[論文レビュー] System Architecture and Communication Infrastructure for the RoboVaaS project

Emanuele Coccolo, Cosmin Delea+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2022

Underwater Vehicles and Communication Systems被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、RoboVaaSプロジェクトのためのクラウドベースでサービス指向のシステムアーキテクチャと、水中および水上のハイブリッド通信インfraストラクチャを提示している。これにより、港や近岸環境における無人水上・水中船舶（USV/ROV）のオンデマンド展開が可能となり、海上サービスの実現を可能にした。システムは、海上試験においてリアルタイムのデータ収集とミッション実行を成功裏に実証し、統合された音響通信および長距離WiFi通信、セキュアなウェブベースの制御、モジュラーなロボットプラットフォームを備え、TRL 5–6を達成した。

ABSTRACT

Current advancements in waterborne autonomous systems, together with the development of cloud-based service-oriented architectures and the recent availability of low-cost underwater acoustic modems and long-range above water wireless devices, enabled the development of new applications to support ships and port activities. Unmanned Surface Vehicle (USV) can, for instance, be used to perform bathymetry and environmental data collection tasks to ensure under-keel clearance and to monitor the quality of the water. Similarly, Remotely Operated Vehicles (ROVs) can be deployed to inspect ship hulls and typical port infrastructure elements, such as quay and sheet pilling walls. In this paper we present the complete system deployed for the small-scale demonstrations of the Robotic Vessels as-a-Service (RoboVaaS) project, which introduces an on-demand service-based cloud system that dispatches Unmanned Vehicles (UVs) capable of performing the required service either autonomously or piloted. These vessels are able to interact with sensors deployed in the port and with the shore station through an integrated underwater and above water network. The developed system has been validated through sea trials and showcased through an underwater sensor data collection service. The results of the test presented in this paper provide a proof-of-concept of the system design and indicate its technical feasibility. It also shows the need for further developments for a mature technology allowing on-demand robotic maritime assistance services in real operational scenarios.

研究の動機と目的

• 港や近岸環境における無人船舶（USV/ROV）を用いたスケーラブルでサービス指向のロボットシステムの開発。
• 標準ブラウザからアクセス可能なセキュアなウェブインターフェースを通じて、リアルタイムで遠隔監視および制御を可能にする。
• 水中音響モデムと長距離WiFiという異種通信技術を統合し、データ転送と指令伝達のための包括的ネットワークを構築する。
• 環境および水深データ収集を目的とした、実海上試験におけるシステムの実現可能性と性能を検証する。
• 技術成熟度（TRL）5–6を達成することで、将来の産業応用への基盤を構築し、さらなる成熟に向けた主要な技術的課題を特定する。

提案手法

• 水中および水上のデータ送信を可能にするセンサーや通信モジュールを装備したモジュラーな無人水上船（SeaML ASV）を導入した。
• 中央サーバーがミッションリクエスト、シークレットトークンを用いたユーザー認証、セキュアなWebSocket通信を管理するクラウドベースのサービスアーキテクチャを実装した。
• 役割ベースのアクセス制御を備えたメッセージキュー・ブローカー（RabbitMQ）を導入し、オペレータ、ロボット、バックエンドサービス間のタスクルーティングを管理した。
• 複雑でネストされたセンサーやミッションデータの柔軟なストレージを可能にするために、非リレーショナルのMongoDBデータベースを採用した。これにより、動的スキーマの取り扱いが可能になった。
• 水中音響通信（ROVおよびセンサーデータ用）と長距離WiFi（ASVから岸上システムおよびWebUIへの接続用）を統合したハイブリッドネットワークインfraストラクチャを構築した。
• 自律航行を可能にするパスフォロwing制御アルゴリズムを採用し、制御ループの遅延を低減するため、MAVLinkに類似した軽量メッセージングプロトコルを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クラウドベースでサービス指向のアーキテクチャは、海上作業を実現する複数の無人水上・水中船舶を効果的に統合・制御できるか？
• RQ2 水中船舶、水上船、岸上システム間で信頼性の高いデータ転送を実現するためには、どのようなハイブリッド通信インfraストラクチャが必要か？
• RQ3 長距離WiFiと水中音響モデムの統合は、実際の海上環境におけるシステム性能とミッションの信頼性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ウェブベースのインターフェースを通じて、セキュアでリアルタイムかつスケーラブルなロボット船の遠隔操作を実現するにあたり、主な課題は何か？
• RQ5 柔軟な通信および制御インフラを備えたモジュラーなロボットプラットフォームは、多様な海上サービス用途をどの程度サポートできるか？

主な発見

• RoboVaaSシステムは、10日間の海上試験キャンペーンにおいて、水中センサーのデータ収集を含むエンドツーエンドのミッション実行を成功裏に実証した。
• 水中音響モデムと長距離WiFiを統合したハイブリッド通信インfraストラクチャにより、すべての試験フェーズで信頼性の高いデータ転送とリアルタイム監視が可能になった。
• システムは技術成熟度（TRL）5–6に達し、産業的応用のためのさらなる検証に向けた技術的実現可能性が確認された。
• 非リレーショナルのMongoDBデータベースの使用により、複雑でネストされたセンサーやミッションデータの柔軟なデータモデリングが可能になったが、データの複雑さが増すとクエリのパフォーマンスが低下した。
• セキュアなWebSocket通信とトークンベースの認証の統合により、システムへの制御されたセキュアなアクセスが実現され、不正アクセスのリスクが低減した。
• パスフォロウィング制御アルゴリズムにより安定した自律航行が実現され、モジュラーなASVプラットフォームは最小限の人的介入で多様なミッションタスクを遂行できることが実証された。