Drónrajokkal ma már épülő nagyberuházások haladását lehet ellenőrizni, tengeri szélfarmokat lehet bejárni, vagy akár természeti katasztrófák után túlélőket lehet keresni. A civil alkalmazásokban eddig jellemzően egy közös probléma merült fel: a rajban repülő drónok kommunikációja a legtöbb esetben egy központi node-on, jellemzően egy mobilmaszton keresztül zajlik. Az erlangeni Fraunhofer Institute for Integrated Circuits (IIS) kutatói ezen a ponton léptek be egy decentralizált, mesh-alapú alternatívával.
Mi a baj a csillag-topológiával?
A jelenleg elterjedt megoldásokban a rajban lévő drónok mobilhálózaton kapcsolódnak egy központi infrastruktúrához, és ezen az egyetlen csomóponton keresztül érik el egymást – ez tipikus csillag-topológia. A probléma akkor jelentkezik, ha ez a központi pont kiesik, például egy természeti katasztrófa következtében megsérül a bázisstáció. Ebben az esetben a raj elveszti a belső kommunikációs csatornáját, és nem tud tovább kooperatívan működni – ami egy túlélőket kereső mentési feladat esetén közvetlen, súlyos következményekkel jár.
A megoldás: decentralizált mesh-hálózat Bluetooth-on
A Fraunhofer IIS Communications Systems divíziójának csapata, Manuel Schrauth vezetésével, egy mobil ad hoc mesh-hálózatot fejleszt, amelyben a drónok egymással decentralizáltan, akár Bluetooth-on keresztül is kommunikálnak. Ez azt jelenti, hogy az adatcsere a rajon belül nem egy központi csomóponton, hanem szükség esetén több közbenső node-on át, lépésről lépésre zajlik. A gyakorlati előny szembetűnő: a drónok akkor is tudnak egymással kommunikálni, ha külső hálózati kapcsolat egyáltalán nem áll rendelkezésre – ami azért is fontos, mert a Föld felszínének csak egy töredékét fedi le megbízható mobilhálózat.
Hasonló, erősen dinamikus decentralizált hálózatok korábban főként a katonai szektorban léteztek, ahol a technológia drága, nagy méretű, és kizárólag nehéz drónok hordozására alkalmas. Az ultra-alacsony fogyasztású szegmensben eddig nem volt elérhető megfelelő mesh-megoldás. A Bluetooth-alapú kapcsolat miatt a Fraunhofer fejlesztése rendkívül költséghatékony és energiatakarékos, ezért éppen a civil alkalmazásokban megszokott kicsi, könnyű drónokhoz illeszthető.
Keselyűktől a drónrajokig: a GAIA-projekt öröksége
Az ultra-energiahatékony ad hoc mesh-hálózatok ötlete a GAIA-kezdeményezés keretében futó projektekből nőtt ki. Schrauth és csapata egy interdiszciplináris konzorciummal együtt namíbiai keselyűk műholdas nyomkövetésén dolgozott, amelyhez olyan eszközöket fejlesztettek, amelyek decentralizáltan tudnak kommunikálni egymással. Ez a megoldás teszi lehetővé a kutatóknak, hogy az állatok viselkedését elemezve következtetéseket vonjanak le a környezeti változásokról is. A csapat most ezt a tudást alkalmazza a drónrajok hálózatba kötésére, egy táblázat-alapú rendszer formájában.
Hogyan találják meg egymást a node-ok?
Az egyes drónok node-ként funkcionálva rendszeres időközönként úgynevezett heartbeat-üzeneteket, szaknyelven advertisement-eket küldenek. Ez lényegében ugyanaz a mechanizmus, mint amikor egy Bluetooth-eszköz párosításra kész állapotban jelez a környezetének. Amint két node észleli egymást, frissítik a saját táblázatukat azokról az eszközökről, amelyeket azonosítottak. Ha ez a folyamat néhány másodpercenkénti gyakorisággal történik, a hálózatról fokozatosan egy majdnem teljes áttekintés épül fel – miközben minden egyes node csak részleges, lokális információval rendelkezik.
Az adatcsomag így fokozatosan terjed végig a hálózaton: ha az első node a hetedik node-ot keresi, akkor az információt először a legközelebbi pontnak, a második node-nak adja át, amely továbbadja a harmadiknak, és így tovább. A csomag ezáltal node-ról node-ra ugorva éri el a célpontját, a szükséges útvonalinformáció pedig iteratív módon, lépésenként áll össze.
Mire jó ez a gyakorlatban?
A felhasználó szempontjából a rajon belüli kommunikáció végeredményben egy egyszerű pont-pont kapcsolatnak fog tűnni, függetlenül attól, hogy a háttérben hány node-on keresztül halad át az adat. Az új technológia jövőbeli alkalmazásai között szerepel, hogy több drón automatikusan felszálljon egy dokkoló egységből, és a mesh-hálózaton belül előre meghatározott formációba rendeződjön – ezzel kibővítve a raj hatótávolságát, és a különböző technikai képességeiket kombinálva akár egy háromdimenziós térbeli térkép felépítésére is alkalmassá tehetők.
A kutatók a technológia működőképességét eddig szimulációban igazolták, a következő lépésben kereskedelmi hardverre kívánják átültetni a megoldást. Jelenleg laborkísérletek folynak Bluetooth-eszközökkel, amelyek a hálózat több node-ján keresztül dolgozzák fel az adatokat. A projektcsoport a technológia prototípusát a tervek szerint jövőre mutatja be – az első eredményeket pedig idén az ILA berlini repülőkiállításon ismertetik.
Mérnöki tanulság
Ez a fejlesztés jó illusztrációja annak, hogy egy korábban csak drága, nehéz katonai rendszerekben elérhető hálózati architektúrát (decentralizált, multi-hop mesh) hogyan lehet leskálázni ultra-alacsony fogyasztású, kis hatótávú rádiós kapcsolatra (Bluetooth) úgy, hogy az civil, könnyű drónokon is futtatható maradjon. A táblázat-alapú útválasztás, a heartbeat-mechanizmus és a hop-by-hop adatterjedés mind olyan, elosztott rendszerekből ismert alapelv, amit itt egy konkrét, légi robotikai problémára adaptáltak – ráadásul egy teljesen más területről, a vadon élő állatok nyomkövetéséből átemelve.
Forrás: Innovation From Above: How Mesh Networks Help Control Drone Swarms
Kép: Manuel Schrauth (jobbra) és csapata az ILA Berlin Air Show-n mutatja be a technológia kezdeti eredményeit; fotó: Fraunhofer IIS / Manuel Schrauth
