[논문 리뷰] System Architecture and Communication Infrastructure for the RoboVaaS project

Emanuele Coccolo, Cosmin Delea외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 10.

Underwater Vehicles and Communication Systems인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 해상 서비스를 위한 무인 표면 및 해중 차량(USV/ROV)의 수요 기반 배치를 가능하게 하는 클라우드 기반 서비스 지향 시스템 아키텍처와 하이브리드 해중/해상 통신 인fra를 제안한다. 시스템은 해상 시험에서 실시간 데이터 수집 및 임무 수행을 성공적으로 시연하였으며, 통합된 음향 통신 및 장거리 WiFi 통신, 보안 웹 기반 제어, 모듈식 로봇 플랫폼을 통해 TRL 5-6를 달성하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 항만 및 근해 환경에서 무인 선박(USV/ROV)을 활용한 확장 가능하고 서비스 지향적인 해양 운영을 위한 로봇 시스템을 개발하기 위해.
• 표준 브라우저를 통해 접근 가능한 보안 웹 인터페이스를 통해 실시간 원격 모니터링 및 제어 기능을 제공하기 위해.
• 해중 음향 모뎀과 장거리 WiFi를 포함한 이종 통신 기술을 융합하여 데이터 전송 및 명령을 위한 통합 네트워크를 구축하기 위해.
• 환경 및 수심 측정 데이터 수집을 위한 실제 해상 환경에서의 시스템 타당성 및 성능을 검증하기 위해.
• 기술 준비도 수준(Technology Readiness Level, TRL) 5–6을 달성하여 향후 산업 현장 적용 기반을 마련하고, 향후 높은 성숙도 달성을 위한 핵심 기술 과제를 규명하기 위해.

제안 방법

• 해중 및 해상 데이터 전송을 위한 센서와 통신 모듈을 탑재한 모듈식 무인 표면선(SeaML ASV)을 도입하였다.
• 중앙 서버가 임무 요청, 비밀 토큰 기반 사용자 인증, 보안 소켓 통신을 관리하는 클라우드 기반 서비스 아키텍처를 구현하였다.
• 역할 기반 접근 제어를 통해 운영자, 로봇, 백엔드 서비스 간 작업 라우팅을 관리하는 메시지 큐 브로커(RabbitMQ)를 통합하였다.
• 복잡하고 중첩된 센서 및 임무 데이터를 위한 유연한 스키마 처리를 가능하게 하기 위해 비관계형 MongoDB 데이터베이스를 사용하였다.
• ROV 및 센서 데이터 전송을 위한 해중 음향 통신과 ASV에서 해안 기반 시스템으로의 연결 및 웹UI 연결을 위한 장거리 WiFi를 융합한 하이브리드 네트워크 인fra를 구성하였다.
• 제어 루프 지연을 최소화하기 위해 경량 메시징 프로토콜(MAVLink 유사)을 사용한 경로 따라 이동 제어기를 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 클라우드 기반 서비스 지향 아키텍처는 해양 운영을 위해 다수의 무인 표면 및 해중 차량을 효과적으로 조율할 수 있는가?
• RQ2 해중 차량, 표면선, 해안 기반 시스템 간 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하기 위해 필요한 하이브리드 통신 인프라는 무엇인가?
• RQ3 장거리 WiFi와 해중 음향 모뎀의 통합은 실제 해양 환경에서의 시스템 성능 및 임무 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 웹 기반 인터페이스를 통한 보안적이고 실시간이며 확장 가능한 원격 로봇 선박 운영을 달성하기 위한 주요 과제는 무엇인가?
• RQ5 유연한 통신 및 제어 인프라를 갖춘 모듈식 로봇 플랫폼은 다양한 해양 서비스 응용 분야를 얼마나 효과적으로 지원할 수 있는가?

주요 결과

• RoboVaaS 시스템은 10일간의 해상 시험 캠프 기간 동안 해중 센서 데이터 수집을 위한 종단 간 임무 수행을 성공적으로 시연하였다.
• 해중 음향 모뎀과 장거리 WiFi를 융합한 하이브리드 통신 인프라는 모든 시험 단계에서 신뢰성 있는 데이터 전송 및 실시간 모니터링을 가능하게 하였다.
• 시스템은 기술 준비도 수준(Technology Readiness Level, TRL) 5–6을 달성하여 기술적 타당성과 산업 현장에서의 추가 검증에 적합한 준비 상태임을 확인하였다.
• 비관계형 MongoDB 데이터베이스의 사용은 복잡하고 중첩된 센서 및 임무 데이터를 위한 민첩한 데이터 모델링을 가능하게 하였지만, 데이터 복잡도 증가에 따라 쿼리 성능 저하가 발생하였다.
• 보안 웹소켓 통신과 토큰 기반 인증의 통합은 시스템에 대한 제어된 보안 액세스를 보장하였으며, 무단 액세스로부터의 보호를 실현하였다.
• 경로 따라 이동 제어기는 안정적인 자율 항법을 가능하게 하였고, 모듈식 ASV 플랫폼은 최소한의 인간 간섭으로 다양한 임무 작업을 수행할 수 있음을 입증하였다.