Design and implementation of architecture for multi-robot cooperation in the context of WSN

International audienceThe concept of autonomous mobile agents gets a lot of attention in the domain of wireless sensor networks (WSN) or wireless sensor and actuator networks (WSAN). Multiple robots that coordinate or cooperate with other sensors, robots or human operator, allow the WSN/WSAN to perform tasks that are far beyond the scope of single robot unit. In this work, we describe the robot middleware architecture that allows networked multi-robot control and data acquisition in the context of wireless sensor networks. Furthermore, we present three examples of robot network deployment and illustrate the proposed architecture usability: the robotic network deployment with the goal of covering the Point of Interest, adaptable multi-hop video transmission scenario, and the case of obtaining the energy consumption during the deployment

Multiple Target Discovery and Coverage with Mobile Wireless Sensors

International audienceEnvironmental monitoring has become a typical application of wireless sensor networks. The concept of monitoring certain points in the sensor field instead of the whole field area helps in reducing the costs of the deployment and improving the performance in terms of coverage. However, the problems of environment exploration, multiple target coverage and connectivity preservation are still solved separately and there are no works that combine the aforementioned problems into a single deployment scheme. In this work, we present a novel approach for mobile sensor deployment, where we combine the environment exploration with with network connectivity preservation and multiple target coverage. We examine the performance of our scheme through extensive simulation campaigns

Robust Wireless Sensor Network Deployment

International audienceIn this work we present a decentralized deployment algorithm for wireless mobile sensor networks focused on deployment Efficiency, connectivity Maintenance and network Reparation (EMR). We assume that a group of mobile sensors is placed in the area of interest to be covered, without any prior knowledge of the environment. The goal of the algorithm is to maximize the covered area and cope with sudden sensor failures. By relying on the locally available information regarding the environment and neighborhood, and without the need for any kind of synchronization in the network, each sensor iteratively chooses the next-step movement location so as to form a hexagonal lattice grid. Relying on the graph of wireless mobile sensors, we are able to provide the properties regarding the quality of coverage, the connectivity of the graph and the termination of the algorithm. We run extensive simulations to provide compactness properties of the deployment and evaluate the robustness against sensor failures. We show through the analysis and the simulations that EMR algorithm is robust to node failures and can restore the lattice grid. We also show that even after a failure, EMR algorithm call still provide a compact deployment in a reasonable time

Applications of Industrial Wireless Sensor Networks

International audienceThe collaborative nature of industrial wireless sensor networks (IWSNs) brings several advantages over traditional wired industrial monitoring and control systems, including self-organization, rapid deployment, flexibility, and inherent intelligent processing. In this regard, IWSNs play a vital role in creating more reliable, efficient, and productive industrial systems, thus improving companies' competitiveness in the marketplace. Industrial Wireless Sensor Networks: Applications, Protocols, and Standards examines the current state of the art in industrial wireless sensor networks and outlines future directions for research

Covering Points of Interest with Mobile Sensors

International audienceThe coverage of Points of Interest (PoI) is a classical requirement in mobile wireless sensor applications. Optimizing the sensors self-deployment over a PoI while maintaining the connectivity between the sensors and the base station is thus a fundamental issue. This article addresses the problem of autonomous deployment of mobile sensors that need to cover a predefined PoI with a connectivity constraint. In our algorithm, each sensor moves toward a PoI but has also to maintain the connectivity with a subset of its neighboring sensors that are part of the Relative Neighborhood Graph (RNG). The Relative Neighborhood Graph reduction is chosen so that global connectivity can be provided locally. Our deployment scheme minimizes the number of sensors used for connectivity thus increasing the number of monitoring sensors. Analytical results, simulation results and practical implementation are provided to show the efficiency of our algorithm

Spread and shrink: Point of interest discovery and coverage with mobile wireless sensors

International audienceIn this paper we tackle the problem of deploying mobile wireless sensors while maintaining connectivity with a sink throughout the deployment process. These mobile sensors should discover some points of interest (PoI) in an autonomous way and continuously report information from the observed events to the sink. Unlike previous works, we design an algorithm that uses only local information and local interactions with surrounding sensors. Moreover, unlike other approaches, our algorithm implements both the discovery and the coverage phase. In the discovery phase, the mobile sensors spread to discover new events all over the field and in the second phase, they shrink to concentrate only on the discovered events, named points of interest. We prove that connectivity is preserved during both phases and the spreading phase is terminated in a reasonable amount of time. Real experiments are conducted for small-scale scenarios that are used as a “proof of concept”, while extensive simulations are performed for more complex scenarios to evaluate the algorithm performance. A comparison with an existing work which uses virtual forces has been made as well. The results show the capability of our algorithm to scale fast in both discovery, coverage and shrinking phases

Recharging <i>vs</i>. Replacing Sensor Nodes Using Mobile Robots for Network Maintenance

