paper presents a comprehensive review of the leader-follower robotics system. The aim of this paper is to find and elaborate on the current trends in the swarm robotic system, leader-follower, and multi-agent system. Another part of this review will focus on finding the trend of controller utilized by previous researchers in the leader-follower system. The controller that is commonly applied by the researchers is mostly adaptive and non-linear controllers. The paper also explores the subject of study or system used during the research which normally employs multi-robot, multi-agent, space flying, reconfigurable system, multi-legs system or unmanned system. Another aspect of this paper concentrates on the topology employed by the researchers when they conducted simulation or experimental studies