Service-oriented architecture for the Internet of unmanned vehicles
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2021-09-10
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Resumo
The evolution of networks like 5G enables and promotes the migration of common applications to the cloud to provide them as widely accessible services from anytime, anywhere. Services that would require a long time to understand, use and master are becoming as transparent as possible to the users, that tend to focus only on the final goals. At the same time, unmanned vehicles (UV) are replacing the counterpart manned vehicles mostly in dangerous and difficult tasks. An analysis of the market opportunity and forecasts reveals that UVs’ value is highly increasing within the next years. Initially created for military purposes to avoid human losses and improve stealth capabilities, nowadays UV are also used for other commercial, social, and recreational purposes, such as surveillance, multimedia, and agriculture. UVs can operate on ground (UGV), underwater (UUV), on water surface (USV), and on air (UAV). Combining services with the advantages of the unmanned vehicles (UV), from the unmanned factor to the reduced size and costs, this thesis meets the opportunity to bring to users a wide variety of services supported by UV. For such, the goals of this thesis were to perform an analysis of the UVs market, their historical evolution, and the application areas in which they add value. Afterwards, the standards and protocols, and existing service-oriented solutions were analyzed, minding the proposal and evaluation of a new distributed and scalable solution, for multiple vehicle types, users, and services. Fulfilling these goals, this thesis presents an overview of the opportunity to combine cloudbased solutions and UV through the Internet of Unmanned Vehicles (IoUV). In IoUV, different types of services may be provided (Anything as a Service – XaaS), depending on the level of abstraction and requirements. Services may provide direct access to vehicles’ resources for maximum abstraction (e.g., temperature sensor values), to applications that provide services that use UV as support, to the control and monitoring of single vehicles or to the management fleets. Through the research about existing service-oriented UV solutions, they are either: 1) focused on solving a particular problem, with multiple/cooperative UVs; 2) creating platforms/frameworks to integrate different applications and vehicles through APIs/SDKs. Through the discussion of these solutions, considerations for the creation of new solutions are made. Concerns about UV are also discussed, from safety, security, and ethical perspectives, along with a discussion of the regulations created to overcome these challenges. The research performed provided the knowledge required to create the proposal presented in this thesis, which consists in a solution that combines several services and UVs, available from anywhere at any time, from a cloud platform. The solution considers a cloud distributed architecture, generic and scalable, composed by users, services, vehicles, and a platform, interconnected through the Internet. Each vehicle provides to the platform an abstract and generic interface for its commands and functionalities through the Unmanned Vehicle as a Service approach. Therefore, this modular design makes easier the creation of new services and the reuse of the different vehicles. To confirm the feasibility of the solution, a prototype was built considering a cloud-hosted platform and the integration of custom-built small-sized cars, a custom-built quadcopter, and a commercial Vertical Take-Off and Landing (VTOL) aircraft. To validate the prototype and the vehicles’ remote control, several services were created, all accessible via a web browser and controlled through a computer keyboard. The solution was tested in a local network, remote networks, and mobile networks (i.e., 3G and Long-Term Evolution (LTE)) and proved the benefits of decentralizing the communications into multiple point-to-point links for the remote control. The proposed distributed architecture was subject to a study of a specific use-case, in the smart agriculture field, for automatic and autonomous tasks procedures: the process of harvesting tomatoes with an IoUV solution that is meant to improve the processes of mapping areas and collecting fruits. Through the modular and cooperative design, ground vehicles, aerial vehicles, a coordination platform, and a harvesting platform were designed together as an autonomous ecosystem that finds ripened fruits, picks, and collects them. Considering the proposal and the prototype, the main contribution resides in the proposed IoUV architecture that can provide scalable UV-based services, with low technical effort, for anyone at anytime and anywhere. The UVaaS approach allows the integration of various vehicle types in different applications, with a reduced development effort, and thus promote the creation and dissemination of new IoUV-based services.
