A fluid dynamics framework for control of mobile robot networks

Abstract

Bu tez gezgin robot ağlarının kontrolü için akışkanlar dinamiği tabanlı bir çerçeveönermektedir. Bu yaklaşım akışkanların sergilediği, kollektif robotlar için istenilenbazı doğal davranışlardan esinlenmektedir. Dayanılan matematiksel yöntemakışkan cisimler ile çok robotlu sistemler arasında benzerlik kurularakgeliştirilmiştir. Bu benzerlikte robotlar bir akışkan kütleyi meydana getirenakışkan zerreleri olarak modellenmiştir. Akışkanlar dinamiğini yöneten formüllerçok robotlu sistemlere uyarlanmış ve robotların kontrolüne uygulanmıştır. Bumodel bir robotun akışını, komşu robotlar ve çevre ile olan yerel etkileşimleritemelinde yönetmektedir. Bu yüzden model robotların engellerden kaçınma,yayılma ve akış gibi alt seviye davranışları üzerinde dağıtılmış bir tepkisel kontrolsağlamaktadır. Bu davranışlar akışkanların doğasında vardır ve robotlar arasındaeşgüdümün kendiliğinden ortaya çıkmasını sağlamaktadır. Anılan çerçeve hususigörev gereksinimlerine göre tasarlanabilecek üst seviye bir kontrol katmanı daortaya koymaktadır. Sistemin alt katmandaki matematiksel tanımından doğan birparametre kümesi sayesinde işbirliği ve kollektif davranışın ortaya çıkışı bu üstseviye katmanda kontrol edilebilmektedir. Yaklaşımın geçerliliği ve potansiyelibaşlıca iki genel kollektif robotik görevi olan yayılım ve gezinim üzerindeviidenemiştir. Gaz benzeri gezgin algılayıcı ağlarının bilinmeyen, yapısız ve dinamikolarak değişen ortamlarda kendiliğinden yayılma sayesinde etkin kapsamasağlayabildiği gösterilmiştir. Diğer taraftan robotlar gezinim ve yol takip etmegörevlerinde yönlü bir akış da sergileyebilmektedirler. Bu, önerilen çerçeveninmuhtelif çok robotlu uygulamaların geliştirilmesinde kullanılabileceğinigöstermektedir.Keywords: Kollektif Robotik, Akışkanlar Dinamiği, Yumuşatılmış ParçacıkHidrodinamiği, Yayılma, Gezgin Algılayıcı Ağları.

This thesis proposes a framework for controlling mobile robot networks based on afluid dynamics paradigm. The approach is inspired by natural behaviors of fluidsdemonstrating desirable characteristics for collective robots. The underlyingmathematical formalism is developed through establishing analogies between fluidbodies and multi-robot systems such that robots are modeled as fluid elements thatconstitute a fluid body. The governing equations of fluid dynamics are adapted tomulti-robot systems and applied on control of robots. The model governs flow of arobot based on its local interactions with neighboring robots and surroundingenvironment. Therefore, it provides a layer of decentralized reactive control onlow level behaviors, such as obstacle avoidance, deployment, and flow. Thesebehaviors are inherent to the nature of fluids and provide emergent coordinationamong robots. The framework also introduces a high-level control layer that canbe designed according to requirements of the particular task. Emergence ofcooperation and collective behavior can be controlled in this layer via a set ofparameters obtained from the mathematical description of the system in the lowerlayer. Validity and potential of the approach have been experimented throughsimulations primarily on two common collective robotic tasks; deployment andvnavigation. It is shown that gas-like mobile sensor networks can provide effectivecoverage in unknown, unstructured, and dynamically changing environmentsthrough self-spreading. On the other hand, robots can also demonstrate directionalflow in navigation or path following tasks, showing that a wide range of multirobotapplications can potentially be developed using the framework.Keywords: Collective Robotics, Fluid Dynamics, Smoothed ParticleHydrodynamics, Deployment, Mobile Sensor Networks.