zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Kĩ thuật Viễn thông

Giải pháp truyền thông trong bầy UAV giám sát và cảnh báo cháy rừng

Chia sẻ: Liễu Yêu Yêu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Báo xấu

29
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Giải pháp truyền thông trong bầy UAV giám sát và cảnh báo cháy rừng" đề xuất giải pháp truyền thông trong bầy UAV: mạng kết nối giữa các UAV trong bầy được thiết lập là loại mạng Mesh, UAV Leader sẽ kết nối với trạm điều khiển trung tâm dưới mặt đất thông qua sóng vô tuyến. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giải pháp truyền thông trong bầy UAV giám sát và cảnh báo cháy rừng

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Giải Pháp Truyền Thông Trong Bầy UAV Giám Sát Và Cảnh Báo Cháy Rừng Lê Thị Thúy Nga Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Giao thông Vận tải Email: lethuynga@utc.edu.vn Abstract—Bài báo đề xuất giải pháp truyền thông trong trường phân tán như việc khám phá một khu vực mỏ, bầy UAV: mạng kết nối giữa các UAV trong bầy trong nông nghiệp, trong quân sự, truy tìm vật thể bị được thiết lập là loại mạng Mesh, UAV Leader sẽ thất lạc, v.v. Điều này đòi hỏi các tiêu chuẩn giao tiếp kết nối với trạm điều khiển trung tâm dưới mặt đất là có phạm vi truyền thông xa hơn. thông qua sóng vô tuyến. Robot bầy đàn có thể hoạt động dưới mặt đất hoặc trên không. UAV (Unmanned Aerial Vehicle - Keywords- robot bầy đàn, UAV bầy đàn, giám sát cháy phương tiện bay không người lái) là các thiết bị chính rừng. để thực hiện các ứng dụng của robot bầy đàn ở trên không. I. GIỚI THIỆU Bài báo đề xuất giải pháp truyền thông giữa Robot bầy đàn - Swarm robot là Công nghệ chế các cá thể UAV với nhau và giữa từng UAV với trạm tạo robot lấy cảm hứng từ các loài sinh vật trong tự mặt đất, ứng dụng vào công tác thám sát cháy rừng. nhiên. Công nghệ này giúp các nhà nghiên cứu mô hình hóa hoạt động của robot thực hiện những nhiệm II. CÁC GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG THÔNG vụ có ích như tìm kiếm vật bị thất lạc, làm sạch hoặc làm gián điệp... Phần lớn những robot này đều tương DỤNG đối đơn giản, nhưng những hệ thống hoạt động của a) Truyền thông qua stigmergy chúng thường rất phức tạp. Toàn bộ các robot có thể Quan sát bầy trong tự nhiên, chúng ta sẽ sớm coi là một thể thống nhất. Vì vậy, ngay khi những robot nhận thấy, rằng những cá nhân đơn lẻ không giao tiếp lớn hoạt động và huỷ nhiệm vụ thì robot bầy đàn vẫn thông qua tin nhắn. Nhưng hiện một số hành vi tập thể, vận hành giám sát và thực hiện nhiệm vụ robot lớn đã các thành viên phải trao đổi thông tin một cách nào đó. huỷ. Hành vi tập thể của bầy robot được thiết lập dựa Điều này được thực hiện bởi một hiện tượng gọi là trên sự tương tác giữa các cá thể robot với nhau và giữa stigmergy, có nghĩa là giao tiếp bằng cách thay đổi môi các cá thể robot với môi trường. Vì thế vấn đề truyền trường. "Khái niệm về stigmergy đã được giới thiệu bởi thông giao tiếp trong bầy đàn là rất quan trọng. Trong Pierre-Paul Grasse vào những năm 1950 để mô tả sự hành vi bầy đàn nhân tạo thường sử dụng truyền thông truyền thông gián tiếp đang diễn ra giữa các cá nhân không dây. Giải pháp lựa chọn phương thức truyền trong bầy côn trùng. Kiến và mối phối hợp việc xây thông giữa các cá thể robot với nhau và giữa các cá thể dựng tổ của chúng bằng cách sử dụng các tổ mình để robot với máy tính, với môi trường phải dựa trên đặc trao đổi thông tin. Để tìm đường đi ngắn nhất, các con điểm của môi trường, yêu cầu nhiệm vụ của robot bầy kiến đã thay đổi môi trường bằng cách