Çok robotlu sistemlerde görev ve yol planlaması

Abstract

Wireless Sensor Networks (WSNs) have been utilized in a wide range of applications such as environmental monitoring, precision agriculture, industrial automation, disaster response, and military surveillance. A critical challenge that affects the system lifetime is the limited battery capacity of the sensors which is mostly consumed by data transmission. In this thesis, we study the sensor data collection problem with a team of unmanned aerial vehicles (UAVs) and a single unmanned ground vehicle (UGV). The UAVs work as data collectors while the UGV provides recharging and data-relaying services to the UAVs. We consider partitioned WSN settings, where the communication graph on the initial locations of all sensors is not connected. That is, a sensor can be single or a member of networked sensors. Each UAV has a fixed capacity that it reserves for storing sensor data. The objective is to minimize the time required for UAVs to collect the data of all sensors such that no UAV exceeds its sensor data capacity. To solve this problem, we propose a capacity-constrained data collection algorithm that plans energy-aware paths for UAVs so that they cooperatively locate the sensors and collect data from them. The algorithm also determines the UAV-UGV rendezvous locations and plans the UGV's path. Our approach combines the techniques including environment decomposition, clustering the sensors, and solving the capacitated vehicle routing problem (CVRP). In simulations, we validate the performance of our algorithm varying the key performance metrics including the number of UAVs, number of sensors, communication range, and environment size.

Telsiz Duyarga Ağları (TDA'lar), çevresel izleme, hassas tarım, endüstriyel otomasyon, afet müdahalesi ve askeri gözetim gibi çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Sistem ömrünü etkileyen kritik bir zorluk, sensörlerin sınırlı pil kapasitesidir ve bu kapasite çoğunlukla veri iletimi sırasında tüketilmektedir. Bu çalışmada, bir grup insansız hava aracı (İHA) ve tek bir insansız kara aracı (İKA) ile sensör verisi toplama problemini ele alıyoruz. İHA'lar veri toplayıcı olarak görev yaparken, İKA İHA'lara şarj ve veri aktarma hizmeti sunar. Çalışmamızda, tüm sensörlerin başlangıç konumlarına göre oluşturulan iletişim grafiğinin bağlantısız olduğu bölünmüş WSN senaryolarını dikkate alıyoruz. Yani, bir sensör tek başına ya da ağ halinde bağlı sensörlerin üyesi olabilir. Her İHA, sensör verilerini depolamak için ayırdığı sabit bir kapasiteye sahiptir. Amaç, hiçbir İHA bu veri kapasitesini aşmadan, tüm sensörlerin verilerinin toplanması için gereken süreyi en aza indirmektir. Bu problemi çözmek için, İHA'ların sensörleri bulup verilerini toplamak üzere enerji farkındalığına sahip yollar planlamasını sağlayan, kapasite kısıtlı bir veri toplama algoritması öneriyoruz. Algoritma aynı zamanda İHA-İKA buluşma noktalarını belirler ve İKA'nın rotasını planlar. Yaklaşımımız; alanı bölgelere ayırma, sensörleri kümeleme ve kapasite kısıtlı araç rotalama problemi (KKARP) çözüm tekniklerini birleştirmektedir. Yaptığımız benzetimlerde, algoritmamızın performansını; İHA sayısı, sensör sayısı, iletişim menzili ve ortam boyutu gibi temel performans kriterleri değiştirerek değerlendiriyoruz.