Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

Energy-based Fair Queuing: Energy-centric Processor Scheduling Algorithm for Battery-limited Mobile Systems

Los dispositivos móviles modernos disponen cada vez de más funcionalidad debido al rápido avance de las tecnologías de las comunicaciones y computaciones móviles. Sin embargo, la capacidad de la batería no ha experimentado un aumento equivalente. Por ello, la experiencia de usuario en los sistemas móviles modernos se ve muy afectada por la vida de la batería, que es un factor inestable de difícil de control. Para abordar este problema, investigaciones anteriores han propuesto un esquema de gestion del consumo (PM) centrada en la energía y que proporciona una garantía sobre la vida operativa de la batería mediante la gestión de la energía como un recurso de primera clase en el sistema. Como el planificador juega un papel fundamental en la administración del consumo de energía y en la garantía del rendimiento de las aplicaciones, esta tesis explora la optimización de la experiencia de usuario para sistemas móviles con energía limitada desde la perspectiva de un planificador que tiene en cuenta el consumo de energía en un contexto en el que ésta es un recurso de primera clase. En esta tesis se analiza en primer lugar los factores que contribuyen de forma general a la experiencia de usuario en un sistema móvil. Después se determinan los requisitos esenciales que afectan a la experiencia de usuario en la planificación centrada en el consumo de energía, que son el reparto proporcional de la potencia, el cumplimiento de las restricciones temporales, y cuando sea necesario, el compromiso entre la cuota de potencia y las restricciones temporales. Para cumplir con los requisitos, el algoritmo clásico de fair queueing y su modelo de referencia se extienden desde los dominios de las comunicaciones y ancho de banda de CPU hacia el dominio de la energía, y en base a ésto, se propone el algoritmo energy-based fair queueing (EFQ) para proporcionar una planificación basada en la energía. El algoritmo EFQ está diseñado para compartir la potencia consumida entre las tareas mediante su planificación en función de la energía consumida y de la cuota reservada. La cuota de consumo de cada tarea con restricciones temporales está protegida frente a diversos cambios que puedan ocurrir en el sistema. Además, para dar mejor soporte a las tareas en tiempo real y multimedia, se propone un mecanismo para combinar con el algoritmo EFQ para dar preferencia en la planificación durante breves intervalos de tiempo a las tareas más urgentes con restricciones temporales.Las propiedades del algoritmo EFQ se evaluan a través del modelado de alto nivel y la simulación. Los resultados de las simulaciones indican que los requisitos esenciales de la planificación centrada en la energía pueden lograrse. El algoritmo EFQ se implementa más tarde en el kernel de Linux. Para evaluar las propiedades del planificador EFQ basado en Linux, se desarrolló un banco de pruebas experimental basado en una sitema empotrado, un programa de banco de pruebas multihilo, y un conjunto de pruebas de código abierto. A través de experimentos específicamente diseñados, esta tesis verifica primero las propiedades de EFQ en la gestión de la cuota de consumo de potencia y la planificación en tiempo real y, a continuación, explora los beneficios potenciales de emplear la planificación EFQ en la optimización de la experiencia de usuario para sistemas móviles con energía limitada. Los resultados experimentales sobre la gestión de la cuota de energía muestran que EFQ es más eficaz que el planificador de Linux-CFS en la gestión de energía, logrando un reparto proporcional de la energía del sistema independientemente de en qué dispositivo se consume la energía. Los resultados experimentales en la planificación en tiempo real demuestran que EFQ puede lograr de forma eficaz, flexible y robusta el cumplimiento de las restricciones temporales aunque se dé el caso de aumento del el número de tareas o del error en la estimación de energía. Por último, un análisis comparativo de los resultados experimentales sobre la optimización de la experiencia del usuario demuestra que, primero, EFQ es más eficaz y flexible que los algoritmos tradicionales de planificación del procesador, como el que se encuentra por defecto en el planificador de Linux y, segundo, que proporciona la posibilidad de optimizar y preservar la experiencia de usuario para los sistemas móviles con energía limitada. Abstract Modern mobiledevices have been becoming increasingly powerful in functionality and entertainment as the next-generation mobile computing and communication technologies are rapidly advanced. However, the battery capacity has not experienced anequivalent increase. The user experience of modern mobile systems is therefore greatly affected by the battery lifetime,which is an unstable factor that is hard to control. To address this problem, previous works proposed energy-centric power management (PM) schemes to provide strong guarantee on the battery lifetime by globally managing energy as the first-class resource in the system. As the processor scheduler plays a pivotal role in power management and application performance guarantee, this thesis explores the user experience optimization of energy-limited mobile systemsfrom the perspective of energy-centric processor scheduling in an energy-centric context. This thesis first analyzes the general contributing factors of the mobile system user experience.Then itdetermines the essential requirements on the energy-centric processor scheduling for user experience optimization, which are proportional power sharing, time-constraint compliance, and when necessary, a tradeoff between the power share and the time-constraint compliance. To meet the requirements, the classical fair queuing algorithm and its reference model are extended from the network and CPU bandwidth sharing domain to the energy sharing domain, and based on that, the energy-based fair queuing (EFQ) algorithm is proposed for performing energy-centric processor scheduling. The EFQ algorithm is designed to provide proportional power shares to tasks by scheduling the tasks based on their energy consumption and weights. The power share of each time-sensitive task is protected upon the change of the scheduling environment to guarantee a stable performance, and any instantaneous power share that is overly allocated to one time-sensitive task can be fairly re-allocated to the other tasks. In addition, to better support real-time and multimedia scheduling, certain real-time friendly mechanism is combined into the EFQ algorithm to give time-limited scheduling preference to the time-sensitive tasks. Through high-level modelling and simulation, the properties of the EFQ algorithm are evaluated. The simulation results indicate that the essential requirements of energy-centric processor scheduling can be achieved. The EFQ algorithm is later implemented in the Linux kernel. To assess the properties of the Linux-based EFQ scheduler, an experimental test-bench based on an embedded platform, a multithreading test-bench program, and an open-source benchmark suite is developed. Through specifically-designed experiments, this thesis first verifies the properties of EFQ in power share management and real-time scheduling, and then, explores the potential benefits of employing EFQ scheduling in the user experience optimization for energy-limited mobile systems. Experimental results on power share management show that EFQ is more effective than the Linux-CFS scheduler in managing power shares and it can achieve a proportional sharing of the system power regardless of on which device the energy is spent. Experimental results on real-time scheduling demonstrate that EFQ can achieve effective, flexible and robust time-constraint compliance upon the increase of energy estimation error and task number. Finally, a comparative analysis of the experimental results on user experience optimization demonstrates that EFQ is more effective and flexible than traditional processor scheduling algorithms, such as those of the default Linux scheduler, in optimizing and preserving the user experience of energy-limited mobile systems.