đặt một số đàn. Nhưng chủ yếu đều là truyền thông không dây. pheromone trên đường nó. Các con kiến đi sau cứ đi Đây là một yếu tố rất quan trọng trong việc điều khiển theo con đường có mùi khó chịu nhất và để lại robot bầy đàn. Một số biện pháp truyền thông là pheromone của nó trên con đường này một lần nữa, Bluetooth, Wireless LAN, ZigBee, thông tin liên lạc những con kiến khác hợp tác và sau một thời, con thông qua môi trường (stigmergy) hoặc như trong đường ngắn nhất đã được thiết lập. Thật không dễ dàng trường hợp của Jasmine qua đèn LED hồng ngoại. để sử dụng phương pháp này trong bầy nhân tạo. Tạo Giao tiếp trong nhà được sử dụng khi robot di pheromone nhân tạo là gần như không thể vào lúc này chuyển bên trong một tòa nhà chẳng hạn như trong các và không thể được xem như một cách nghiêm túc để nhà máy, kho hàng công nghiệp, bệnh viện, thư viện tạo ra hành vi bầy đàn. Vì thế trong robot bầy đàn v.v, loại truyền thông đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để phương thức truyền thông này gần như không được áp đi thông qua các bức tường của tòa nhà, tốc độ dữ liệu dụng. thường cao và phạm vi truyền thông. Giao tiếp ngoài b) Truyền thông qua tin nhắn trời được sử dụng khi robot di chuyển bên ngoài các Do phương pháp truyền thông stigmergy trong tòa nhà và cần phải được kiểm soát trong một môi bầy đàn không hữu hiệu, nên chúng ta phải tìm một ISBN 978-604-80-7468-5 272
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) cách khác để thông tin liên lạc giữa các robot với nhau. tìm thấy trong [2], một nền tảng Robot mới phát triển Các robot có thể trao đổi thông tin với nhau qua tin được sử dụng trong phân tán robot bầy đàn. nhắn? Các công nghệ phổ biến nhất cho việc gửi tin  Giao tiếp ZigBee nhắn từ robot để robot trong bầy là Bluetooth, mạng Giao thức ZigBee sử dụng tiêu chuẩn cơ bản LAN không dây hoặc hồng ngoại. IEEE 802.15.4, nó được thiết kế để xây dựng mạng  Giao tiếp hồng ngoại IR (Infrared): lưới không dây. Mạng được sử dụng khi khoảng cách Nguyên tắc hoạt động của cảm biến hồng của hai nút là lớn hơn so với phạm vi giao tiếp của hai ngoại dựa trên nguyên lý phản xạ và góc phản chiếu. nút, các nút khác ở giữa có thể làm việc như bộ định Cảm biến sẽ phát ra một tia ánh sáng hồng ngoại, nếu tuyến trung gian để truyền lại thông điệp đến đích cuối không có vật thể, sẽ không có tia phản xạ trở về bộ thu. cùng. Giao thức ZigBee thêm ba điều sau đây để các Nếu có vật thể, tia IR sẽ đập vào vật thể cần đo rồi 802.15.4 chuẩn [3]: phản xạ về cảm biến thu PSD sử dụng một mảng CCD - Routing: bảng định tuyến cho phép các nút để vượt cỡ nhỏ. Tùy vào khoảng cách của vật, góc của tam giác qua thông điệp tới các nút xung quanh để đến đích. đo sẽ thay đổi, các mảng CCD có khả năng xác định - ad - hoc: xây dựng một mạng lưới mà không có sự góc thu chính xác, từ đó xác định khoảng cách tới vật can thiệp của con người. thể dựa theo công thức về hệ thức lượng trong tam - Mạng lưới tự khắc phục lỗi: tự động phát hiện sự thất giác. Có thể sử dụng cảm biến hồng ngoại để xác định bại và cấu hình lại mạng truyền thông. khoảng cách giữa các cá thể robot trong bầy và giữa Các thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau có robot với các vật thể trong môi trường. thể giao tiếp với nhau nếu được thiết kế để hỗ trợ giao Ưu/nhược điểm của giao tiếp hồng ngoại IR: thức ZigBee. Các thiết bị này gần đây thường sử dụng - Đơn giản, dễ lắp láp và xử lý tín hiệu. vì những tính năng sau đây: công suất thấp tiêu thụ, tốc - Chỉ có thể xảy ra với khoảng cách ngắn và đúng độ dữ liệu thấp, chi phí thấp, số lượng lớn