Το κυρίως αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι ο σχεδιασμός και η ανάλυση αποκεντρωμένων τεχνικών ελέγχου για επίτευξη μέγιστης κάλυψης από κινούμενα δίκτυα αισθητήρων. Λόγω των πολλών εφαρμογών αυτών σε αποστολές σχετιζόμενες με εξερεύνηση περιοχών ενδιαφέροντος, περιβαλλοντική δειγματοληψία, φύλαξη ή ακόμα και θέματα ασφάλειας, μία μεγάλη μερίδα της επιστημονικής κοινότητας έχει στρέψει το ενδιαφέρον της στην ανάπτυξη μεθόδων για βέλτιστη (ει δυνατόν) περιβαλλοντική αντίληψη μέσω αισθητήρων από αυτόνομες ομάδες ρομποτικών συστημάτων. Τέτοιες ομάδες, συνήθως τοποθετούμενες αρχικώς στις περιοχές ενδιαφέροντος, σχεδιάζονται με στόχο τον αποκεντρωμένο έλεγχό τους, αντί ενός καθολικού εποπτικού συστήματος, με στόχο να επιτύχουν στην εκάστοτε αποστολή. Στα πρώτα στάδια της διατριβής αυτής, το πρόβλημα της κάλυψης μιας περιοχής ενδιαφέροντος από μία ομάδα όμοιων κόμβων αναλύεται από υπολογιστική σκοπιά. Οι κινούμενοι κόμβοι υποθέτονται ότι υπακούν σε απλοϊκό κινηματικό μοντέλο διακριτού χρόνου, ενώ η αισθητήρια επίδοσή τους θεωρείται ακτινική, περιορισμένης εμβέλειας, ομοιόμορφη γύρω από τον κόμβο. Σαν πρώτη προσέγγιση, η κατεύθυνση σε κάθε χρονική στιγμή για βέλτιστη κάλυψη καθορίζεται βάσει τεχνικών διαμέρισης του χώρου βασιζόμενες στην έννοια της απόστασης. Η αναπτυσσόμενη στρατηγική επιτρέπει σταδιακή αύξηση της καλυπτόμενης επιφάνειας μεταξύ διαδοχικών βημάτων, ενώ έχει ως απαίτηση την κίνηση ενός μόνο επιτρεπτού κόμβου τη φορά. Στη συνέχεια, το προαναφερθέν σχέδιο επεκτείνεται για την περίπτωση ετερογενών δικτύων, όπου η ετερογένεια αντικατοπτρίζεται στις άνισες εμβέλειες απόδοσης αίσθησης των κόμβων. Επιπροσθέτως, επέκταση σε μοντέλο συνεχούς χρόνου επιτρέπει την κίνηση όλων των κόμβων του δικτύου ταυτόχρονα, αυξάνοντας ιδιαίτερα τον χρόνο σύγκλισης προς την βέλτιστη κατάσταση, ειδικά για μεγάλης κλίμακας δίκτυα. Μία εναλλακτική διαμέριση του χώρου αναπτύσσεται, η οποία βασίζεται κυρίως στα αισθητήρια μοτίβα των κόμβων, παρά στις θέσεις των κόμβων καθεαυτές. Τα παραγόμενα κελιά του χώρου ανατιθέμενα στους κόμβους αποτελούν τον βασικό πυρήνα του αλγόριθμου οργάνωσης, με στόχο την αποκεντρωμένη οργάνωση της κινούμενης ομάδας, ώστε να επιτύχει βέλτιστη απόδοση κάλυψης. Υποκινούμενοι από την υψηλού–βαθμού ανισοτροπία που χαρακτηρίζει κάποιους τύπους αισθητήρων, όπως κατευθυντικά μικρόφωνα για ανίχνευση ήχου σε εφαρμογές ασφάλειας, ή ακόμα μοτίβα εκπομπής/λήψης κατευθυντικών κεραιών σε σενάρια τηλεπικοινωνιακής κάλυψης, η έρευνά μας επεκτείνεται πέραν του κλασσικού ακτινικού μοντέλου δίσκου αίσθησης. Βασιζόμενοι σε συγκεκριμένες ιδιότητες για επίπεδες κυρτές καμπύλες, μια αποκεντρωμένη στρατηγική οργάνωσης αναπτύχθηκε για δίκτυα που χαρακτηρίζονται από κυρτά αισθητήρια μοτίβα ίδιας κατευθυντικότητας. Παρότι η κυρτότητα των συνόλων αίσθησης φαίνεται να θέτει ένα μεγάλου βαθμού περιορισμό στο συνολικό πρόβλημα, στην πραγματικότητα προσπερνάται μέσω ανάθεσης αυτών ως το μέγιστο κυρτό χωρίο που εγγράφεται στο πρωταρχικώς ανισοτροπικό μοτίβο. Το σχήμα ελέγχου επεκτείνεται στη συνέχεια για την περίπτωση όπου εισάγουμε ένα επιπλέον βαθμό ελευθερίας στις κινηματικές ικανότητες των κόμβων, ενσωματώνοντας έτσι διαφορετικές και χρονικά μεταβαλλόμενες κατευθυντικότητες μεταξύ των μοτίβων αυτών. Το παραγόμενο πλάνο ελέγχου αποδεικνύεται ότι οδηγεί ανισοτροπικά δίκτυα σε βέλτιστες τοπολογίες, αναφορικά με τα αισθητήρια μοτίβα τους, ελέγχοντας κατάλληλα ταυτόχρονα την θέση και προσανατολισμό, μέσω ενός καινοτόμου σχήματος κατακερματισμού του χώρου βασιζόμενο στο εκάστοτε μοτίβο. Η διατριβή κλείνει με την μελέτη δικτύων με περιορισμούς στην εμβέλεια επικοινωνίας αναφορικά με την μετάδοση πληροφοριών μεταξύ των κόμβων. Στην πλειονότητα των σχετικών εργασιών, το ζήτημα αυτό προσπερνάται επιτρέποντας στην εμβέλεια επικοινωνίας να είναι τουλάχιστον διπλάσια αυτής της (ομοιόμορφης) αίσθησης, εγγυώντας έτσι την αποκεντρωμένη φύση των πλάνων ελέγχου. Ο προτεινόμενος έλεγχος επιτρέπει την αποσύζευξη μεταξύ των δύο αυτών εμβελειών, οδηγώντας