International audienceWireless sensor networks (WSNs) have been of very high interest for the research community since years, but the quest for deploying a self-sustained network and effectively prolonging its lifetime has not found a satisfactory answer yet. Two main approaches can be identified that target this objective: either "recharging'' or "replacing'' the sensor nodes that are running out of energy. Of particular interest are solutions where mobile robots are used to execute the above mentioned tasks to automatically and autonomously maintain the WSN, thus reducing human intervention.Recently, the progress in wireless power transfer techniques has boosted research activities in the direction of battery recharging, with high expectations for its application to WSNs. Similarly, also sensor replacement techniques have been widely studied as a means to provide service continuity in the network. Objective of this paper is to investigate the limitations and the advantages of these two research directions. Key decision points must be identified for effectively supporting WSN self-maintenance: (i) which sensor nodes have to be recharged/replaced; (ii) in which order the mobile robot is serving (i.e., recharging/replacing) the nodes and by following which path; (iii) how much energy is delivered to a sensor when recharged. The influence that a set of parameters, relative to both the sensors and the mobile robot, on the decisions will be considered. Centralized and distributed solutions are compared in terms of effectiveness in prolonging the network lifetime and in allowing network self-sustainability. The performance evaluation in a variety of scenarios and network settings offers the opportunity to draw conclusions and to discuss the boundaries for one technique being preferable to the other

Mobile wireless sensor network architecture: Applications to mobile sensor deployment

The advances in mobile robotics allow us today to add the mobility concept into many different classes of Wireless Sensor Networks. The deployment of mobile sensors is possible and useful in many application scenarios, ranging from the environmental monitoring and public safety applications, to the industry, healthcare and military applications. Two topics are elaborated in this thesis: networked robot middleware design and a set of approaches for mobile robot deployment in the context of wireless sensor networks. The middleware proposed and described in this thesis allows the user to easily implement different types of deployment algorithms for mobile robots. In the second part of the thesis, three main problems are presented and analyzed. The first is the problem of improving the quality of service with the use of mobile robotic networks, which is solved with the use of deployment algorithm that improves the performance of a multimedia communication by using an intrusive methods to gather the necessary transmission quality evaluation metrics. Second problem is the coverage of the point of interest with mobile robots, where the fixed base station is placed inside the field of interest, while the available mobile robots cover the point of interest and relay the information about it towards the base station in a multi-hop manner. The third problem is the point of interest discovery and coverage with the use of mobile robots which follow concentric circular paths to explore and cover the field of interest, and, by adjusting the movement velocity, they satisfy the constraints on point of interest coverage and connectivity with the base station.Les progrès de la robotique mobile nous permettent aujourd'hui d'ajouter la notion de mobilité dans plusieurs classes de réseaux de capteurs sans fil. Le déploiement de capteurs mobiles est possible et utile dans de nombreuses applications, comme la surveillance de l'environnement, les applications dans l'industrie, dans la santé et le domaine militaire. Le terme robot mobile peut représenter n'importe quel type de robot avec la capacité de modifier sa position. Cette notion inclut une vaste gamme de robots industriels utilisés dans les lignes de production. Dans le contexte spécifique de cette thèse, l'attention se focalise uniquement sur les robots mobiles et plus particulièrement les véhicules autonomes dont les mouvements ne sont pas limités par leur taille physique. Ainsi, un robot ou un groupe de robots mobiles peuvent être utilisés pour explorer des environnements inconnus et effectuer une variété de fonctions. La mobilité du robot dans le contexte des réseaux de capteurs, nous permet de résoudre les problèmes qui ne pourraient pas être résolues dans un cas statique. Les robots mobiles permettent d'augmenter la robustesse du réseau en remplaçant des nœuds de capteurs et de s'adapter aux environnements inconnus ou dynamiques. Deux thèmes sont abordées dans cette thèse : la conception d'un intergiciels pour les réseaux de robots mobiles et un ensemble d'approches pour le déploiement de robots mobiles dans le cadre de réseaux de capteurs sans fil. L'intergiciel proposé et décrit dans cette thèse permet à l'utilisateur de facilement mettre en œuvre différents types d'algorithmes de déploiement pour les robots mobiles. Il permet de déployer une application sur la station de base centrale qui permet à un utilisateur de rassembler toutes les informations captées par la flotte de robots. L'application de la station de base permet à un utilisateur d'envoyer des commandes à un groupe ou à un robot, introduisant ainsi la commande manuelle en option dans le réseau robotique. L'intergiciel présenté dans ce travail est dédié à être utilisé avec des robots mobiles Wifibot. Il permet réaliser plusieurs tâches. Tout d'abord, il interagit avec le microgiciel du robot pour piloter les moteurs des roues et recueille les informations concernant la sortie du capteur et de l'état de la batterie. Deuxièmement, il gère la communication avec d'autres robots et les stations de base du réseau. Troisièmement, il traite les informations sur l'environnement et les messages reçus des voisins dans le réseau. Enfin, il réagit et il s'adapte de manière rapide et fiable pour aux événements de l'environnement. Dans la deuxième partie de la thèse, trois problèmes sont présentés et analysés : le problème de l'amélioration de la qualité de service avec l'utilisation des réseaux robotiques mobiles, la couverture du point d'intérêt avec des robots mobiles et la découverte de points d'intérêt et leur couverture avec l'utilisation des robots mobiles. Le premier problème est résolu avec l'utilisation de l'algorithme de déploiement qui améliore les performances de la transmission multimédia. Cet algorithme utilise une méthode intrusive pour réunir les métriques de qualité de service. Ensuite, l'attention est focalisé sur l'application des réseaux de capteurs sans fil est la surveillance de l'environnement. Au lieu de surveiller toute la région, couvrir seulement un ensemble de points d'intérêt spécifiques accroît les performances du réseau et réduit le coût de déploiement. Nous faison l'hypothèse que la station de base fixe est placé à l'intérieur du domaine d'intérêt, tandis que les robots mobiles disponibles couvrent le point d'intérêt et relayent l'information vers la station de base. L'approche pour résoudre le dernier problème est basée sur le mouvement continu et à vitesse variable de capteurs mobiles, qui suivent des trajectoires circulaires concentriques afin d'explorer et de couvrir le domaine d'intérêt. En se déplaçant constamment, les capteurs exécutent la tâche de découverte de l'environnement et, en ajustant la vitesse de déplacement, ils répondent aux contraintes de la couverture et la connectivité avec la station de base. L'algorithme installé sur tous les capteurs mobiles est distribué et introduit une nouvelle technique de calcul de la vitesse en fonction des informations disponibles à partir des capteurs dans le voisinage à un-saut. Ces algorithmes de déploiement de robots mobiles ont prouvé leur faisabilité à travers de nom- breuses simulations ainsi que dans la mise en pratique en s'appuyant sur l'intergiciel proposé

