[論文レビュー] Towards Large-Scale Scalable MAV Swarms with ROS2 and UWB-based Situated Communication

Jorge Peña Queralta, Xianjia Yu+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2021

UAV Applications and Optimization被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ROS2、Wi-Fiメッシュネットワーキング、およびUWBベースの状況認識通信を用いて、分散型の局所化と制御を実現するスケーラブルで低コストなマイクロ航空機（MAV）スワームプラットフォームを提示する。UWB距離測定をROS2トピックと統合し、batman-advメッシュルーティングを適用することで、リアルタイムの相対的局所化と通信を実現する分散型でスケーラブルなスワーム運用が可能となり、GNSS不可環境下でも複雑な協調行動を支援する。

ABSTRACT

The design and development of swarms of micro-aerial vehicles (MAVs) has recently gained significant traction. Collaborative aerial swarms have potential applications in areas as diverse as surveillance and monitoring, inventory management, search and rescue, or in the entertainment industry. Swarm intelligence has, by definition, a distributed nature. Yet performing experiments in truly distributed systems is not always possible, as much of the underlying ecosystem employed requires some sort of central control. Indeed, in experimental proofs of concept, most research relies on more traditional connectivity solutions and centralized approaches. External localization solutions, such as motion capture (MOCAP) systems, visual markers, or ultra-wideband (UWB) anchors are often used. Alternatively, intra-swarm solutions are often limited in terms of, e.g., range or field-of-view. Research and development has been supported by platforms such as the e-puck, the kilobot, or the crazyflie quadrotors. We believe there is a need for inexpensive platforms such as the Crazyflie with more advanced onboard processing capabilities and sensors, while offering scalability and robust communication and localization solutions. In the following, we present a platform for research and development in aerial swarms currently under development, where we leverage Wi-Fi mesh connectivity and the distributed ROS2 middleware together with UWB ranging and communication for situated communication. We present a platform for building towards large-scale swarms of autonomous MAVs leveraging the ROS2 middleware, Wi-Fi mesh connectivity, and UWB ranging and communication. The platform is based on the Ryze Tello Drone, a Raspberry Pi Zero W as a companion computer together with a camera module, and a Decawave DWM1001 UWB module for ranging and basic communication.

研究の動機と目的

• 中央集権的制御を最小限に抑えた大規模で分散型のMAVスワーム運用を可能にすること。
• 中央集権的制御と従来のWi-Fiの限界を解決すること。
• 市販部品を用いた低コストで再現可能なプラットフォームの開発。
• ROS2におけるUWBベースの相対的局所化とスケーラブルな通信・協調制御の統合。
• 編隊制御や分散型認識といった複雑な協調行動の支援。

提案手法

• 地上制御用にRyze TelloドローンにRaspberry Pi Zero WとDecawave DWM1001 UWBモジュールを搭載し、搭載プロセッシングとUWB通信を実現。
• 自己回復性・スケーラブルなノード発見・インターネットゲートウェイ対応を実現するため、batman-advを用いたWi-Fiメッシュネットワーキングを採用。
• 1対1のUWB距離測定と、SnapLocのようなスケーラブルなシステムを用いてスワーム全体の相対的位置を推定。
• ROS2メッセージをUWB距離測定パケット内に埋め込むことで、最小限の帯域幅オーバーヘッドで並列な局所化と通信を実現。
• 高帯域幅のデータ転送にはWi-Fiメッシュを活用し、ネットワーク負荷を管理するためトピックのスロットリングを適用。
• 高精度な高度推定と耐障害性を向上させるために、TFMiniマイクロライダーを統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 市販部品と分散型通信を用いて、低コストでスケーラブルなMAVスワームを構築可能か？
• RQ2 UWBベースの相対的局所化をROS2に効果的に統合し、リアルタイムのスワーム協調制御を実現できるか？
• RQ3 Wi-Fiメッシュネットワーキングは、大規模なMAVスワームにおいて信頼性がありスケーラブルな通信をどの程度サポートできるか？
• RQ4 UWBメッセージの埋め込みにより、スケーラビリティを損なわずに並列な局所化と通信を実現できるか？
• RQ5 分散型メッシュベースの制御下で、GNSS不可環境下でのシステムの性能はいかがなものか？

主な発見

• 本プラットフォームは、市販部品とオープンソースソフトウェアのみで、スケーラブルかつ分散型のMAVスワーム運用を実現可能である。
• batman-advを用いたWi-Fiメッシュは、動的で変化するスワーム構成においても自動的なノード発見と信頼性の高い通信をサポートする。
• UWB距離測定により正確な相対的局所化が可能であり、ゲートウェイまたはアンカーの位置が分かればグローバル局所化の可能性も持つ。
• ROS2メッセージをUWBパケットに埋め込むことで、最小限のオーバーヘッドで並列な通信と局所化が実現可能である。
• 本システムは、GNSS不可環境下でも編隊制御や分散型認識といった複雑な協調行動をサポートする。
• ROS2、UWB、Wi-Fiメッシュの統合により、大規模なスワーム研究に適した再現可能で低コストな基盤が提供される。