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

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[.]

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