Publication: Multi-objective optimization for exploration of unknown terrain in collaborative snake robot system
dc.contributor.affiliation | #PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE# | en_US |
dc.contributor.author | Badran, Marwan A. A. | en_US |
dc.contributor.supervisor | Md. Raisuddin Khan, Ph.D | en_US |
dc.contributor.supervisor | Siti Fauziah Toha, Ph.D | en_US |
dc.date.accessioned | 2024-10-07T03:01:52Z | |
dc.date.available | 2024-10-07T03:01:52Z | |
dc.date.issued | 2021 | |
dc.description.abstract | Exploration of large areas, like borders of a country, forest and areas under collapsed buildings using a team of robots has been the aspiration of the scientists since long. On this context, mapping of unknown terrain is a challenging task, especially when the target area is inaccessible by human, where mobile robot is expected to play a role in performing this task. However, this kind of mapping task is difficult to be accomplished with the traditional robots with active wheels; since they may turn over or get stuck. Moreover, using a single robot to cover a big area is not a good option, since it will take longer time to complete that task. Therefore, this study proposed a multiple snake robot system for mapping task, where the snake features of these robots allow a smooth movement on uneven surface. In this research, a mathematical model of a snake robot has been developed by modifying an existing one. Based on that model, optimal motion control parameters, namely winding angle and acceleration, were obtained using genetic algorithm multi-objective optimization technique to achieve the fastest speed of the snake robot locomotion using minimum energy consumption. On the other hand, collision among moving robots may occur when they share the same area. Therefore, a collision avoidance algorithm was developed in this research to deal with all colliding cases. In this algorithm, an imaginary rectangular safety frame is defined to be surrounding the snake robot. The benefit of this frame is to secure enough space between the robots so that any collision will be will affect to the imaginary frames not the snake robots themselves. Furthermore, multi-coverage of the same area is a common phenomenon in exploration tasks, which leads to increasing the exploration time. Therefore, two methods were proposed in this research to reduce this multi-coverage, first, by optimizing the safety frame size, secondly, by selecting the proper turning angle for collision avoidance. On the experimental side, two identical snake robots have been designed and fabricated based on simulation results. Each snake robot consists of eight links, seven active servomotors and seven free passive joints to facilitate the snake robot movement over uneven surface. One pair of passive wheels is attached to each link to generate anisotropic friction, which allows the snake robot movement along its body curve in semi-sinusoidal pattern. Both snake robots are equipped with microcontrollers, data acquisition sensors and wireless modules to communicate with a central controller. A control algorithm was developed to drive the snake robot smoothly throughout the target area including turning right or left. Simulation results showed that the objectives of minimizing energy consumption and exploration time could be achieved by decreasing the winding angle (30° was found to be the optimal). Furthermore, a trade-off between travelling speed and energy consumption was obtained using Pareto optimality, where the weighted sum method could be used to select the best solution. With respect to collaboration, the results showed that using 2.1m as the optimal safety margin besides selecting a random turning angle for collision avoidance, noticeably reduced the exploration time and thus the total energy consumption. Finally, the simulation results were verified by experiments to show the validity of the proposed system in terms of minimizing the total energy consumption and the total time needed to complete the mapping task of unknown terrain. | en_US |
