Utilize este identificador para referenciar este registo: https://hdl.handle.net/10216/137293
Autor(es): Rui Miguel Santos Carvalho
Título: ROS2-based Architecture for MAV Data Sensing
Data de publicação: 2021-10-14
Resumo: Micro Aerial Vehicles (MAV) are a flexible and low-cost platform for performing airborne sensor measurements. Their small size and high maneuverability in tri-dimensional space makes them particularly efficient in indoor scenarios. However, integration of said devices in larger, more complex Industrial Internet of Things (IIoT) architectures can cause what can be deemed as an "interoperability challenge" due to the different communication protocols used in these systems and the critical resource-constrained nature of MAVs. In this dissertation, we propose an end-to-end sensing architecture based on the Robot Operating System 2 (ROS2) framework to solve this challenge. In this regard, as the MAVs are not capable of running the desktop version of ROS2, we use micro-ROS, a stripped-down version of ROS2 which was specifically designed to run on resource-constrained devices by using eProsima Micro XRCE-DDS as its middleware. The usage of this middleware allows the MAVs to be seamlessy integrated in the ROS2/DDS world and therefore communicate and cooperate with other ROS2-enabled devices including a ground station, other sensors and even cloud-based nodes. Furthermore, a custom Micro XRCE-DDS agent was developed to use CRTP, the proprietary transport protocol of the MAVs used, the Crazyflies 2.1 quadcopters. As an example use-case we have integrated an Indoor Air Quality (IAQ) sensor on-board the MAVs, to perform measurements in user-provided waypoints which can be used for both monitoring and localization of airborne contaminants. Additionally, we have developed a missionplanning algorithm based on the Multiple Depot Multiple Travelling Salesmen problem that can optimize the total mission time by taking into account not only the distance between sensing waypoints but also the time needed to perform the measurement. Validation of the architecture was done by performing real-world experiments in a "test arena" which showed that the MAVs were capable of successfully performing sensing missions and interact with other devices by leveraging the ROS2 framework. Furthermore, we have performed a preliminary evaluation of the communication performance which showed that although the usage of micro-ROS and our custom agent can cause a considerable latency overhead, the framework can still be viable for sensing applications and the interoperability and flexibility it offers make it a powerful framework for embedded robotic sensing systems.
Descrição: Os Micro Aerial Vehicles (MAV) são uma plataforma flexível e de baixo-custo para executar medições sensoriais. A sua pequena escala e alta mobilidade em um espaço tridimensional tornamlos particularmente eficientes em cenários indoor. No entanto, a sua integração em arquiteturas industriais, maiores e mais complexas, pode causar o que se pode denominar de "um desafio de interoperabilidade" devido aos diferentes protocolos de comunicação usados e à natureza crítica com poucos recursos dos MAVs. Nesta dissertação, propõe-se um arquitectura de ponta a ponta baseada na framework Robot Operating System 2 (ROS2) para resolver este desafio. Neste contexto, como os MAVs utilizados não são computacionalmente capazes de correr a versão Desktop do ROS2, utilizou-se o microROS, uma versão reduzida do ROS2 desenvolvida com o intuito de ser utilizada em sistemas embarcados com baixos recursos. Esta funcionalidade é possibilitada pela utilização do eProsima Micro XRCE-DDS, um middleware que permite a fácil integração destes dispositivos no mundo ROS2/DDS e possibilita a comunicação e integração com outros dispositivos ROS2 incluindo uma ground station, outros sensores e até nós remotos em serviços Cloud. Adicionalmente, um agente Micro XRCE-DDS customizado foi desenvolvido para a utilização do CRTP, o protocolo de transporte proprietário utilizado pelos MAVs escolhidos para este projeto, os Crazyflie 2.1. Como caso de uso exemplo, integrou-se um sensor de qualidade do ar a bordo do MAV, de forma a executar medições em pontos específicos, podendo ser utilizado para a monitorização ou localização de substancias nefastas no ar. Adicionalmente, desenvolveu-se um algoritmo de planeamento de missões baseado no problema do Multiple Depot Multiple Travelling Salesmen que permite a optimização do tempo total da missão através de não só a distancia entre pontos mas também o tempo necessário para fazer a medição. A validação da arquitectura foi feita através de testes reais na "arena de teste" que mostraram que os MAVs são capazes de executar missões com sucesso enquanto publicam medições e interagem com outros sistemas através de ROS2. Além disso, uma avaliação do sistema de comunicação foi levada a cabo que mostrou que apesar da utilização do micro-ROS e o agente customizado poder causar um acréscimo considerável a nível de latência, os resultados mostram que a framework ainda pode ser viável para aplicações sensoriais e a interoperabilidade e flexibilidade que providencia torna-a uma framwork poderosa em sistemas sensoriais róboticos embarcados.
Assunto: Engenharia electrotécnica, electrónica e informática
Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering
Áreas do conhecimento: Ciências da engenharia e tecnologias::Engenharia electrotécnica, electrónica e informática
Engineering and technology::Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering
DOI: 10.34626/z5q6-nb64
Identificador TID: 202827828
URI: https://hdl.handle.net/10216/137293
Tipo de Documento: Dissertação
Condições de Acesso: openAccess
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