A distributed approach to multirobot persistent patrolling in communication-restricted environments

This thesis addresses the field of multirobot patrolling, where a team of mobile robots is deployed in an environment of interest with the aim of keeping under observation a set of predefined locations. In this field of research, a typical assumption is that robots behave as autonomous entities capable of performing a “cleaning action” once a problem in one of the locations to patrol is detected. However, there are some realistic mission scenarios, in which the deployed robots cannot identify a particular problem or cannot autonomously act in order to solve it (think about a leak of contaminants or the presence of an intruder), and in which it is more realistic to assume that the data must be reported to a base station to assess the situation and decide what to do. In such applications, most of the time, human operators supervising the evolution of the mission, working at the base station, are only able to identify the problem through the data acquired by the robots. Moreover, in many mission scenarios, only some regions of the environment are covered by a communication infrastructure able to allow message exchange with a sufficient bandwidth between the robots and the base station. In this thesis we want to propose and evaluate some patrolling strategies in such environments in which communication is restricted to some regions only. We first extend the classical multirobot persistent patrolling framework, and the related evaluation metrics, in order to account for the presence of a limited number of such “communication zones”. Then, we present some centralized and distributed patrolling strategies we devised to deal with this new communication-restricted patrolling setting. We implement the proposed strategies within the Robot Operating System (ROS) framework and evaluate them in simulation in a number of different settings.

Questa tesi si colloca nell’ambito del pattugliamento multirobot, in cui una squadra composta da più robot, mobili e autonomi, ha il compito di visitare continuamente un ambiente, con il compito di tenere sotto osservazione alcuni luoghi di interesse. In queste applicazioni, solitamente, i robot vengono considerati entità autonome capaci di far fronte a un problema rilevato in una delle aree da pattugliare. Esistono però scenari in cui può accadere che i robot impiegati per la missione non siano in grado di identificare un problema o non siano in grado di risolverlo (ad esempio una perdita sostanze contaminanti o la presenza di un intruso). In tali casi è perciò più realistico supporre che i robot debbano riportare i dati acquisiti durante la loro esplorazione ad una base station, dove gli operatori umani che supervisionano l’andamento della missione sono in grado di identificare un problema, grazie ai dati raccolti dai robot. Inoltre, può anche accadere che la comunicazione sia consentita solo da alcune regioni dell’ambiente, poichè è possibile che solo in queste specifiche regioni l’infrastruttura di comunicazione sia in grado di garantire una sufficiente larghezza di banda che permetta ai messaggi inviati dai robot di raggiungere la base station (e viceversa). Con questa tesi vogliamo presentare delle strategie di pattugliamento che permettano ai robot di completare la missione in ambienti in cui la comunicazione è possibile solo nelle aree appositamente adibite per essa. Per prima cosa, abbiamo esteso il framework del tradizionale pattugliamento multirobot e le relative metriche di valutazione in modo da prendere in considerazione la presenza di un numero limitato di “zone di comunicazione”. Successivamente, abbiamo implementato delle strategie distribuite che i robot possano seguire per portare a termine la missione nel nuovo framework. Queste strategie sono state implementate usando il framework Robot Operating System (ROS) e sono state valutate tramite una serie di simulazioni che prendono in considerazione diverse situazioni.