Giải pháp truyền thông trong bầy UAV giám sát và cảnh báo cháy rừng

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

Giải Pháp Truyền Thông Trong Bầy UAV
Giám Sát Và Cảnh Báo Cháy Rừng
Lê Thị Thúy Nga
Khoa Điện – Điện Tử,
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Email:
trường phân tán như việc khám phá một khu vực mỏ,
trong nông nghiệp, trong quân sự, truy tìm vật thể bị
thất lạc, v.v. Điều này địi hỏi các tiêu chuẩn giao tiếp
là có phạm vi truyền thơng xa hơn.
Robot bầy đàn có thể hoạt động dưới mặt đất
hoặc trên không. UAV (Unmanned Aerial Vehicle phương tiện bay khơng người lái) là các thiết bị chính
để thực hiện các ứng dụng của robot bầy đàn ở trên
không.
Bài báo đề xuất giải pháp truyền thông giữa
các cá thể UAV với nhau và giữa từng UAV với trạm
mặt đất, ứng dụng vào công tác thám sát cháy rừng.

Abstract—Bài báo đề xuất giải pháp truyền thông trong
bầy UAV: mạng kết nối giữa các UAV trong bầy

được thiết lập là loại mạng Mesh, UAV Leader sẽ
kết nối với trạm điều khiển trung tâm dưới mặt đất
thơng qua sóng vơ tuyến.
Keywords- robot bầy đàn, UAV bầy đàn, giám sát cháy
rừng.

I.

GIỚI THIỆU

Robot bầy đàn - Swarm robot là Công nghệ chế
tạo robot lấy cảm hứng từ các lồi sinh vật trong tự
nhiên. Cơng nghệ này giúp các nhà nghiên cứu mơ
hình hóa hoạt động của robot thực hiện những nhiệm
vụ có ích như tìm kiếm vật bị thất lạc, làm sạch hoặc
làm gián điệp... Phần lớn những robot này đều tương
đối đơn giản, nhưng những hệ thống hoạt động của
chúng thường rất phức tạp. Tồn bộ các robot có thể
coi là một thể thống nhất. Vì vậy, ngay khi những robot
lớn hoạt động và huỷ nhiệm vụ thì robot bầy đàn vẫn
vận hành giám sát và thực hiện nhiệm vụ robot lớn đã
huỷ. Hành vi tập thể của bầy robot được thiết lập dựa
trên sự tương tác giữa các cá thể robot với nhau và giữa
các cá thể robot với mơi trường. Vì thế vấn đề truyền
thông giao tiếp trong bầy đàn là rất quan trọng. Trong
hành vi bầy đàn nhân tạo thường sử dụng truyền thông
không dây. Giải pháp lựa chọn phương thức truyền
thông giữa các cá thể robot với nhau và giữa các cá thể
robot với máy tính, với mơi trường phải dựa trên đặc
điểm của môi trường, yêu cầu nhiệm vụ của robot bầy
đàn. Nhưng chủ yếu đều là truyền thông không dây.
Đây là một yếu tố rất quan trọng trong việc điều khiển
robot bầy đàn. Một số biện pháp truyền thông là
Bluetooth, Wireless LAN, ZigBee, thông tin liên lạc
thông qua môi trường (stigmergy) hoặc như trong
trường hợp của Jasmine qua đèn LED hồng ngoại.
Giao tiếp trong nhà được sử dụng khi robot di
chuyển bên trong một tòa nhà chẳng hạn như trong các

nhà máy, kho hàng công nghiệp, bệnh viện, thư viện
v.v, loại truyền thơng địi hỏi nhiều năng lượng hơn để
đi thơng qua các bức tường của tịa nhà, tốc độ dữ liệu
thường cao và phạm vi truyền thông. Giao tiếp ngoài
trời được sử dụng khi robot di chuyển bên ngồi các
tịa nhà và cần phải được kiểm sốt trong một mơi

ISBN 978-604-80-7468-5

II.

