[논문 리뷰] Towards Large-Scale Scalable MAV Swarms with ROS2 and UWB-based Situated Communication

Jorge Peña Queralta, Xianjia Yu외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 11.

UAV Applications and Optimization인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 ROS2, Wi-Fi 메시 네트워킹, 그리고 UWB 기반의 정위치 통신을 활용한 확장 가능하고 저비용의 마이크로 항공기(MAV) 기반 군집 플랫폼을 제시한다. UWB 거리 측정 기능을 ROS2 토픽과 결합하고, batman-adv 메시 라우팅을 적용하여 탈중앙화된 확장 가능한 군집 운영을 가능하게 하며, 실시간 상대 위치 추정 및 통신을 지원함으로써 GNSS가 불가능한 환경에서도 복잡한 협업 행동을 구현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 최소한의 중심 제어를 갖춘 대규모 탈중앙화 MAV 군집 운영을 가능하게 하기 위해.
• 중앙 집중식 제어 및 전통적인 Wi-Fi의 제한점을 해결하기 위해.
• 일반 소비자용 부품를 사용한 저비용이고 재현 가능한 플랫폼을 개발하기 위해.
• 확장 가능한 통신 및 조율을 위해 UWB 기반의 상대 위치 추정을 ROS2와 통합하기 위해.
• 편성 제어 및 분산 감지와 같은 복잡한 협업 행동을 지원하기 위해.

제안 방법

• 현장에서 처리 및 UWB 통신을 위한 라즈베리 파이 제로 W와 Decawave DWM1001 UWB 모듈을 탑재한 Ryze Tello 드론을 활용한다.
• 자기 복구 기능, 확장 가능한 노드 탐색, 인터넷 게이트웨이 지원을 위한 Wi-Fi 메시 네트워킹을 위해 batman-adv를 사용한다.
• 일대일 UWB 거리 측정과 SnapLoc와 같은 스케일러블 시스템을 활용해 군집 전반의 상대 위치를 추정한다.
• UWB 거리 측정 패킷 내부에 ROS2 메시지를 통합하여 최소한의 대역폭 오버헤드로 동시 위치 추정 및 통신을 가능하게 한다.
• 고대역폭 데이터 전송을 위해 Wi-Fi 메시를 활용하고, 네트워크 부하를 관리하기 위해 토픽 스로틀링을 적용한다.
• 높이 추정의 정확도 향상과 내구성 향상을 위해 TFMini 마이크로 라이다를 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반 소비자용 부품와 탈중앙화된 통신을 사용해 저비용이고 확장 가능한 MAV 군집을 구축할 수 있는가?
• RQ2 UWB 기반의 상대 위치 추정을 ROS2와 효과적으로 통합하여 실시간 군집 조율를 달성할 수 있는가?
• RQ3 Wi-Fi 메시 네트워킹이 대규모 MAV 군집에서 신뢰성 있고 확장 가능한 통신을 얼마나 잘 지원하는가?
• RQ4 UWB 메시지 임bedding을 통해 동시 위치 추정과 통신을 달성할 수 있는가, 이로 인해 확장성이 손상되지 않는가?
• RQ5 탈중앙화된 메시 기반 제어 환경에서 GNSS가 불가능한 환경에서 시스템의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 플랫폼은 일반 소비자용 부품와 오픈소스 소프트웨어만으로도 확장 가능하고 탈중앙화된 MAV 군집 운영을 가능하게 한다.
• batman-adv를 사용한 Wi-Fi 메시 네트워킹은 동적 군집 구성에서 자동 노드 탐색과 신뢰할 수 있는 통신을 지원한다.
• UWB 거리 측정은 정확한 상대 위치 추정을 가능하게 하며, 게이트웨이 또는 앵커 위치가 알려져 있으면 전역 위치 추정도 가능하다.
• ROS2 메시지를 UWB 패킷 내부에 통합함으로써 최소한의 오버헤드로 동시 통신 및 위치 추정이 가능하다.
• 시스템은 GNSS가 불가능한 환경에서 편성 제어 및 분산 감지와 같은 복잡한 협업 행동을 지원한다.
• ROS2, UWB, Wi-Fi 메시의 통합은 대규모 군집 연구를 위한 재현 가능하고 저비용인 기반을 제공한다.