nút, khoảng phạm vi quan sát của cảm biến. cách truyền thông xa hơn (hơn 1 km với XBee Pro), - Không phân biệt được đặc điểm của vật. thời gian trễ ngắn và độ tin cậy cao. Mặt khác chúng ta phải lưu ý, rằng ánh sáng mặt trời Các vấn đề cần lưu ý về truyền thông: và các nguồn sáng khác có thể làm nhiễu truyền thông. - Phạm vi truyền thông,  Giao tiếp qua mạng không dây Wireless LAN - Cấu trúc truyền thông, Mạng không dây LAN có nhiều khả năng - Băng thông, được áp dụng trong robot bầy đàn, khối lượng dữ liệu - Môi trường, được truyền đi có thể rất lớn. Hay bị nhiễu bởi bức xạ - Độ dài tin nhắn, của các đơn vị khác. Wi-Fi cũng được gọi là tiêu chuẩn - Lưu lượng dự phòng, (802,11) và mạng LAN không dây (WLAN) được sử - Nhiễu truyền thông, dụng để thông tin liên lạc trong nhà, phạm vi lên đến - Truyền thông di động, 100 mét và nhiều hơn nữa hơn trong trường hợp sử - Kích thước của bầy, dụng nhiều điểm truy cập, tốc độ dữ liệu có thể lên đến - Bảo mật. 54Mbps, cách thức giao tiếp này được sử dụng để thu/phát liên tục nên tiêu tốn rất nhiều năng lượng, và III. GIẢI PHÁP TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG vi điều khiển là bộ não của robot sẽ không thể xử lý dữ TRONG BẦY UAV THÁM SÁT CHÁY RỪNG liệu tốc độ cao như vậy. Do đó, trong thực tế ít dùng Truyền thông đóng vai trò quan trọng trong truyền thông bằng mạng LAN cho robot bầy đàn. việc kiểm soát và điều phối UAV bầy đàn [4-5]. Kiến  Giao tiếp qua Bluetooth trúc truyền thông xác định hình thức về trao đổi thông Kỹ thuật truyền Bluetooth có thể giải quyết tin giữa các UAV với nhau hoặc giữa UAV với trung được một số nhược điểm của giao tiếp bằng hồng ngoại tâm điều khiển. Trên thực tế, UAV bầy đàn là một tập và giao tiếp mạng LAN, liên quan đến quy mô và phạm hợp các robot trên không hoạt động cùng nhau cho một vi. Giao tiếp Bluetooth hoặc tiêu chuẩn ban đầu mục tiêu cụ thể, việc điều khiển UAV được điều khiển (802.14.1) được phát triển cho thông tin liên lạc với các từ xa qua thiết bị cầm tay hoặc tự điều khiển bởi bộ xử thiết bị ngoại vi: giữa máy tính và máy in, điện thoại, lý trên các UAV (các UAV liên kết với nhau và đưa ra máy ảnh, mô-đun GPS và tai nghe,…, khoảng cách chiến lược thực hiện), cả hai hoạt động này đều yêu cầu truyền thông Bluetooth có thể từ 10 ÷ 100 mét trong hỗ trợ bởi việc truyền thông. Ngoài ra, việc truyền trường hợp lý tưởng, tốc độ dữ liệu lên đến 24Mbps, nó thông với hiệu suất cao và tin cậy sẽ đóng vai trò quan có thể được sử dụng cho robot di chuyển cả trong nhà trọng đối với UAV bầy đàn, bao gồm các chiến lược và ngoài trời. Thu phát Bluetooth có thể được tích hợp phối hợp, cộng tác, cơ chế kiểm soát, bảo mật, thuật vào một Robot di động để thiết lập kết nối giữa một toán lập kế hoạch nhiệm vụ,… Với đặc điểm hoạt động robot và một máy chủ [1], trong đó một robot gọi là trên không, các phương thức truyền thông qua môi "Aibot" đã được sử dụng và kiểm soát trong chế độ tập trường hay sử dụng cảm biến là không hiệu quả so với trung từ một máy tính sử dụng chương trình Java. Một truyền thông tường minh qua mạng thông tin. Đặc tính công trình nghiên cứu khác sử dụng Bluetooth được của mạng thông tin trong kết nối bày đàn là các nút ISBN 978-604-80-7468-5 273