CÁC GIAO THỨC TRUYỀN THƠNG THƠNG
DỤNG

a) Truyền thông qua stigmergy
Quan sát bầy trong tự nhiên, chúng ta sẽ sớm
nhận thấy, rằng những cá nhân đơn lẻ không giao tiếp
thông qua tin nhắn. Nhưng hiện một số hành vi tập thể,
các thành viên phải trao đổi thông tin một cách nào đó.
Điều này được thực hiện bởi một hiện tượng gọi là
stigmergy, có nghĩa là giao tiếp bằng cách thay đổi môi
trường. "Khái niệm về stigmergy đã được giới thiệu bởi
Pierre-Paul Grasse vào những năm 1950 để mô tả sự
truyền thông gián tiếp đang diễn ra giữa các cá nhân
trong bầy côn trùng. Kiến và mối phối hợp việc xây
dựng tổ của chúng bằng cách sử dụng các tổ mình để
trao đổi thơng tin. Để tìm đường đi ngắn nhất, các con
kiến đã thay đổi môi trường bằng cách đặt một số
pheromone trên đường nó. Các con kiến đi sau cứ đi
theo con đường có mùi khó chịu nhất và để lại

pheromone của nó trên con đường này một lần nữa,
những con kiến khác hợp tác và sau một thời, con
đường ngắn nhất đã được thiết lập. Thật không dễ dàng
để sử dụng phương pháp này trong bầy nhân tạo. Tạo
pheromone nhân tạo là gần như không thể vào lúc này
và không thể được xem như một cách nghiêm túc để
tạo ra hành vi bầy đàn. Vì thế trong robot bầy đàn
phương thức truyền thông này gần như không được áp
dụng.
b) Truyền thông qua tin nhắn
Do phương pháp truyền thông stigmergy trong
bầy đàn không hữu hiệu, nên chúng ta phải tìm một

272


Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)







cách khác để thông tin liên lạc giữa các robot với nhau.
Các robot có thể trao đổi thơng tin với nhau qua tin
nhắn? Các công nghệ phổ biến nhất cho việc gửi tin
nhắn từ robot để robot trong bầy là Bluetooth, mạng
LAN không dây hoặc hồng ngoại.
Giao tiếp hồng ngoại IR (Infrared):

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến hồng
ngoại dựa trên nguyên lý phản xạ và góc phản chiếu.
Cảm biến sẽ phát ra một tia ánh sáng hồng ngoại, nếu
khơng có vật thể, sẽ khơng có tia phản xạ trở về bộ thu.
Nếu có vật thể, tia IR sẽ đập vào vật thể cần đo rồi
phản xạ về cảm biến thu PSD sử dụng một mảng CCD
cỡ nhỏ. Tùy vào khoảng cách của vật, góc của tam giác
đo sẽ thay đổi, các mảng CCD có khả năng xác định
góc thu chính xác, từ đó xác định khoảng cách tới vật
thể dựa theo cơng thức về hệ thức lượng trong tam
giác. Có thể sử dụng cảm biến hồng ngoại để xác định
khoảng cách giữa các cá thể robot trong bầy và giữa
robot với các vật thể trong môi trường.
Ưu/nhược điểm của giao tiếp hồng ngoại IR:
- Đơn giản, dễ lắp láp và xử lý tín hiệu.
- Chỉ có thể xảy ra với khoảng cách ngắn và đúng
phạm vi quan sát của cảm biến.
- Không phân biệt được đặc điểm của vật.
Mặt khác chúng ta phải lưu ý, rằng ánh sáng mặt trời
và các nguồn sáng khác có thể làm nhiễu truyền thơng.
Giao tiếp qua mạng khơng dây Wireless LAN
Mạng khơng dây LAN có nhiều khả năng
được áp dụng trong robot bầy đàn, khối lượng dữ liệu
được truyền đi có thể rất lớn. Hay bị nhiễu bởi bức xạ
của các đơn vị khác. Wi-Fi cũng được gọi là tiêu chuẩn
(802,11) và mạng LAN không dây (WLAN) được sử
dụng để thông tin liên lạc trong nhà, phạm vi lên đến
100 mét và nhiều hơn nữa hơn trong trường hợp sử
dụng nhiều điểm truy cập, tốc độ dữ liệu có thể lên đến
54Mbps, cách thức giao tiếp này được sử dụng để

