Novo algoritmo de ‘policial de trânsito’ ajuda um enxame de drones a permanecer na tarefa

Quão atualizados são seus dados? Para drones que procuram uma zona de desastre ou robôs que inspecionam um edifício, trabalhar com os dados mais recentes é fundamental para localizar um sobrevivente ou relatar um perigo potencial. Mas quando vários robôs transmitem simultaneamente informações sensíveis ao tempo em uma rede sem fio, pode ocorrer um engarrafamento de dados. Qualquer informação que chega é muito obsoleta para ser considerada um relatório útil em tempo real.

Agora, os engenheiros do MIT podem ter uma solução. Eles desenvolveram um método para adaptar qualquer rede sem fio para lidar com uma alta carga de dados sensíveis ao tempo provenientes de várias fontes. Sua nova abordagem, chamada WiSwarm, configura uma rede sem fio para controlar o fluxo de informações de várias fontes, garantindo que a rede transmita os dados mais recentes.

A equipe usou seu método para ajustar um roteador Wi-Fi convencional e mostrou que a rede personalizada poderia agir como um policial de trânsito eficiente, capaz de priorizar e retransmitir os dados mais recentes para manter vários drones de rastreamento de veículos na tarefa.

O método da equipe, que eles apresentarão em maio na Conferência Internacional sobre Comunicações de Computadores (INFOCOM) do IEEE, oferece uma maneira prática de vários robôs se comunicarem por meio de redes Wi-Fi disponíveis, para que não precisem realizar comunicações e processamentos volumosos e caros. hardware a bordo.

Os autores do estudo do MIT são Vishrant Tripathi, Ezra Tal, Muhammad Shahir Rahman, Alexander Warren, Sertac Karaman e Eytan Modiano do Laboratório de Sistemas de Informação e Decisão (LIDS), juntamente com Igor Kadota SM ’16, Ph.D. ’20 na Universidade de Columbia.

último da fila

A abordagem da equipe se afasta da maneira típica pela qual os robôs são projetados para comunicar dados.

“O que acontece na maioria dos protocolos de rede padrão é uma abordagem de primeiro a chegar, primeiro a ser servido”, explica Tripathi. “Entra um quadro de vídeo, você o processa. Entra outro, você processa. Mas se sua tarefa é sensível ao tempo, como tentar detectar onde está um objeto em movimento, então todos os quadros de vídeo antigos são inúteis. O que você deseja é o quadro de vídeo mais recente.”

Em teoria, uma abordagem alternativa de “último a entrar, primeiro a sair” poderia ajudar a manter os dados atualizados. O conceito é semelhante a um chef que prepara as entradas uma a uma, à medida que saem da linha. Se você quer o prato mais fresco, você quer o último que entrou na fila. O mesmo vale para os dados, se o que importa é a “era da informação” ou os dados mais atualizados.

“A idade da informação é uma nova métrica para atualização de informações que considera a latência do ponto de vista do aplicativo”, explica Modiano. “Por exemplo, a atualização das informações é importante para um veículo autônomo que depende de várias entradas de sensores. Um sensor que mede a proximidade de obstáculos para evitar colisões requer informações mais recentes do que um sensor que mede os níveis de combustível.”

A equipe procurou priorizar a idade da informação, incorporando um protocolo “último a entrar, primeiro a sair” para vários robôs trabalhando juntos em tarefas sensíveis ao tempo. Eles pretendiam fazer isso em redes sem fio convencionais, já que o Wi-Fi é difundido e não requer hardware de comunicação onboard volumoso para acessar.

No entanto, as redes sem fio apresentam uma grande desvantagem: elas são distribuídas por natureza e não priorizam o recebimento de dados de nenhuma fonte. Um canal sem fio pode entupir rapidamente quando várias fontes enviam dados simultaneamente. Mesmo com um protocolo “último a entrar, primeiro a sair”, ocorreriam colisões de dados. Em um exercício sensível ao tempo, o sistema quebraria.

Prioridade de dados

Como solução, a equipe desenvolveu o WiSwarm – um algoritmo de agendamento que pode ser executado em um computador centralizado e emparelhado com qualquer rede sem fio para gerenciar vários fluxos de dados e priorizar os dados mais recentes.

Em vez de tentar receber todos os pacotes de dados de todas as fontes em todos os momentos, o algoritmo determina qual fonte em uma rede deve enviar os dados a seguir. Essa fonte (um drone ou robô) então observaria um protocolo “último a entrar, primeiro a sair” para enviar seus dados mais recentes através da rede sem fio para um processador central.

O algoritmo determina qual fonte deve transmitir os dados a seguir avaliando três parâmetros: o peso geral de um drone ou prioridade (por exemplo, um drone que está rastreando um veículo rápido pode ter que atualizar com mais frequência e, portanto, teria maior prioridade sobre um rastreamento de drone um veículo mais lento); a idade da informação de um drone ou quanto tempo se passou desde que um drone enviou uma atualização; e a confiabilidade do canal de um drone ou a probabilidade de transmitir dados com sucesso.

Ao multiplicar esses três parâmetros para cada drone em um determinado momento, o algoritmo pode agendar drones para relatar atualizações por meio de uma rede sem fio, um de cada vez, sem entupir o sistema e de forma a fornecer os dados mais recentes para realizar com sucesso um horário. -tarefa sensível.

A equipe testou seu algoritmo com vários drones de rastreamento de mobilidade. Eles equiparam os drones voadores com uma pequena câmera e um chip de computador básico habilitado para Wi-Fi, que é usado para retransmitir imagens continuamente para um computador central, em vez de usar um volumoso sistema de computação a bordo. Eles programaram os drones para sobrevoar e seguir pequenos veículos se movendo aleatoriamente no solo.

Quando a equipe emparelhou a rede com seu algoritmo, o computador conseguiu receber as imagens mais recentes dos drones mais relevantes, que usou para enviar comandos de volta aos drones para mantê-los no caminho do veículo.

Quando os pesquisadores realizaram experimentos com dois drones, o método foi capaz de retransmitir dados duas vezes mais atualizados, o que resultou em um rastreamento seis vezes melhor, em comparação com quando os dois drones realizaram o mesmo experimento apenas com Wi-Fi. Quando eles expandiram o sistema para cinco drones e cinco veículos terrestres, o Wi-Fi sozinho não conseguiu acomodar o tráfego de dados mais pesado, e os drones rapidamente perderam o controle dos veículos terrestres. Com o WiSwarm, a rede ficou mais bem equipada e permitiu que todos os drones continuassem rastreando seus respectivos veículos.

“O nosso é o primeiro trabalho a mostrar que a era da informação pode funcionar para aplicações reais de robótica”, diz Tal.

Em um futuro próximo, drones baratos e ágeis poderiam trabalhar juntos e se comunicar por redes sem fio para realizar tarefas como inspecionar edifícios, campos agrícolas e parques eólicos e solares. Mais para o futuro, ele vê a abordagem como essencial para gerenciar o streaming de dados em cidades inteligentes.

“Imagine carros autônomos chegando a um cruzamento com um sensor que vê algo na esquina”, diz Karaman. “Qual carro deve obter esses dados primeiro? É um problema em que o tempo e a atualização dos dados são importantes.”

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.