Development of a new system to control and monitor ground vehicles using heterogeneous mobile networks

Abstract

The Unmanned Vehicle Systems (UVS) are growing in large proportions and are an emerging technology but there are some limitations that still need to be overcome in order to get the best effectiveness. One of the limitations is the reception area for vehicle operation. Most vehicles operate in line-of-sight (LOS). A very significant improvement would be to allow behind line-of-sight (BLOS) operation via wireless networks. This thesis proposes to overcome this difficulties using wireless networks: Wi-Fi and third generation (3G) and fourth generation (4G) of mobile networks to operate an Unmanned Ground Vehicle (UGV), also called a rover. This way, the vehicle will not have a theoretical range operation, turning into a vehicle operated in BLOS. This thesis also includes the study of the reliability and efficiency of wireless heterogeneous networks solution for UGVs operation in real time. As prove of concept for described objectives, an Unmanned Ground System (UGS) was developed. This system is capable of control and monitoring multiple vehicles through wireless networks: Wi-Fi, 3G and 4G mobile networks. The communication between the vehicle and the operator is made through a ground control station (GCS), an Android application running on a mobile device. Its aim is to centralize all the information from the vehicle(s). Present on the vehicle is a Raspberry Pi (RPI) acting like a proxy, thus enabling the communication between the GCS application and the UGV’s board controller, the Ardupilot Mega (APM). The RPI receives telemetry from APMviaMicro Air Vehicle Communication Protocol (MAVLink) and captures video through an external camera and sends it all to the GCS. In order to evaluate the system performance, several tests were done for data collection, namely values of network latency, bitrate, packet error ratio (PER) and signal strength varying with speed, altitude and location of the vehicle.

Os Unmanned Vehicle Systems (UVS) estão em crescimento exponencial e, como tecnologia emergente, existem algumas limitações que necessitam de ser ultrapassadas de modo a obter uma maior eficácia dos mesmos. Um bom exemplo é o raio de alcance para operação do veículo. Como muitos operam em Line-of-Sight (LOS), uma melhoria significativa seria passar a operá--lo Behind Line-of-Sight (BLOS). Esta dissertação tem como objectivo ultrapassar esta limitação, recorrendo a redes sem fios: Wi-Fi e 3ª (3G) e 4ª geração (4G) de redes móveis para operar um Unmanned Ground Vehicle (UGV), também chamado rover. Desta forma o veículo não terá, teoricamente, um limite de alcance no seu manuseamento. Esta tese também inclui o estudo da fiabilidade e eficácia da solução das redes sem-fios heterogéneas para operar um UGV em tempo real. Como prova de conceito foi desenvolvido um Unmanned Ground System (UGS). Este tem capacidade de controlar e monitorizar múltiplos veículos através das redes sem-fios: Wi-Fi e redes móveis 3G e 4G. A comunicação entre o veículo e operação é estabelecida através de uma Ground Control Station (GCS), nada mais que uma aplicação desenvolvida no sistema operativo Android, executada num dispositivo móvel. No veículo está presente um Raspberry Pi (RPI) a actuar como um proxy, permitindo o estabelecimento da ligação entre a GCS e a placa de controlo do veículo, um Ardupilot Mega (APM). O RPI recebe telemetria vinda do APM através do protocolo de comunicação Micro Air Vehicle Link (MAVLink), captura vídeo através de uma câmara e envia ambos para a GCS. Por forma a avaliar a performance do sistema, foram executados vários testes para recolha de dados como: latência de rede, ritmo binário, Packet Error Ratio (PER) e potência de sinal. Este foram analisados com a variação da velocidade, altitude e localização do veículo.