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) mạng di động, đồng thời có thể xảy ra sự thêm, bớt nút mạng nên mạng được chọn phải là mạng tùy biến (ad- hoc). Mạng tùy biến không dây (Wireless ad-hoc network) là một tập hợp gồm nhiều hơn một thiết bị/nút mạng với khả năng nối mạng và giao tiếp không dây với nhau mà không cần sự hỗ trợ của một sự quản trị trung tâm nào. Mỗi nút trong một mạng tùy biến không dây hoạt động vừa như một máy chủ (host) vừa như một thiết bị định tuyến. Mạng loại này được gọi là tùy biến (ad-hoc) vì mỗi nút đều sẵn sàng chuyển tiếp dữ liệu cho các nút khác, và do đó việc quyết định xem nút nào sẽ thực hiện việc chuyển tiếp dữ liệu được dựa trên tình trạng kết nối của mạng. Điều này trái ngược với các công nghệ mạng cũ hơn, mà trong đó nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu được thực hiện bởi một số nút chuyên biệt, thường là có phần cứng đặc biệt và được xếp thành các loại như thiết bị định tuyến, thiết bị chuyển mạch, hub, tường lửa. Cấu hình tối thiểu và khả năng triển khai nhanh chóng làm cho mạng tùy biến Hình 2. Kiến trúc mạng tùy biến không sử dụng mạng thông không dây thích hợp cho các tình huống khẩn cấp như tin di động các thảm họa, xung đột quân sự, cấp cứu y tế, v.v… Có một số kiến trúc điển hình như: mạng tùy Các kiến trúc truyền thông tùy biến điển hình như: biến đơn lẻ, mạng tùy biến đa nhóm và mạng tùy biến - Kiến trúc mạng tùy biến kết hợp mạng thông tin di đa lớp. Tùy thuộc vào quy mô và đặc thù khu vực ứng động GSM (hình 1): dụng mà lựa chọn loại phù hợp. Trong khuôn khổ của bài báo, áp dụng kiến trúc mạng tùy biến đơn lẻ là phù hợp: các UAV trong bầy đàn kết nối truyền thông với nhau, việc kết nối truyền thông với trạm điều khiển mặt đất GCS (Ground Control Station) thông qua một UAV cụ thể trong bầy đàn. Các UAV giao tiếp với nhau thông qua module truyền thông với công suất nhỏ và khoảng cách ngắn giúp tiết kiệm chi phí, trọng lượng nhẹ và năng lượng tiêu thụ là thấp. Với việc truyền thông từ UAV đến GCS sử dụng module truyền thông có công suất cao, khoảng cách truyền thông lớn để mở rộng khả năng về phạm vi hoạt động của hệ thống. Việc tổ chức mạng kết nối giữa các UAV trong bầy có thể được thực hiện theo 3 cách: kiến trúc Ring, kiến trúc Star và kiến trúc Mesh (tương ứng như trên hình 3) Hình 1. Kiến trúc mạng tùy biến kết hợp mạng thông tin di động GSM Công nghệ di động đã phát triển đến 5G, do vậy việc truyền dữ liệu từ các UAV về trung tâm được thực hiện với tốc độ cao – theo thời gian thực, hệ thống trở lên linh động, vùng hoạt động của bầy đàn UAV là không giới hạn trong toàn bộ khu vực có vùng phủ mạng điện thoại - Kiến trúc không sử dụng truyền thông qua sóng điện thoại GSM (hình 2): Hình 3. Các kiến trúc mạng chính để liên kết các UAV trong bầy - Kiến trúc dạng Ring: UAV trong kiến trúc vòng tạo thành một vòng lặp giao tiếp thông qua kết nối hai chiều. Bất kỳ UAV nào cũng có thể hoạt động như một nút gateway để truyền thông với GCS. Khi kiên kết ISBN 978-604-80-7468-5 274
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) trực tiếp giữa 2 nút liền kề không thành công UAV tối giản năng lượng đối với khâu truyền thông thì tại mục tiêu có thể liên kết lại thông qua vòng lặp truyền mỗi UAV và tại GCS được thiết kế 02 loại module thu thông. Do vậy mà kiến trúc dạng ring có tính ổn định phát vô tuyến: nhất định và thiếu khả năng mở rộng. + Khối thu phát loại nhỏ - có công suất thấp, tốc độ - Kiến trúc dạng Star: các UAV được tổ chức theo hình truyền thông trung bình, tần số sóng hoạt động 410Mhz thức dạng sao, UAV ở giữa đóng vai trò là gateway sẽ - 441Mhz: phục vụ cho mạng thông tin nội bộ của bầy giao tiếp với tất cả các UAV trong bầy và giao tiếp với đàn UAV. Đây là mạng thông tin quan trọng liên quan GCS, kiến trúc dạng sao này sẽ làm cho các UAV khác đến việc điều khiển, giám sát và điều phối các UAV, giảm bớt công việc thực hiện về truyền thông, tuy các thông tin truyền thông trong mạng