το δίκτυο στην βέλτιστη κατάσταση, μέσω ταυτόχρονου σεβασμού του εκάστοτε, εκ των προτέρων δοσμένου, περιορισμού στην εμβέλεια επικοινωνίας. Συγκεντρωτικά συμπεράσματα και συγκριτική ανάλυση παρουσιάζονται στο τελευταίο κεφάλαιο, ενώ προτείνονται μελλοντικά πλάνα επέκτασης των τεχνικών αυτών. / The main scope of this thesis is the design and analysis of distributed control strategies for achieving optimum area coverage in mobile sensor networks. Due to the numerous applications of the latter in missions as area exploration, environmental sampling, patrolling, or even security, a large part of the scientific community has turned its interest on developing methods for achieving optimum, if possible, sensing environmental perception by groups of autonomous mobile agents. Such robotic teams, randomly deployed in areas of interest initially, are designed to coordinate their motion in a distributed manner, rather than via a global supervisory system, in order to succeed in the corresponding mission objective. At the first stages of this thesis, the coverage problem of an area of interest by a group of identical nodes is examined from a numerical point of view. The mobile nodes are considered to be governed by simple discrete–time kinodynamic motion, while their sensing performance is assumed radial, range–limited, uniform around the node. As a first approach, the optimum direction at each time step for optimum deployment achievement is determined based on proper distance–based space partitioning techniques. The developed concept allows for gradual increase in the covered area among consecutive steps, although suffers from allowing motion of one node at a time. In the sequel, the aforementioned concept is extended to the case of heterogeneous networks, where heterogeneity lays mainly in the unequal limited–range of the sensing performance of the nodes. In addition, extension to continuous–time allows for simultaneous motion of the nodes, increasing drastically the convergence time towards the optimal state, especially for large–scale networks. An alternate partitioning of the space is developed that is mainly based on the nodes’ footprints, rather than their spatial positions only. The resulting assigned cells form the main core for the coordination algorithm proposed, in order to distributedly organize the mobile swarm to achieve optimum sensing performance. Motivated by the high–degree anisotropy that governs the sensing domains of certain types of sensors, i.e. directional microphones for sound sensing mainly for security applications, or even the radiation patterns of directional antennas in communication–coverage scenarios, our research is extended beyond the standard disc model of sensing. Based on certain properties for planar convex curves, a distributed strategy is developed for networks characterized by convex sensing domains of same orientation. Although convexity of the sensing sets may seem to impose a high level restriction to the overall setup, in fact can be assigned as the maximal convex inscribed set in any (originally) anisotropic pattern. The control scheme is further extended, in the sequel, for the case of adding an extra degree of freedom to the node’s mobility abilities, incorporating different and time–varying orientations among the nodes patterns. The resulting scheme is proven to lead anisotropic networks in optimum configurations, considering their sensing footprints, by properly controlling both the nodes’ positions and orientations, via an innovative pattern–based partitioning scheme of the sensed space. The thesis ends by examining the case where radio–range constraints are imposed on inter–agents communication. In the majority of the related works, this issues is usually overcome by allowing RF range as double the sensing one, guaranteeing that way distributed nature of the control schemes. The proposed scheme allows for uncorrelated RF and sensing ranges in the network, while guarantees convergence of the network towards the optimal state, via simultaneous preservation of a–priori imposed radio–range constraints. Concluding remarks along with comparative discussion are presented in the last chapter, where future research plans and ways to improve the already developed schemes are proposed.

