Incremental self-deployment using virtual potential fields

Abstract

Denne avhandlingen undersøker hvordan mikrodroner kan trinnvis bli sendt inn i et ukjent område for å muliggjøre lokalisering av førsterespondere. Førsterespondere er de første som entrer et katastrofeområde og setter sine egne liv i fare for å redde andre. Siden mange katastrofeområder er utilgjengelige for globale satellittbaserte systemer for navigering og posisjonering, vil ikke posisjonene til førsteresponderene være tilgjengelige. Målet for mikrodronene er derfor å deployere inn i det ukjente området for å danne et mesh-nettverk som muliggjør lokaliseringen av førsteresponderene. Dersom førsteresponderene er utstyrt med en enhet som kan kommunisere med mikrodronene, og nettverket er koblet til en basestasjon som er tilgjengelig for global posisjonering, så vil basestasjonen kunne estimere posisjonene til førsteresponderene. To metoder for å sende mikrodronene inn i det ukjente området er foreslått. Siden tidligere forskning innenfor trinnvis deployering er veldig begrenset, tar den første metoden for seg deployering i 1D. Et frastøtende potensialfelt er definert, med det mål om å sørge for at mikrodronen som for øyeblikket blir deployert utforsker deler av den reelle linjen som ikke har blitt utforsket før. Den andre metoden introduserer en ny prosedyre for å finne en retning som skal undersøkes og kombinerer den med klassisk bruk av potensialfelt. Deployeringsmetoden antar at området er ukjent og avhenger bare av den begrensede lokale kunnskapen til hver mikrodrone. Denne begrensede kunnskapen er fullt utnyttet slik at den mikrodronen som for øyeblikket blir deployert følger en kollisjonsfri bane til den når frem til den forrige deployerte mikrodronen og begynner å utforske videre. Måten deployeringsmetoden er bygget opp vil sørge for at nettverket av mikrodroner vil være sammenkoblet når hver drone fullfører sin deployering.

This thesis investigates how Micro Indoor droNes (MINs) can be incrementally deployed into an unknown environment for enabling the localization of First Responders (FRs). FRs are the first to enter a disaster area and put their own lives at risk for saving others. As many disaster areas are Global Navigation Satellite System (GNSS) denied environments, the positions of the FRs are not available. The goal of the MINs is therefore to deploy into the unknown environment to form a mesh network that enables localization of the FRs. If the FRs are equipped with a device that can communicate with the MINs, and that the network is connected to a base station placed outside the GNSS denied environment, the base station will be able to generate a good estimate of the positions of the FRs. Two deployment schemes for the MINs are proposed. As the previous research on incremental deployment is very limited, the first scheme considers deployment in 1D. A repelling potential field is defined, aiming to ensure that the deploying MIN explores parts of the real line that has not been explored prior to its deployment. The second deployment scheme introduces a novel procedure for calculating an exploration direction and combines this with the classical virtual potential field method. The deployment scheme assumes that the environment is unknown, and depends solely on the limited local knowledge of each MIN. This limited knowledge is utilized to the fullest so that the deploying MIN follows an obstacle free path until it reaches the latest deployed MIN and starts exploring. The way the deployment scheme is constructed will ensure that the network of MINs will be connected when the deploying MIN finishes its deployment.