Architecture pour les réseaux de capteurs sans fil : applications au déploiement de capteur mobile

Les progrès dans le domaine de la robotique mobile nous permettent aujourd'hui d'ajouter la notion de mobilité dans plusieurs classes de réseaux de capteurs sans fil. Le déploiement de capteurs mobiles est possible et utile dans de nombreuses applications (la sécurité, la surveillance de l'environnement, l’industrie et dans la santé). Deux thèmes sont abordées dans cette thèse: la conception d'un intergiciel pour les réseaux de robots mobiles et un ensemble de techniques pour le déploiement du robot mobile dans le cadre de réseaux de capteurs sans fil. L'intergiciel proposé et décrit dans cette thèse permet à l'utilisateur de facilement mettre en œuvre les différents types d'algorithmes de déploiement pour les robots mobiles. Dans la deuxième partie de la thèse, trois problèmes principaux sont présentés et analysés. Le premier est le problème de l'amélioration de la qualité de service avec l'utilisation des réseaux robotiques. Ce problème est résolu par l'utilisation de l'algorithme de déploiement qui améliore les performances de la transmission multimédia. Notre solution utilise une méthode intrusive pour recueillir la métrique de la qualité de transmission. Le deuxième problème abordé est la couverture de points d'intérêt avec des robots mobiles. Une station de base fixe est placé à l'intérieur du domaine d'intérêt, tandis que les robots mobiles disponibles couvrent le point d'intérêt et relayent l'information vers la station de base de proche en proche. Le troisième problème est la découverte des points d'intérêt et la couverture par l'utilisation de robots mobiles qui suivent des trajectoires circulaires concentriques afin de couvrir le domaine d'intérêt. En ajustant la vitesse de déplacement, ils répondent aux contraintes sur la couverture des points d'intérêt et la connectivité avec le station de base.The advances in mobile robotics allow us today to add the mobility concept into many different classes of Wireless Sensor Networks. The deployment of mobile sensors is possible and useful in many application scenarios, ranging from the environmental monitoring and public safety applications, to the industry, healthcare and military applications. Two topics are elaborated in this thesis: networked robot middleware design and a set of approaches for mobile robot deployment in the context of wireless sensor networks. The middleware proposed and described in this thesis allows the user to easily implement different types of deployment algorithms for mobile robots. In the second part of the thesis, three main problems are presented and analyzed. The first is the problem of improving the quality of service with the use of mobile robotic networks, which is solved with the use of deployment algorithm that improves the performance of a multimedia communication by using an intrusive methods to gather the necessary transmission quality evaluation metrics. Second problem is the coverage of the point of interest with mobile robots, where the fixed base station is placed inside the field of interest, while the available mobile robots cover the point of interest and relay the information about it towards the base station in a multi-hop manner. The third problem is the point of interest discovery and coverage with the use of mobile robots which follow concentric circular paths to explore and cover the field of interest, and, by adjusting the movement velocity, they satisfy the constraints on PoI coverage and connectivity with the base station

UAV-assisted disaster management: Applications and open issues

International audienceThe fast-paced development of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) and their use in different domains, opens a new paradigm on their use in natural disaster management. In UAV-assisted disaster management applications, UAVs not only survey the affected area but also assist in establishing the communication network between the disaster survivors, rescue teams and nearest available cellular infrastructure. This paper identifies main disaster management applications of UAV networks and discusses open research issues related to UAV-assisted disaster management