Στη παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται ανάλυση και μοντελοποίηση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος συνδεδεμένο στο δίκτυο, που αποτελείται από μια φωτοβολταϊκή συστοιχία, έναν μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή που ανυψώνει την τάση και παράλληλα είναι ανιχνευτής του σημείου μέγιστης ισχύος, ώστε να είναι μέγιστη η παραγόμενη ισχύς του συστήματος και έναν αντιστροφέα. Στην συνέχεια γίνεται ανάλυση και μοντελοποίηση ενός αιολικού συστήματος μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί μια σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG) και ένα σύστημα δύο μετατροπέων, πλήρους κλίμακας, πλάτη με πλάτη και συνδέεται επίσης στο δίκτυο. Μετά από αυτά θα αναλυθεί και θα μοντελοποιηθεί η σύνδεση αυτών των δυο συστημάτων μαζί στο δίκτυο κατανεμημένης παραγωγής σε κοινό κόμβο εναλλασσόμενης τάσης και σε κοινό κόμβο συνεχούς τάσης αντίστοιχα. Σε όλα αυτά θα προσπαθήσουμε να εφαρμόσουμε μια στρατηγική ελέγχου, ώστε να ελέγξουμε κατάλληλα τα συστήματα με σκοπό να επιτύχουμε την μέγιστη παραγωγή ισχύος. Τέλος, θα υλοποιήσουμε τα παραπάνω συστήματα σε περιβάλλον Matlab/Simulink και θα τα προσομοιώσουμε για διάφορες μεταβολές στην ακτινοβολία και την ταχύτητα του ανέμου. Ούτως ώστε να δούμε πως συμπεριφέρεται η δεδομένη στρατηγική ελέγχου που εφαρμόσαμε και να μπορέσουμε να εξάγουμε κάποια συμπεράσματα. Στο πρώτο Κεφάλαιο θα γίνει αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που αυτές εμφανίζουν. Πιο συγκεκριμένα θα δοθεί έμφαση στην ηλιακή και την αιολική ενέργεια, στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών καθώς και κάποια σύντομα ιστορικά στοιχεία σχετικά με αυτές. Ακόμη, θα αναλυθούν τα βασικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών συστοιχιών και των ανεμογεννητριών στα οποία στηρίζεται η λειτουργία των συστημάτων που μελετώνται. Στο δεύτερο Κεφάλαιο θα γίνει η ανάλυση των φωτοβολταϊκών συστημάτων και των δομικών μονάδων τους. Αρχικά θα γίνει αναφορά στα αυτόνομα και διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα. Στην συνέχεια θα δοθεί το ισοδύναμο μοντέλο του φωτοβολταϊκού κυττάρου με σκοπό να αναλυθεί η I-V χαρακτηριστική του και να οριστεί ο συντελεστής πληρώσεως και η απόδοση του φωτοβολταϊκού κυττάρου. Έπειτα θα ασχοληθούμε με τον μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή, θα αναλυθεί εν συντομία η λειτουργία του και θα εξαχθεί το μοντέλο του. Αυτός ο μετατροπέας παράλληλα επιτελεί και την λειτουργία ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος, οπότε θα αναλυθούν και οι μέθοδοι εύρεσης αυτού. Ακόμη, θα ασχοληθούμε με τους αντιστροφείς και τις τεχνολογίες αυτών στα φωτοβολταϊκά συστήματα και θα αναφερθεί ο τρόπος ελέγχου τους. Θα μεταφερθούμε στο στρεφόμενο σύστημα d–q δύο καθέτων αξόνων, μέσω του μετασχηματισμού Park, που μας προσφέρει απλούστευση των εξισώσεων και ευκολία στον έλεγχο. Έτσι τελικά θα μοντελοποιηθεί το φωτοβολταϊκό σύστημα και θα ελεγχθεί. Στο τρίτο Κεφάλαιο θα γίνει αντίστοιχα ανάλυση των αιολικών συστημάτων και των δομικών μονάδων τους. Θα παρουσιαστεί η σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη, τα βασικά στοιχεία για αυτήν και το μαθηματικό της μοντέλο. Έπειτα, θα ασχοληθούμε με την αναλυτική μαθηματική περιγραφή της μετατροπής της κινητικής ενέργειας σε μηχανική. Θα γίνει ανάλυση των μεθόδων μηχανικού ελέγχου ώστε να είναι μέγιστη η παραγόμενη ισχύς. Ακόμη θα εξαχθεί το συνολικό μαθηματικό μοντέλο για το αιολικό σύστημα και ο έλεγχός του. Στο τέταρτο Κεφάλαιο, θα αναφερθούμε στην κεντρικοποιημένη και την αποκεντρωμένη παραγωγή, θα αναλυθούν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών και θα εισαχθεί η έννοια του μικροδικτύου και κατηγοριοποιήσεις