FollowMe! - Distributed Movement Coordination in Wireless Sensor and Actuator Networks

In this thesis, we explore the potential of WSAN technology in dynamic applications requiring a senseand-react control loop by considering the problem of distributed movement coordination of vehicles on wheels. The final goal is to obtain a self-organizing group (or swarm) of mobile nodes that maintain a formation by periodically exchanging sensed movement information. Such a coordinated team of mobile wireless sensor and actuator nodes can bring numerous benefits for various applications in the field of cooperative surveillance, mapping unknown areas, disaster management, automated highway and space exploration. The work we present in this thesis is considers a pair of vehicles that synchronize their movements, thus trying to maintain a specific formation. We use toy cars as prototype vehicles for this research. One of the two cars acts as the leader, being remotely controlled by the user, and the other one represents the follower, which implements a control loop for mimicking the leader’s movements. Each vehicle has a low-power wireless sensor node attached, featuring a 3D accelerometer and a magnetic compass. Velocity and heading are computed on both vehicles in real time using inertial navigation techniques. The leader periodically transmits its measurements to the follower, which implements a lightweight fuzzy logic controller for imitating the leader’s movement pattern. This solution is not restricted to vehicles on wheels, but could support any moving entities capable of determining their velocity and heading. We call our initial implementation FollowMe. We report in detail on all development phases, covering design, simulation, implementation and testing. We perform the tests on our university’s running track and hockey field. The simulations and tests show that the system exhibits the desired leader-follower behavior, using just the compact, low-cost wireless sensors and actuators. Making use of a fuzzy controller facilitates the implementation on resource constrained sensor nodes and handles robustly the noisy sensor data as well as the rough mechanical capabilities of the vehicles. The vehicle simulations we devised show adequately realistic results and provide a means to test, evaluate, tune and debug the controller. However, some issues are still of concern, such as the effect of inclination changes on the sensor readings, the accumulating errors seen in the velocity estimate, the sensitivity of the compass sensor to external influence and the stability and the overall performance of the follower controller. Also, the simulations are open for improvement towards more realistic physical models of the vehicles. Samenvatting In deze scriptie verkennen wij de potentie van WSAN technologie in dynamische toepassingen die een reactieve besturingslus vereisen. Dit doen wij door het bestuderen van gedistribueerde bewegingscoordinatie van voertuigen op wielen. Het uiteindelijke doel is om een zichzelf organiserende groep (of zwerm) van mobiele robots te verkrijgen die in een formatie kunnen blijven bewegen door periodiek bewegingsinformatie uit te wisselen. Een dergelijk gecoördineerd team van mobiele WSAN nodes kan vele voordelen hebben voor diverse toepassingen, zoals coöperatieve beveiliging, onbekende gebieden in kaart brengen, rampenbestrijding, de automatische snelweg en de verkennende ruimtevaart. Het onderzoek dat wij in deze scriptie presenteren heeft betrekking op een tweetal voertuigen die elkaars bewegingen synchroniseren en dus geen specifieke formatie onderhouden. Wij gebruiken speelgoedauto’s als prototype voertuigen. Een van de twee auto’s doet dienst als de leader (leider), die op afstand bestuurd wordt door de gebruiker, en de ander doet dienst als the follower (volgeling), die een besturingslus implementeert om de bewegingen van de leader te imiteren. Aan elk voertuig is een energie-efficiënte draadloze sensor node bevestigd voorzien van een driedimensionale versnellingsmeter en een compas sensor. De snelheid en koers worden op beide voertuigen realtime berekend met behulp van traagheidsnavigatietechnieken. De leader stuurt periodiek zijn metingen naar de follower die een, qua benodigde rekenkracht, lichtgewicht fuzzy logic besturingseenheid gebruikt om het bewegingspatroon van de leader te imiteren. Deze oplossing is niet beperkt tot alleen voertuigen op wielen, maar zou gebruikt kunnen worden voor alle denkbare bewegende objecten die hun snelheid en koers kunnen bepalen. Wij noemen onze initiële implementatie FollowMe. Wij beschrijven alle ontwerpfasen in detail en daarbij behandelen wij het ontwerp, simulaties, de implementatie en tests. De simulaties en tests tonen aan dat het systeem het gewenste leader-follower gedrag vertoont, alleen gebruik makend van kompacte, goedkope, draadloze sensors en actuators. Fuzzy logic maakt de weg vrij voor de implementatie van de besturingslus op zeer beperkte hardware en verdraagt op robuuste wijze de relatief hoge ruisniveaus van de sensors en de ruwe mechanische eigenschappen van de voertuigen. De voertuigsimulaties die wij bedacht hebben vertonen adequaat realistische resultaten en voorzien in de mogelijkheid om de besturingseenheid te testen, te evalueren, af te stellen en van software problemen te ontdoen. Echter, enkele problemen zijn nog steeds bron van zorg, zoals het effect van inclinatieveranderingen op sensor metingen, de accumulerende fouten in de geschatte snelheid, de gevoeligheid van het compas voor externe invloeden en de stabiliteit en de algemene prestaties van de bestuuringseenheid van de follower. Tevens zijn de simulaties nog te verbeteren om realistischere fysieke modellen van de voertuigen te verkrijgen.