Integration of low-cost supervisory mobile robots in domestic wireless sensor networks

This paper presents a communication interface between supervisory low-cost mobile robots and domestic Wireless Sensor Network (WSN) based on the Zig Bee protocol from different manufacturers. The communication interface allows control and communication with other network devices using the same protocol. The robot can receive information from sensor devices (temperature, humidity, luminosity) and send commands to actuator devices (lights, shutters, thermostats) from different manufacturers. The architecture of the system, the interfaces and devices needed to establish the communication are described in the paper.

Study of OLSR protocol with Network Simulator 2 over Linux

Until a few years ago, most of the network communications were based in the wire as the physical media, but due to the advances and the maturity of the wireless communications, this is changing. Nowadays wireless communications offers fast, secure, efficient and reliable connections. Mobile communications are in expansion, clearly driven by the use of smart phones and other mobile devices, the use of laptops, etc… Besides that point, the inversion in the installation and maintenance of the physical medium is much lower than in wired communications, not only because the air has no cost, but because the installation and maintenance of the wire require a high economic cost. Besides the economic cost we find that wire is a more vulnerable medium to external threats such as noise, sabotages, etc… There are two different types of wireless networks: those which the structure is part of the network itself and those which have a lack of structure or any centralization, in a way that the devices that form part of the network can connect themselves in a dynamic and random way, handling also the routing of every control and information messages, this kind of networks is known as Ad-hoc. In the present work we will proceed to study one of the multiple wireless protocols that allows mobile communications, it is Optimized Link State Routing, from now on, OLSR, it is an pro-active routing, standard mechanism that works in a distributed in order to stablish the connections among the different nodes that belong to a wireless network. Thanks to this protocol it is possible to get all the routing tables in all the devices correctly updated every moment through the periodical transmission of control messages and on this way allow a complete connectivity among the devices that are part of the network and also, allow access to other external networks such as virtual private networks o Internet. This protocol could be perfectly used in environments such as airports, malls, etc… The update of the routing tables in all the devices is got thanks to the periodical transmission of control messages and finally it will offer connectivity among all the devices and the corresponding external networks. For the study of OLSR protocol we will have the help of the network simulator “Network Simulator 2”, a freeware network simulator programmed in C++ based in discrete events. This simulator is used mainly in educational and research environments and allows a very extensive range of protocols, both, wired networks protocols and wireless network protocols, what is going to be really useful to proceed to the simulation of different configurations of networks and protocols. In the present work we will also study different simulations with Network Simulator 2, in different scenarios with different configurations, wired networks, and Ad-hoc networks, where we will study OLSR Protocol. RESUMEN. Hasta hace pocos años, la mayoría de las comunicaciones de red estaban basadas en el cable como medio físico pero debido al avance y madurez alcanzados en el campo de las comunicaciones inalámbricas esto está cambiando. Hoy día las comunicaciones inalámbricas nos ofrecen conexiones veloces, seguras, eficientes y fiables. Las comunicaciones móviles se encuentran en su momento de máxima expansión, claramente impulsadas por el uso de teléfonos y demás dispositivos móviles, el uso de portátiles, etc… Además la inversión a realizar en la instalación y el