A joint approach to ensuring the stationary location and persistent UAV network service

Abstract

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are being used in monitoring, transportation, security and disaster management, and other domains. The applications executed in the different missions involve multiple robotic systems connected through a wireless network to per form tasks that are - usually - autonomous. With more software applications being exe cuted on UAVs, existing solutions for stationary location coordination and UAVs’ network management fail to provide efficient results due to computational resource limitations. To cover this gap, this thesis presents a joint approach for autonomous coordination and in telligent management of a UAV network. Algorithmic Game Theory (AGT) and Software Defined Network (SDN) techniques are used. Compared to previous work, the approach presented here is different in two aspects: (i) A distributed system with a joint solution to the problems of the stationary location of multiple UAVs and a desired coverage rate; and (ii) A strategy to encourage agent cooperation with a rigorous analysis of network quality data within certain performance bounds. The proposal was evaluated by means of simulation using OMNeT++, Robot Operating System (ROS), and Gazebo. The approach was evaluated in terms of efficiency for area coverage and data flow in the network. Its behavior was analyzed in managing the UAV network in comparison to the Ad-hoc On Demand Distance Vector (AODV) protocol, considering the post-disaster scenario. The evaluation provides evidence of considerable performance gains when compared to the main related works, mainly in area coverage rate and in service to network users over the operation period.

Os Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) estão sendo usados no monitoramento, transporte, segurança e gerenciamento de desastres, dentre outros domínios. As apli cações executadas nas várias missões envolvem múltiplos sistemas robóticos conectados por meio de uma rede sem fio para realizar tarefas - geralmente - autônomas. Com mais elementos de software sendo executados nos VANTs, as soluções existentes para coorde nação de localização estacionária e gerenciamento de rede de VANTs falham em fornecer resultados eficientes devido às limitações de recursos computacionais. Para preencher essa lacuna, essa dissertação apresenta uma proposta conjunta para coordenação autô noma e gerenciamento inteligente de uma rede de VANTs. São utilizadas técnicas de Teoria Algorítmica de Jogos (AGT do Inglês Algorithmic Game Theory) e Rede Definida por Software (SDN do Inglês Software Define Network). Em comparação com trabalhos anteriores, a abordagem aqui apresentada é diferente em dois aspectos: (i) Um sistema distribuído com uma solução conjunta para o problema da localização estacionária de múltiplos VANTs e a taxa de cobertura desejada; e (ii) Uma estratégia para encorajar a cooperação do agente com uma análise rigorosa dos dados de qualidade da rede dentro de certos limites de desempenho. Experimentamos a proposta em simulação usando OMNeT ++, Robot Operating System (ROS) e Gazebo. A proposta teve avaliada sua eficiência para cobertura de área e fluxo de dados na rede. Foi realizada ainda uma avaliação do com portamento no gerenciamento da rede de VANTs em comparação ao protocolo Ad-hoc On-Demand Distance Vector (AODV), considerando o cenário pós-desastre. Essa avalia ção fornece evidências de ganhos de desempenho consideráveis em relação aos principais trabalhos relacionadas, principalmente na taxa de cobertura de área e no atendimento aos usuários da rede ao longo do período de operação.