thu/phát liên tục nên tiêu tốn rất nhiều năng lượng, và
vi điều khiển là bộ não của robot sẽ không thể xử lý dữ
liệu tốc độ cao như vậy. Do đó, trong thực tế ít dùng
truyền thông bằng mạng LAN cho robot bầy đàn.
Giao tiếp qua Bluetooth
Kỹ thuật truyền Bluetooth có thể giải quyết
được một số nhược điểm của giao tiếp bằng hồng ngoại
và giao tiếp mạng LAN, liên quan đến quy mô và phạm
vi. Giao tiếp Bluetooth hoặc tiêu chuẩn ban đầu
(802.14.1) được phát triển cho thông tin liên lạc với các
thiết bị ngoại vi: giữa máy tính và máy in, điện thoại,
máy ảnh, mơ-đun GPS và tai nghe,…, khoảng cách
truyền thơng Bluetooth có thể từ 10 ÷ 100 mét trong
trường hợp lý tưởng, tốc độ dữ liệu lên đến 24Mbps, nó
có thể được sử dụng cho robot di chuyển cả trong nhà
và ngoài trời. Thu phát Bluetooth có thể được tích hợp
vào một Robot di động để thiết lập kết nối giữa một
robot và một máy chủ [1], trong đó một robot gọi là
"Aibot" đã được sử dụng và kiểm soát trong chế độ tập
trung từ một máy tính sử dụng chương trình Java. Một
cơng trình nghiên cứu khác sử dụng Bluetooth được

ISBN 978-604-80-7468-5

tìm thấy trong [2], một nền tảng Robot mới phát triển
được sử dụng trong phân tán robot bầy đàn.
 Giao tiếp ZigBee
Giao thức ZigBee sử dụng tiêu chuẩn cơ bản
IEEE 802.15.4, nó được thiết kế để xây dựng mạng
lưới khơng dây. Mạng được sử dụng khi khoảng cách

của hai nút là lớn hơn so với phạm vi giao tiếp của hai
nút, các nút khác ở giữa có thể làm việc như bộ định
tuyến trung gian để truyền lại thông điệp đến đích cuối
cùng. Giao thức ZigBee thêm ba điều sau đây để các
802.15.4 chuẩn [3]:
- Routing: bảng định tuyến cho phép các nút để vượt
qua thông điệp tới các nút xung quanh để đến đích.
- ad - hoc: xây dựng một mạng lưới mà khơng có sự
can thiệp của con người.
- Mạng lưới tự khắc phục lỗi: tự động phát hiện sự thất
bại và cấu hình lại mạng truyền thơng.
Các thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau có
thể giao tiếp với nhau nếu được thiết kế để hỗ trợ giao
thức ZigBee. Các thiết bị này gần đây thường sử dụng
vì những tính năng sau đây: cơng suất thấp tiêu thụ, tốc
độ dữ liệu thấp, chi phí thấp, số lượng lớn nút, khoảng
cách truyền thông xa hơn (hơn 1 km với XBee Pro),
thời gian trễ ngắn và độ tin cậy cao.
Các vấn đề cần lưu ý về truyền thông:
- Phạm vi truyền thông,
- Cấu trúc truyền thông,
- Băng thông,
- Môi trường,
- Độ dài tin nhắn,
- Lưu lượng dự phòng,
- Nhiễu truyền thơng,
- Truyền thơng di động,
- Kích thước của bầy,
- Bảo mật.
III. GIẢI PHÁP TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG

TRONG BẦY UAV THÁM SÁT CHÁY RỪNG
Truyền thơng đóng vai trị quan trọng trong
việc kiểm soát và điều phối UAV bầy đàn [4-5]. Kiến
trúc truyền thơng xác định hình thức về trao đổi thông
tin giữa các UAV với nhau hoặc giữa UAV với trung
tâm điều khiển. Trên thực tế, UAV bầy đàn là một tập
hợp các robot trên không hoạt động cùng nhau cho một
mục tiêu cụ thể, việc điều khiển UAV được điều khiển
từ xa qua thiết bị cầm tay hoặc tự điều khiển bởi bộ xử
lý trên các UAV (các UAV liên kết với nhau và đưa ra
chiến lược thực hiện), cả hai hoạt động này đều yêu cầu
hỗ trợ bởi việc truyền thơng. Ngồi ra, việc truyền
thơng với hiệu suất cao và tin cậy sẽ đóng vai trị quan
trọng đối với UAV bầy đàn, bao gồm các chiến lược
phối hợp, cộng tác, cơ chế kiểm soát, bảo mật, thuật
toán lập kế hoạch nhiệm vụ,… Với đặc điểm hoạt động
trên không, các phương thức truyền thông qua môi
trường hay sử dụng cảm biến là không hiệu quả so với
truyền thông tường minh qua mạng thơng tin. Đặc tính
của mạng thơng tin trong kết nối bày đàn là các nút

273


Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

mạng di động, đồng thời có thể xảy ra sự thêm, bớt nút
mạng nên mạng được chọn phải là mạng tùy biến (adhoc).
Mạng tùy biến không dây (Wireless ad-hoc
network) là một tập hợp gồm nhiều hơn một thiết

bị/nút mạng với khả năng nối mạng và giao tiếp không
dây với nhau mà không cần sự hỗ trợ của một sự quản
trị trung tâm nào. Mỗi nút trong một mạng tùy biến
không dây hoạt động vừa như một máy chủ (host) vừa
như một thiết bị định tuyến. Mạng loại này được gọi là
tùy biến (ad-hoc) vì mỗi nút đều sẵn sàng chuyển tiếp
dữ liệu cho các nút khác, và do đó việc quyết định xem
nút nào sẽ thực hiện việc chuyển tiếp dữ liệu được dựa
trên tình trạng kết nối của mạng. Điều này trái ngược
với các cơng nghệ mạng cũ hơn, mà trong đó nhiệm vụ
chuyển tiếp dữ liệu được thực hiện bởi một số nút
chuyên biệt, thường là có phần cứng đặc biệt và được
xếp thành các loại như thiết bị định tuyến, thiết bị
chuyển mạch, hub, tường lửa. Cấu hình tối thiểu và khả
năng triển khai nhanh chóng làm cho mạng tùy biến
khơng dây thích hợp cho các tình huống khẩn cấp như
các thảm họa, xung đột quân sự, cấp cứu y tế, v.v…
Các kiến trúc truyền thơng tùy biến điển hình như:
- Kiến trúc mạng tùy biến kết hợp mạng thông tin di
động GSM (hình 1):

Hình 2. Kiến trúc mạng tùy biến khơng sử dụng mạng thơng
tin di động

Có một số kiến trúc điển hình như: mạng tùy
biến đơn lẻ, mạng tùy biến đa nhóm và mạng tùy biến
đa lớp. Tùy thuộc vào quy mô và đặc thù khu vực ứng
dụng mà lựa chọn loại phù hợp. Trong khuôn khổ của
bài báo, áp dụng kiến trúc mạng tùy biến đơn lẻ là phù
hợp: các UAV trong bầy đàn kết nối truyền thông với