mantenimiento del medio físico en las comunicaciones móviles es muchísimo menor que en comunicaciones por cable, ya no sólo porque el aire no tenga coste alguno, sino porque la instalación y mantenimiento del cable precisan de un elevado coste económico por norma. Además del coste económico nos encontramos con que es un medio más vulnerable a amenazas externas tales como el ruido, escuchas no autorizadas, sabotajes, etc… Existen dos tipos de redes inalámbricas: las constituidas por una infraestructura que forma parte más o menos de la misma y las que carecen de estructura o centralización alguna, de modo que los dispositivos que forman parte de ella pueden conectarse de manera dinámica y arbitraria entre ellos, encargándose además del encaminamiento de todos los mensajes de control e información, a este tipo de redes se las conoce como redes Ad-hoc. En el presente Proyecto de Fin de Carrera se procederá al estudio de uno de los múltiples protocolos inalámbricos que permiten comunicaciones móviles, se trata del protocolo inalámbrico Optimized Link State Routing, de ahora en adelante OLSR, un mecanismo estándar de enrutamiento pro-activo, que trabaja de manera distribuida para establecer las conexiones entre los nodos que formen parte de las redes inalámbricas Ad-hoc, las cuales carecen de un nodo central y de una infraestructura pre-existente. Gracias a este protocolo es posible conseguir que todos los equipos mantengan en todo momento las tablas de ruta actualizadas correctamente mediante la transmisión periódica de mensajes de control y así permitir una completa conectividad entre todos los equipos que formen parte de la red y, a su vez, también permitir el acceso a otras redes externas tales como redes privadas virtuales o Internet. Este protocolo sería usado en entornos tales como aeropuertos La actualización de las tablas de enrutamiento de todos los equipos se conseguirá mediante la transmisión periódica de mensajes de control y así finalmente se podrá permitir conectividad entre todos los equipos y con las correspondientes redes externas. Para el estudio del protocolo OLSR contaremos con el simulador de redes Network Simulator 2, un simulador de redes freeware programado en C++ basado en eventos discretos. Este simulador es usado principalmente en ambientes educativos y de investigación y permite la simulación tanto de protocolos unicast como multicast. El campo donde más se utiliza es precisamente en el de la investigación de redes móviles Ad-hoc. El simulador Network Simulator 2 no sólo implementa el protocolo OLSR, sino que éste implementa una amplia gama de protocolos, tanto de redes cableadas como de redes inalámbricas, lo cual va a sernos de gran utilidad para proceder a la simulación de distintas configuraciones de redes y protocolos. En el presente Proyecto de Fin de Carrera se estudiarán también diversas simulaciones con el simulador NS2 en diferentes escenarios con diversas configuraciones; redes cableadas, redes inalámbricas Ad-hoc, donde se estudiará el protocolo antes mencionado: OLSR. Este Proyecto de Fin de Carrera consta de cuatro apartados distintos: Primeramente se realizará el estudio completo del protocolo OLSR, se verán los beneficios y contrapartidas que ofrece este protocolo inalámbrico. También se verán los distintos tipos de mensajes existentes en este protocolo y unos pequeños ejemplos del funcionamiento del protocolo OLSR. Seguidamente se hará una pequeña introducción al simulador de redes Network Simulator 2, veremos la historia de este simulador, y también se hará referencia a la herramienta extra NAM, la cual nos permitirá visualizar el intercambio de paquetes que se produce entre los diferentes dispositivos de nuestras simulaciones de forma intuitiva y amigable. Se hará mención a la plataforma MASIMUM, encargada de facilitar en un entorno académico software y documentación a sus alumnos con el fin de facilitarles la investigación y la simulación de redes y sensores Ad-hoc. Finalmente se verán dos ejemplos, uno en el que se realizará una simulación entre dos PCs en un entorno Ethernet y otro ejemplo en el que se realizará una simulación inalámbrica entre cinco dispositivos móviles mediante el protocolo a estudiar, OLSR.