Connectivity Optimization in Robotic Networks

La collaboration entre multiple appareils électroniques (e.g. smartphones, ordinateurs, robots, senseurs et routeurs) est une tendance qui suscite un vif intérêt tant ses applications semblent prometteuses. Les maisons autonomes ou villes intelligentes figurent parmi la prodigieuse variété d'exemples. La communication entre appareils est une des clés du succès de leur coopération. Sans un bon système de communication, les appareils se retrouvent vite incapables d'échanger l'information nécessaire à la prise de décision. Pour garantir une bonne communication, il faut un réseau solide sur lequel elle puisse reposer. Nous pourrions envisager une organisation centralisée, puisqu'elles sont si répandues. Nos téléphones portables communiquent grâce à des antennes-relais ; et nous naviguons sur l'internet grâce à des routeurs. Dans un réseau centralisé, si un noeud principal, tel qu'une antenne ou un routeur, est défaillant, la capacité à communiquer en est dramatiquement diminuée. Or, certaines collaborations entre appareils interviennent, parfois, dans des situations où les infrastructures classiques ne sont pas accessibles. C'est le cas pour les opérations de sauvetages, où les moyens de communications classiques ont pu être endommagés à la suite d'un sinistre. D'autres organisations sont alors plus judicieuses. Dans les réseaux ad hoc, par exemple, il n'existe pas de noeud central, car chaque appareil peut servir au transit de l'information. Cette dissertation s'intéresse à la mise en place de réseaux ad hoc et mobiles entre smartphones et drones. Elle s'inscrit dans le cadre d'un partenariat, entre Humanitas Solutions et l'École Polytechnique de Montréal, qui vise à établir un moyen de communication basé sur ces appareils, pour connecter victimes et premiers secours lors d'opérations de sauvetages. Pour mener à bien ce projet, nous devons permettre aux appareils électroniques de communiquer sans recourir à quelconque infrastructure. Pour relayer l'information, nous devons également maintenir les drones connectés au-dessus de la zone sinistrée.

Abstract

Because of their promising applications, the interest for machine-to-machine interaction has soared (e.g. between smartphones, laptops, robots, sensors, or routers). Autonomous homes and smart cities are just two examples among the many. Without a good communication system, devices are unable to share relevant information and take effective decisions. Thus, inter-device communication is key for successful cooperations. To guarantee suitable communication, devices need to rely on a robust network. One might think of classical centralized network architecture since it is so common – antennae relay our smartphone communications, and routers provide us with an Internet connection at home. However, this architecture is not adequate for every application. When a central node (e.g. an antenna or a router) fails, it can cripple all the network. Moreover, fixed infrastructure is not always available, which is detrimental for applications like search and rescue operations. Hence, other network designs can be more suitable, like ad hoc networks, where there is no central node and every device can route information. This work aims at establishing mobile ad hoc networks between multiple devices for search and rescue operations. This thesis is framed by a partnership between Humanitas Solutions and École Polytechnique de Montréal, whose goal is to relay information between victims and first responders by the use of smartphones and flying robots (i.e. drones). For this purpose, we have to enable infrastructureless communications between devices and maintain drones connected over the disaster area.