nhau, việc kết nối truyền thông với trạm điều khiển mặt
đất GCS (Ground Control Station) thông qua một UAV
cụ thể trong bầy đàn.
Các UAV giao tiếp với nhau thông qua module
truyền thông với công suất nhỏ và khoảng cách ngắn
giúp tiết kiệm chi phí, trọng lượng nhẹ và năng lượng
tiêu thụ là thấp. Với việc truyền thông từ UAV đến
GCS sử dụng module truyền thơng có cơng suất cao,
khoảng cách truyền thông lớn để mở rộng khả năng về
phạm vi hoạt động của hệ thống.
Việc tổ chức mạng kết nối giữa các UAV trong
bầy có thể được thực hiện theo 3 cách: kiến trúc Ring,
kiến trúc Star và kiến trúc Mesh (tương ứng như trên
hình 3)

Hình 1. Kiến trúc mạng tùy biến kết hợp mạng thông tin di
động GSM

Công nghệ di động đã phát triển đến 5G, do vậy
việc truyền dữ liệu từ các UAV về trung tâm được thực
hiện với tốc độ cao – theo thời gian thực, hệ thống trở
lên linh động, vùng hoạt động của bầy đàn UAV là
khơng giới hạn trong tồn bộ khu vực có vùng phủ
mạng điện thoại
- Kiến trúc khơng sử dụng truyền thơng qua sóng điện
thoại GSM (hình 2):

Hình 3. Các kiến trúc mạng chính để liên kết các UAV trong
bầy

- Kiến trúc dạng Ring: UAV trong kiến trúc vòng tạo
thành một vịng lặp giao tiếp thơng qua kết nối hai
chiều. Bất kỳ UAV nào cũng có thể hoạt động như một
nút gateway để truyền thông với GCS. Khi kiên kết

ISBN 978-604-80-7468-5

274


Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

tối giản năng lượng đối với khâu truyền thơng thì tại
mỗi UAV và tại GCS được thiết kế 02 loại module thu
phát vô tuyến:
+ Khối thu phát loại nhỏ - có cơng suất thấp, tốc độ
truyền thơng trung bình, tần số sóng hoạt động 410Mhz
- 441Mhz: phục vụ cho mạng thông tin nội bộ của bầy
đàn UAV. Đây là mạng thông tin quan trọng liên quan
đến việc điều khiển, giám sát và điều phối các UAV,
các thông tin truyền thông trong mạng này là ít nhưng
độ tin cậy địi hỏi cao.
+ Khối thu phát loại lớn – có cơng suất cao, tốc độ
truyền thơng lớn, tần số sóng hoạt động là 2.4GHz,
phục vụ cho việc truyền hình ảnh thu thập được từ các
UAV về GCS: các UAV liên tục thu thập dữ liệu về
hình ảnh và xử lý on-board trong quá trình tác vụ, khi
phát hiện đám cháy thì hình ảnh đó sẽ được gửi về
GCS thông qua UAV Leader. Như vậy, khối truyền
thông này không làm việc liên tục, mà chỉ làm việc khi

cần thiết, do vậy hệ thống tiết giảm được năng lượng
tiêu thụ trong quá trình làm việc.

