O desafio de coordenar vários robôs na lua

As estruturas são um componente crítico, embora subestimado, de qualquer missão de exploração espacial. Eles podem variar desde a arquitetura geral da missão, capturando objetivos científicos e técnicos, até a estrutura das mensagens enviadas entre dois componentes internos do sistema.

Uma das estruturas mais interessantes que está recebendo muita atenção na comunidade de exploração espacial é a interação de vários robôs para um único objetivo, conhecido como sistema de robôs múltiplos, ou MRS. Além disso, uma das estruturas mais comuns para robôs na Terra ou no espaço é o sistema operacional de robô de código aberto (ROS), que é comumente usado para executar tudo, desde aspiradoras de pó a pó a caminhões de mineração gigantes.

Sua iteração mais recente, Ros2, ainda usa mais uma estrutura, conhecida como middleware, para lidar com aspectos da comunicação de robôs, como dados de rede e embalagem. No entanto, existem muitos trabalhos médios diferentes para escolher para o ROS2; portanto, uma equipe de pesquisadores da Universidade do Luxemburgo decidiu tentar escolher um que seria melhor para aplicativos de exploração planetária.

O apelo de ter vários robôs rastejando pela lua, explorando enquanto conversando um com o outro, é óbvio. No entanto, a praticidade desse sistema ainda está longe da realidade.

O candidato mais provável a essa solução é um sistema de rede conhecido como rede de malha. Uma rede tradicional possui um hub central com o qual todos os diferentes sub-nodos conversam, que lida com o processamento e interfaces intensivos em dados necessários para manter a rede operando.

Por outro lado, uma rede de malha permite que cada nó converse um com o outro sem precisar de um hub central. Possui muitas vantagens, como a estabilidade, se um dos nós diminuir e a flexibilidade encontrando a maneira mais rápida de obter dados de um nó para outro. No entanto, ele tem as desvantagens de ser mais intensivo computacionalmente para cada nó individual e lento em comparação com o modelo tradicional mais direto.

Mas, dadas as mudanças na rede que um conjunto móvel de robôs experimentaria ao explorar mundos extraterrestres, a malha parece ser a melhor estratégia.

Em um Journal of Intelligent & Robotic Systems Papel, os pesquisadores decidiram examinar três diferentes utensílios médios do ROS2 para ver como lidariam com uma rede de malha semelhante a uma que experimentariam em uma missão lunar.

Os três meios médios eram FASTDDs, o middleware padrão mais comum, Cyclonedds, especializado no envio de mensagens grandes e Zenoh, especializado em lidar com redes instáveis. O DDS em nome dos dois primeiros representa o serviço de distribuição de dados, um protocolo comum para o middleware que permite que o ROS2 interave com uma “camada de rede”, no idioma dos modelos de engenharia.

Medir o desempenho de cada middleware envolveria o cálculo de cinco variáveis: se todos os robôs poderiam ou não ser alcançados, quanta despesas gerais a rede utiliza, quanto tempo leva para uma mensagem atingir um alvo pretendido e a utilização geral da CPU e RAM do robô. Cada métrica captura parte do que torna uma rede utilizável, especialmente no espaço profundo.

Para testar as diferentes estruturas, os autores configuram um experimento da vida real. Ainda assim, em vez de explorar a lua, eles criaram uma senhora para explorar o ambiente urbano em torno de sua universidade. A MRS consistia em um lander, dois rovers e uma antena estática. Um dos rovers se afastaria dos outros membros gradualmente ao longo do experimento, e as métricas de rede seriam capturadas continuamente em uma variedade de tamanhos de mensagem.

Eles descobriram que o Zenoh funcionou melhor com a confiabilidade da rede, a sobrecarga de dados e o atraso, embora tenha usado um pouco mais de energia computacional (reconhecidamente de uma base baixa). Essa plataforma parece funcionar bem em ambientes de exploração espacial, embora grandes mensagens traçando o sistema, independentemente da estrutura usada, ainda fosse um problema.

No geral, o experimento descrito no artigo é um passo para coordenar robôs que funcionam em conjunto em outro mundo. Se a primeira Sra. Operando na Lua ou Marte usará Zenoh ou outra estrutura, será apenas uma questão de tempo até que algum sistema de rede, provavelmente uma malha, esteja em vigor em outro mundo.