A Self-Organized Unmanned Aerial Message Ferrying System

Simon, Tobias GND

Message Ferrying mit kontrollierter Mobilität ist ein vielversprechender Ansatz zur effizienten und autonomen Erzeugung transienter Konnektivität zwischen ansonsten nicht verbundenen Netzwerkknoten. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen selbstorganisierten Algorithmus zur Mobilitätssteuerung einer UAV-basierten Datenfähre ohne Long-Range Signalisierung zu entwickeln und in einem realen System zu demonstrieren. Die Fähre kann durch den Nachrichtenaustausch mit einem Knoten lokales Wissen erwerben und entscheiden, welcher der nächste zu besuchende Knoten ist. Das als Grundlage für diese Arbeit entwickelte Systemmodell reduziert die Komplexität des Zustandsraumes eines Message Ferrying Netzes, indem Zustandsübergänge nur nach einem Kontakt zwischen Knoten und Fähre entstehen können. Hierdurch wird ermöglicht, die optimale obere Grenze für die Leistungsfähigkeit der Fähre zu identifizieren. Basierend auf diesen Untersuchungen schlägt diese Arbeit einen selbstorganisierten Algorithmus namens SOFCOM (Self-Organized Ferrying using Controlled Mobility) zur Fähren-Entscheidungsfindung vor. SOFCOM erlaubt nicht nur einen effizienten Transport gleichberechtigter Nachrichten, sondern auch eine feingranuläre Berücksichtigung von Nachrichten- und Knotenprioritäten. Im Vergleich zu TSP-basierten Ansätzen zeigt sich, dass SOFCOM eine geringere durchschnittliche Nachrichtenverzögerung erzielen kann, obwohl nur lokale Entscheidungen getroffen werden. Detaillierte Untersuchungen der Fährentrajektorien liefern Aufschluss über emergente Eigenschaften des Algorithmus, wie z.B. die Imitation zyklischer Routen, Fairness beim Knotenbesuch, Reaktion auf Lastumschaltung und implizite Koordination mehrerer Fähren. Zur Validierung von SOFCOM im Außeneinsatz präsentiert diese Arbeit ein Testsystem namens SOFAR (Self-Organized Ferrying using Airborne Robots), welches aus 5 Netbooks und einem UAV besteht. Die zugrundeliegende UAV Plattform namens ARCADE (Airborne Robot for Communication and Autonomy in Disaster Environments) verfügt über eine universelle, Linux-basierte Softwarearchitektur, die eine Implementierung verschiedener Funktionen in getrennten Adressräumen und auf verschiedenen CPU-Cores erlaubt. Outdoor-Experimente mit SOFAR zeigen, dass die reale Leistungsfähigkeit den Simulationsergebnissen vergleichbar nahe kommt, wobei Modellungenauigkeiten berücksichtig werden müssen.

Mobility-controlled message ferrying is a promising approach to efficiently and autonomously establish transient connectivity among otherwise disconnected network nodes. The goal of this thesis is to develop a self-organized mobility control algorithm for a UAV-based message ferry and to demonstrate the applicability of this algorithm in a real-world system. To handle this problem, the ferry decides for the next node after it has exchanged messages with the current node, and thus gains knowledge through local observations. The provided system model reduces the complexity of the state space of message ferrying network drastically by allowing a state transition to appear only at the end of a ferry-node contact. This allows to compute an optimal upper bound for the ferry performance. Based on these investigations, this thesis proposes a self-organized algorithm for ferry mobility control, which is called SOFCOM (Self-Organized Ferrying using Controller Mobility). Besides efficiently transporting equally important messages, the algorithm also supports fine-grained handling of message and node priorities. In comparison to TSP-based based approaches, SOFCOM shows a comparable performance, although only local decisions are carried out. Detailed analysis of ferry trajectories deliver insights about emergent properties of the algorithm, for example quasi-cyclic ferry routes, fairness of node visiting, reaction to switching load, as well as implicit coordination among multiple ferries. To validate SOFCOM in outdoor scenarios, this work presents a test system called SOFAR (Self-Organized Ferrying using Airborne Robots), which consists of 5 Netbooks and one UAV. The underlying UAV platform called ARCADE (Airborne Robots for Communication and Autonomy in Disaster Environments) features a universal Linux-based software architecture implementing different functions in distinct address spaces. Outdoor experiments with ARCADE/SOFAR show that the performance of simulation and experiment are comparable, but modeling inaccuracies have to be taken into account.

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Simon, Tobias: A Self-Organized Unmanned Aerial Message Ferrying System. 2015.

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