trực tiếp giữa 2 nút liền kề khơng thành cơng UAV
mục tiêu có thể liên kết lại thơng qua vịng lặp truyền
thơng. Do vậy mà kiến trúc dạng ring có tính ổn định
nhất định và thiếu khả năng mở rộng.
- Kiến trúc dạng Star: các UAV được tổ chức theo hình
thức dạng sao, UAV ở giữa đóng vai trị là gateway sẽ
giao tiếp với tất cả các UAV trong bầy và giao tiếp với
GCS, kiến trúc dạng sao này sẽ làm cho các UAV khác
giảm bớt công việc thực hiện về truyền thông, tuy
nhiên khi UAV – gateway bị lỗi thì tồn bộ hệ thống sẽ
mất kết nối.
- Kiến trúc dạng Mesh: là sự kết hợp của kiến trúc ring
và star và có những ưu điểm của cả hai kiến trúc đó.
Tất cả các UAV trong bầy đều có khả năng giống nhau
là thiết bị đầu cuối các nút và chức năng định tuyến.
Luồng thơng tin từ nút này sang nút khác có thể được
truyền khai khác nhau và bất kỳ UAV nào cũng có thể
là UAV- gateway. Kiến trúc mesh đã trở thành tiêu
chuẩn cho các hệ thống liên lạc UAV bầy đàn.
Trong bài tốn giám sát, cảnh báo cháy rừng
với mơi trường rừng, núi nhấp nhơ, khả năng bao phủ
sóng điện thoại di động kém, đường truyền từ các UAV
đến trạm điều khiển mặt đất GCS dễ bị che chắn làm
giảm khả năng truyền thông. Do vậy, kiến trúc mạng
tùy biến kết hợp mạng thông tin di động GSM là không
phù hợp.
Kiến trúc truyền thơng tồn bộ hệ thống được

đề xuất thể hiện trong sơ đồ cấu trúc tổng thể hệ thống
trên hình 14. Trong đó:
- Mạng kết nối giữa các UAV trong bầy được thiết lập
là loại mạng Mesh giúp hệ thống hoạt động tin cậy, bất
kỳ UAV nào trong bầy tách ra hoặc UAV bổ sung vào
bầy thì hệ thống tự động thiết lập lại mạng kết nối để
hệ thống vẫn tiếp tục thực hiện mục tiêu.
- Bất kỳ UAV Follower nào cũng có tiềm năng trở
thành UAV Leader: Khi UAV Leader gặp trở ngại, bầy
đàn UAV sẽ tự động thiết lập lại để đưa một UAV
Follower trở thành UAV Leader để thực hiện điều phối
bầy đàn cũng như kết nối với trạm.
- Do hệ thống hoạt động ở khu vực đồi núi, rừng rậm
nên dễ bị che chắn tầm nhìn giữa bầy đàn UAV đến
GCS, vì vậy để đảm bảo việc truyền thơng được duy
trì, vị trí của UAV Leader sẽ được bố trí ở độ cao sao
cho không bị che khuất từ trạm.
Về cấu trúc phần cứng, để đảm bảo việc truyền
thông được tin cậy, vùng hoạt động lớn và đặc biệt là

ISBN 978-604-80-7468-5

IV.

KẾT LUẬN

Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất giải pháp
truyền thông giữa các cá thể trong bầy UAV với nhau
và giữa từng cá thể UAV với trạm quản lý mặt đất để
giám sát và thu thập dữ liệu cảnh báo cháy rừng. Mặc

dù vậy bài báo mới dừng lại về mặt lý thuyết chưa
được kiểm định bằng thực nghiệm, đây sẽ là hướng
phát triển tiếp theo của nghiên cứu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

[2]

[3]
[4]

[5]

275

Choo, S. H. and H. M. Amin, Shamsudin and Fisal, N. and
Yeong, C. F. and Abu Bakar, “Bluetooth transceivers for full
duplex communications in mobile robots”, Journal Teknologi
(37D). pp. 19-30. ISSN 0127-9696, 2002.
J.T. McClain, B.J. Wimpey, D.H. Barnhard, and W.D. Potter,
“Distributed Robotic Target Acquisition using Bluetooth
Communication”, ACMSE Huntsville, Alabama, USA, 2004.
Robert Faludi, "Building Wireless Sensor Networks”, ISBN:
978-0-596-80773-3, 2011.
Xi Chen, Jun Tang, Songyang Lao, “Review of Unmanned
Aerial Vehicle Swarm Communication Architectures and
Routing Protocols”, Applied Sciences, MDPI, 2020.
Mitch Campion, Prakash Ranganathan, and Saleh Faruque, “A
Review and Future Directions of UAV Swarm Communication
Architectures”, 978-1-5386-5398-2/18/$31.00 ©2018 IEEE.