này là ít nhưng nhiên khi UAV – gateway bị lỗi thì toàn bộ hệ thống sẽ độ tin cậy đòi hỏi cao. mất kết nối. + Khối thu phát loại lớn – có công suất cao, tốc độ - Kiến trúc dạng Mesh: là sự kết hợp của kiến trúc ring truyền thông lớn, tần số sóng hoạt động là 2.4GHz, và star và có những ưu điểm của cả hai kiến trúc đó. phục vụ cho việc truyền hình ảnh thu thập được từ các Tất cả các UAV trong bầy đều có khả năng giống nhau UAV về GCS: các UAV liên tục thu thập dữ liệu về là thiết bị đầu cuối các nút và chức năng định tuyến. hình ảnh và xử lý on-board trong quá trình tác vụ, khi Luồng thông tin từ nút này sang nút khác có thể được phát hiện đám cháy thì hình ảnh đó sẽ được gửi về truyền khai khác nhau và bất kỳ UAV nào cũng có thể GCS thông qua UAV Leader. Như vậy, khối truyền là UAV- gateway. Kiến trúc mesh đã trở thành tiêu thông này không làm việc liên tục, mà chỉ làm việc khi chuẩn cho các hệ thống liên lạc UAV bầy đàn. cần thiết, do vậy hệ thống tiết giảm được năng lượng Trong bài toán giám sát, cảnh báo cháy rừng tiêu thụ trong quá trình làm việc. với môi trường rừng, núi nhấp nhô, khả năng bao phủ sóng điện thoại di động kém, đường truyền từ các UAV IV. KẾT LUẬN đến trạm điều khiển mặt đất GCS dễ bị che chắn làm Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất giải pháp giảm khả năng truyền thông. Do vậy, kiến trúc mạng truyền thông giữa các cá thể trong bầy UAV với nhau tùy biến kết hợp mạng thông tin di động GSM là không và giữa từng cá thể UAV với trạm quản lý mặt đất để phù hợp. giám sát và thu thập dữ liệu cảnh báo cháy rừng. Mặc Kiến trúc truyền thông toàn bộ hệ thống được dù vậy bài báo mới dừng lại về mặt lý thuyết chưa đề xuất thể hiện trong sơ đồ cấu trúc tổng thể hệ thống được kiểm định bằng thực nghiệm, đây sẽ là hướng trên hình 14. Trong đó: phát triển tiếp theo của nghiên cứu. - Mạng kết nối giữa các UAV trong bầy được thiết lập là loại mạng Mesh giúp hệ thống hoạt động tin cậy, bất TÀI LIỆU THAM KHẢO kỳ UAV nào trong bầy tách ra hoặc UAV bổ sung vào [1] Choo, S. H. and H. M. Amin, Shamsudin and Fisal, N. and bầy thì hệ thống tự động thiết lập lại mạng kết nối để Yeong, C. F. and Abu Bakar, “Bluetooth transceivers for full duplex communications in mobile robots”, Journal Teknologi hệ thống vẫn tiếp tục thực hiện mục tiêu. (37D). pp. 19-30. ISSN 0127-9696, 2002. - Bất kỳ UAV Follower nào cũng có tiềm năng trở [2] J.T. McClain, B.J. Wimpey, D.H. Barnhard, and W.D. Potter, thành UAV Leader: Khi UAV Leader gặp trở ngại, bầy “Distributed Robotic Target Acquisition using Bluetooth đàn UAV sẽ tự động thiết lập lại để đưa một UAV Communication”, ACMSE Huntsville, Alabama, USA, 2004. Follower trở thành UAV Leader để thực hiện điều phối [3] Robert Faludi, "Building Wireless Sensor Networks”, ISBN: 978-0-596-80773-3, 2011. bầy đàn cũng như kết nối với trạm. [4] Xi Chen, Jun Tang, Songyang Lao, “Review of Unmanned - Do hệ thống hoạt động ở khu vực đồi núi, rừng rậm Aerial Vehicle Swarm Communication Architectures and nên dễ bị che chắn tầm nhìn giữa bầy đàn UAV đến Routing Protocols”, Applied Sciences, MDPI, 2020. GCS, vì vậy để đảm bảo việc truyền thông được duy [5] Mitch Campion, Prakash Ranganathan, and Saleh Faruque, “A trì, vị trí của UAV Leader sẽ được bố trí ở độ cao sao Review and Future Directions of UAV Swarm Communication cho không bị che khuất từ trạm. Architectures”, 978-1-5386-5398-2/18/$31.00 ©2018 IEEE. Về cấu trúc phần cứng, để đảm bảo việc truyền thông được tin cậy, vùng hoạt động lớn và đặc biệt là ISBN 978-604-80-7468-5 275

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.