Design and analysis of novel routing protocols for vehicular delay tolerant networks

Abstract

Τα κινούμενα ρομπότ, ως η μετέπειτα γενεά των βιομηχανικών ρομπότ που έχουν εκμοντερνίσει την βιομηχανία, έχουν εισαγάγει τεράστιες ευκαιρίες τεχνολογικής ανάπτυξης στον σύγχρονο κόσμο. Με εφαρμογές που εκτείνονται από το απλό νοικοκυριό μέχρι και στην εξερεύνηση του διαστήματος, νέες καινούργιες εφαρμογές έχουν εισαχθεί. Αυτές οι εφαρμογές χρειάζονται αυξημένη ρομποτική αυτονομία, λόγω της αδυναμίας των χειριστών να είναι παρόντες ή απλά λόγω της ανάγκης για βελτιωμένη απόδοση. Όταν τα ρομπότ λειτουργούν πλέον αυτόνομα, ο συντονισμός μεταξύ τους είναι απαραίτητος ώστε να διασφαλιστεί αποδοτική λειτουργία καθώς επίσης και η αύξηση της παραγωγικότητας. Στις περιπτώσεις απρόσμενων γεγονότων, για παράδειγμα όταν ένα από τα ρομπότ δεν ανταποκρίνεται, τα εναπομείναντα ρομπότ πρέπει να είναι ικανά να συντονιστούν κάτω από νέες συνθήκες έτσι ώστε να πετύχουν τους στόχους τους. Τα σφάλματα κινητήρων είναι ακόμα μια πρόκληση που παρουσιάζεται όταν τα ρομπότ λειτουργούν αυτόνομα, για τον λόγο ότι προκαλούν μειωμένη παραγωγικότητα και δημιουργούν θέματα ασφαλείας. Τα σφάλματα κινητήρων επηρεάζουν την ομαλή λειτουργία των ρομπότ και προκαλούν αλλαγή στην πορεία τους, δημιουργώντας συγκρούσεις, ζημίες και ενδεχόμενους τραυματισμούς Στης διατριβή αυτή προσεγγίζονται οι δυσκολίες συντονισμού μεταξύ των ρομπότ και στον εντοπισμό σφαλμάτων στους κινητήρες για συγκεκριμένα ρομποτικά συστήματα. Πρώτα, παρουσιάζεται μια μέθοδος βελτιστοποίησης του συντονισμού μια ομάδας ρομπότ που λειτουργούν σε μια αποθήκη. Προτείνεται ένας αποδοτικός αλγόριθμος ώστε να εξευρεθεί λύση στο πρόβλημα της βελτιστοποίησης του συντονισμού σε πραγματικό χρόνο. Δεύτερο, χρησιμοποιείται μία μέθοδος ανίχνευσης σφαλμάτων η οποία χρησιμοποιεί οδομετρία για να ανιχνεύσει σφάλμα κινητήρων και τα ταυτοποιεί σε σχέση με τρεις αντίστοιχους τύπους σφαλμάτων. Τρίτο, παρουσιάζεται μια νέα μέθοδος η οποία αυξάνει την ευαισθησία εντοπισμού σφάλματος, ενσωματώνοντας πολλαπλά όρια. Εισάγεται η έννοια του προειδοποιητικού σήματος, του οποίου η συμπεριφορά στον χρόνο χρησιμοποιείται για να ανιχνεύσει σφάλματα μικρής έντασης. Τέταρτο, παρουσιάζουμε μια μονάδα επεξεργασίας η οποία μπορεί να εγκατασταθεί σε ένα κινούμενο ρομότ και να παρέχει διόρθωση πορείας σε περίπτωση ενδεχόμενου σφάλματος, χρησιμοποιώντας ανίχνευση σφάλματος, εντοπισμό και ταυτοποίηση. Η αποδοτικότητα των μεθόδων που προτείνονται αποδεικνύεται δια μέσω προσομοίωσης και επικυρώνεται με τη χρήση σε πραγματικό ρομπότ, με τη χρήση της πειραματικής πλατφόρμας που αναπτύχθηκε και παρουσιάζεται σε αυτή την διατριβή.

Mobile robots, as a natural successor of manipulators that revolutionized the industrial world, have introduced vast possibilities for technological advancements in today’s modern era. With applications spanning from simple household cleaning to planetary exploration, new challenging and unpredictable environments are introduced. These applications demand for increased robot autonomy, either due to the inability for human operators to be present or simply due to the need for improved efficiency. When robots operate autonomously, coordination among them is essential to ensure efficient operation and increase productivity. In cases of unexpected events, for example when one of the robots becomes unresponsive, the remaining robots must be able to coordinate under the new conditions and achieve their tasks. Actuator faults is another challenge introduced when robots operate autonomously, causing reduced productivity, as well as raising safety issues. An actuator fault affects the normal operation, causing the robot to drift away from its path with the risk of colliding with an obstacle, causing damages to its surroundings and possibly injuring people. This thesis addresses the challenges of coordination and actuator fault detection for certain mobile robot systems. First, a method is presented for optimizing the coordination of a team of robots operating in a warehouse. An efficient algorithm is proposed to provide the solution of the coordination optimization problem in real-time. Second, a model-based fault detection approach is used that utilizes odometry to detect actuator faults and identifies them with respect to three possible fault-types. Third, a new detection method is presented for increasing detection sensitivity by incorporating multiple thresholds. The concept of warning signal is introduced, whose temporal behavior is used to detect faults of small magnitude. Fourth, we present a module that can be installed on a mobile robot and provide path correction in the event of a fault, using fault detection, isolation and identification. The effectiveness of the proposed methods is demonstrated through simulations and validated on a real mobile robot, using the experimentation platform developed and presented in the thesis.