dc.description.abstractarabic | إنّ استكشاف المساحات الكبيرة، مثل حدود بلد ما، أو غابة، أو ما تحت المباني المنهارة، باستخدام فريق من الروبوتات، هو طموح العلماء منذ فترة طويلة. وفي هذا السياق، يُعدّ رسم الخرائط للأماكن ذات التضاريس غير المعروفة مهمة صعبة، خاصةً عندما يتعذر على الإنسان الوصول إلى المنطقة المستهدفة، حيث بالإمكان أن يلعب الروبوت المتحرك دوراً في أداء هذه المهمة. ومع ذلك، يصعب إنجاز هذا النوع من مهام رسم الخرائط باستخدام الروبوتات التقليدية ذات العجلات النشطة؛ لأنها قد تنقلب أو تتعثر. إضافة إلى ذلك، فإن استخدام روبوت واحد لتغطية مساحة كبيرة ليس خياراً جيداً، حيث يستغرق الأمر وقتاً أطول لإكمال هذه المهمة. لذلك، اقترحت هذه الدراسة نظام روبوتات ثعبانية متعددة لرسم الخرائط، حيث تسمح الميزات الثعبانية لهذه الروبوتات بحركة سلسة فوق الأسطح غير المستوية. في هذا البحث، تم تطوير نموذج رياضي للروبوت الثعباني من خلال تعديل نموذج آخر. بناءً على هذا النموذج، تم الحصول على المعاملات المثلى للتحكم في الحركة، وهما زاوية الالتواء، والتسارع الأولي، وذلك باستخدام تقنية التحسين التي تعتمد الخوارزمية الجينية (GA) متعددة الأهداف من أجل تحقيق أعلى سرعة للروبوت الثعباني باستخدام الحد الأدنى من استهلاك الطاقة. من ناحية أخرى، قد يحدث تصادم بين الروبوتات عندما تتحرك في نفس المنطقة. لذلك، تم في هذا البحث تطوير خوارزمية لتجنب الاصطدام للتعامل مع جميع حالات التصادم المتوقعة. في هذه الخوارزمية، تم تعريف إطار أمان مستطيل وهمي يحيط بالروبوت الثعباني، وتتمثل فائدة هذا الإطار في تأمين مسافة كافية بين الروبوتات فيحدث التصادم بين الإطارات الخيالية، وليس بين الروبوتات الثعبانية نفسها. إضافة إلى ذلك، تُعدّ التغطية المتعددة لنفس المنطقة ظاهرة شائعة في مهام الاستكشاف، مما يؤدي إلى زيادة الوقت اللازم لإتمامها. لذلك، اقتُرحَت طريقتان في هذا البحث لتقليل هذه التغطية المتعددة: الأولى، عن طريق الاختيار الأمثل لحجم إطار الأمان، والثانية، عن طريق اختيار زاوية الدوران الأنسب عند تجنب الاصطدام. أمّا من الناحية التطبيقية، فقد تم تصميم روبوتين ثعبانيين متطابقين وتصنيعهما بناءً على نتائج المحاكاة، ويتكون كل روبوت ثعباني من ثمانية أذرع، وسبعة محركات سيرفو نشطة، وسبعة مفاصل حرة لتسهيل حركة الروبوت الثعباني على الأسطح غير المستوية. وفي هذا التصميم، يتم إرفاق زوجين من العجلات حرة الحركة بكل ذراع لتوليد احتكاك متباين، مما يسمح بحركة الثعبان على طول منحنى جسمه في نمط شبه جيبي. وقد تم تجهيز كلا الروبوتين الثعبانيين بوحدات تحكم، وأجهزة استشعار لقراءة البيانات، ووحدات لاسلكية للتواصل مع وحدة التحكم المركزية. كما تم تطوير خوارزمية تحكم لقيادة الروبوت الثعباني بسلاسة في جميع أنحاء المنطقة المستهدفة، بما في ذلك الدوران يميناً ويساراً. وقد أظهرت نتائج المحاكاة أنه يمكن تحقيق هدفي تقليل استهلاك الطاقة وتقليل وقت الاستكشاف عن طريق تصغير زاوية الالتواء (حيث تبيّن أن الزاوية 30 درجة هي الأمثل). إضافة إلى ذلك، تم الحصول على مواءمة بين سرعة الحركة واستهلاك الطاقة باستخدام أمثلية باريتو، حيث يمكن استخدام طريقة المجموع الموزون لاختيار الحل الأفضل. أما فيما يتعلق بالتعاون بين الروبوتات، فقد أظهرت النتائج أن استخدام القيمة 2.1 متر كهامش أمان مثالي إلى جانب اختيار زاوية دوران عشوائية لتجنب الاصطدام، قلل بشكل ملحوظ من وقت الاستكشاف، وبالتالي إجمالي استهلاك الطاقة. أخيراً، تم التحقق من نتائج المحاكاة عن طريق التجارب لإظهار صلاحية النظام المقترح من حيث تقليل إجمالي استهلاك الطاقة، وتقليل الوقت الإجمالي اللازم لإكمال مهمة رسم الخرائط للمنطقة ذات التضاريس غير المعروفة. | en_US |
dc.description.callnumber | t TJ 211.35 B138M 2021 | en_US |
dc.description.identifier | Thesis : Multi-objective optimization for exploration of unknown terrain in collaborative snake robot system / by Marwan A. A. Badran | en_US |
dc.description.identity | t11100429150MarwanA.A.Badran | en_US |
dc.description.kulliyah | Kulliyyah of Engineering | en_US |
dc.description.notes | Thesis (Ph.D)--International Islamic University Malaysia, 2021. | en_US |
dc.description.physicaldescription | xvii, 213 leaves : colour illustrations ; 30cm. | en_US |
dc.description.programme | Doctor of Philosophy (Engineering) | en_US |
dc.identifier.uri | https://studentrepo.iium.edu.my/handle/123456789/2930 | |
dc.language.iso | en | en_US |
dc.publisher | Kuala Lumpur : Kulliyyah of Engineering, International Islamic University Malaysia, 2021 | en_US |
dc.subject.lcsh | Robots -- Control systems | en_US |
dc.subject.lcsh | Robots -- Motion | en_US |
dc.subject.lcsh | Autonomous robots | en_US |
dc.title | Multi-objective optimization for exploration of unknown terrain in collaborative snake robot system | en_US |
dc.type | Doctoral Thesis | en_US |
dspace.entity.type | Publication |
Files
Original bundle
License bundle
1 - 1 of 1