αυτού. Έπειτα θα εξαχθούν τα μαθηματικά μοντέλα για τις αντίστοιχες τοπολογίες της διασύνδεσης των συστημάτων στο δίκτυο, για την πρώτη σε κοινό κόμβο εναλλασσόμενης τάσης και για τη δεύτερη σε κοινό κόμβο συνεχούς τάσης. Τέλος θα γίνει έλεγχος αυτών. Στο πέμπτο και τελευταίο Κεφάλαιο θα παραθέσουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συστήματος που χρησιμοποιήσαμε στην προσομοίωση, καθώς και τα αριθμητικά κέρδη των ελεγκτών. Τέλος, ακολουθούν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μαζί με ένα σύντομο σχολιασμό και μερικά συμπεράσματα. / The thesis that follows concerns the analysis and modeling of a photovoltaic system that is constituted by a PV array, a DC voltage converter that raises the voltage and simultaneously detect the maximum power point (MPP), so the power output of the system be maximum, and an inverter. Subsequently, the analysis and modeling of a variable speed wind system that uses a permanent magnet synchronous machine (PMSG) and a network of two converters, full scale, back to back that is also connected to the network. After these, will be analyzed and modeled the connection of these two systems together in a network of distributed generation common AC voltage node and common DC voltage node respectively. It will be attempted the implement of a control strategy to control the appropriate systems in order to achieve maximum power production. Finally, we will implement these systems in a Matlab/Simulink environment and simulate them for different changes in radiation and wind speed in order to see how the applied control strategy behaves and extract some conclusions. In chapter 1, becomes a more general report in the renewable sources of energy, to the advantages and disadvantages of them. Specifically, we will focus on the solar and wind energy, advantages and disadvantages and some brief historical information about them. Also, will analyze the main characteristics of the photovoltaic array and wind turbines. In chapter 2 will be analyzed the photovoltaic systems and their structural units. Firstly we will refer to the autonomous and grid-connected PV systems. Then will be given the equivalent model of the photovoltaic cell in order to analyze their characteristics and to determine the fill factor and the efficiency of the photovoltaic cell. Then we will deal with the dc/dc converter we briefly analyze the operation and will extract the model. This converter also performs the function of detecting the MPP so will also be analyzed the methods of finding it. We will refer to the inverters and their technologies in photovoltaic systems and it will be described their control. We will be transferred to the rotating system d-q of two perpendicular axes through the transformation Park which offers simplified equations and ease of control. So eventually the solar system will be modeled and controlled. In chapter 3 will be relevant analysis of the wind systems and their structural units. It will be presented a permanent magnet synchronous machine, its basics and its mathematical model. Then we will deal with the detailed mathematical description of the conversion of kinetic energy into mechanical. We analyze the mechanical control methods to be maximal power output. Also, the overall mathematical model of the wind system and its control will be extracted. In chapter 4, we will refer to the centralized and decentralized production, we will analyze the advantages and disadvantages and introduce the concept of microgrid and its categorizations. Then we will draw the mathematical models for the respective topologies of interconnection systems to the network, the first case is that of common AC voltage node and the second common DC voltage node. Finally they will be controlled. In chapter 5 will be described the technical characteristics of the system used in the simulation and numerical gains of controllers. Finally, the simulation results along with a brief commentary and a few conclusions are given.