A evolução das redes de comunicação, tal como o 5G, permite e promove a migração de aplicações comuns para a cloud, para que sejam disponibilizadas através de serviços acessíveis a qualquer momento, a partir de qualquer local. Os serviços que habitualmente exigiam longos períodos temporais para compreender, utilizar e dominar, estão a tornar-se o mais transparente possível para os utilizadores, que tendem a focar-se apenas nos seus objetivos finais. Em simultâneo, os veículos não tripulados (VNT) substituem os veículos tripulados sobretudo nas tarefas mais perigosas e árduas. A análise da oportunidade de mercado e previsões revela que o valor dos VNTs irá continuar a aumentar dentro dos próximos anos. Inicialmente criados para fins militares, para evitar perdas humanas e melhorar as capacidades furtivas, atualmente os VNTs são também utilizados para outros fins comerciais, sociais e recreativos, tais como vigilância, multimédia e agricultura. Os VNT podem operar no solo (Veículo Terrestre Não Tripulado – VTNT), debaixo de água (Veículo Subaquático Não Tripulado – VSNT), na superfície da água (Veículo de Superfície Não Tripulado – VSNT) e no ar (Veículo Aéreo Não Tripulado – VANT). De acordo com as vantagens da disponibilização de serviços e VNT, pelo facto de não serem tripulados e representarem tamanho e custos económicos reduzidos, este estudo vai de encontro à oportunidade de fornecer aos utilizadores uma variedade de serviços suportados por VNT. Para tal, os objetivos desta tese passaram por analisar o mercado dos VNT, a sua evolução histórica e as áreas de aplicação onde representam mais-valias para os seus utilizadores. Posteriormente, foram também analisados os standards e protocolos e soluções orientadas a serviços já existentes, com o objetivo de propor e avaliar uma nova solução distribuída e expansível para diversos tipos de veículos, utilizadores e serviços. Cumpridos estes objetivos, esta tese apresenta uma visão sobre a oportunidade de combinar soluções baseadas na cloud e os VNTs através da Internet dos Veículos Não Tripulados. Na Internet dos Veículos Não Tripulados, é possível fornecer diferentes tipos de serviços (Anything as a Service – XaaS), dependendo do nível de abstração e requisitos necessários. Os serviços podem fornecer acesso direto aos recursos dos veículos, para máxima abstração (ex., valores de sensores de temperatura), a aplicações que fornecem serviços que utilizam VNTs como suporte, ao controlo e monitorização de VNTs ou à gestão de frotas de veículos. Através da pesquisa sobre soluções de VNTs orientadas a serviços, conclui-se que são focadas em: 1) resolver um problema em particular, com vários VNTs a cooperar; 2) criar plataformas/frameworks que permitam integrar diferentes aplicações e veículos através de APIs/SDKs. Ao longo da discussão destas soluções são levantadas considerações para a criação de novas soluções nesta área. Os desafios acerca da utilização de VNTs são também discutidos na perspetiva de segurança e ética, assim como é efetuada uma discussão sobre as regulamentações que foram criadas para mitigar estas questões. A pesquisa efetuada permitiu adquirir o conhecimento necessário para a realização da proposta efetuada nesta tese, que consiste numa solução que combina diferentes serviços e VNTs, disponíveis a partir de qualquer lugar, a qualquer momento, através de uma plataforma na cloud. A solução considera uma arquitetura distribuída, genérica e escalável, alojada na cloud, composta por uma plataforma, utilizadores, serviços, veículos e a própria plataforma, interligados através da Internet. Cada veículo fornece à plataforma uma interface genérica e abstrata para os seus comandos e funcionalidades, de uma perspetiva de Veículo Não Tripulado como um Serviço (Unmanned Vehicle as a Service – UVaaS). Assim, este desenho modular promove a criação de novos serviços e a reutilização destes veículos noutras áreas de aplicação. De modo a confirmar a viabilidade da solução, foi construído um protótipo que considera uma plataforma alojada na cloud e a integração de automóveis de pequeno-porte, construídos à medida, um quadcóptero customizado e uma aeronave comercial do tipo Vertical Take-Off and Landing (VTOL). Para validar o protótipo e o controlo remoto dos veículos, foram criados diferentes serviços, acessíveis através de um navegador da Internet, e controlados através de um teclado de computador. A solução foi testada numa rede local, redes remotas, e redes móveis (i.e., 3G e Long-Term Evolution (LTE)), e foram comprovadas as vantagens de descentralizar as comunicações através de múltiplos canais de comunicação ponto a ponto para o controlo remoto. A arquitetura distribuída proposta foi sujeita a um estudo de um caso de uso específico, na área da agricultura inteligente, com a execução de tarefas automáticas e autónomas: o processo de colheita de tomates através de uma solução de Internet de Veículos Não Tripulados, que pretende melhorar os processos de mapeamento de áreas e colheita dos frutos. Através de um desenho modular e cooperativo, foram definidos veículos terrestres, veículos aéreos, uma plataforma de coordenação e uma plataforma de colheita, que formam um ecossistema autónomo que localiza frutos em um estado de maturação adequado para a colheita, destaca-os das plantas e recolhe-os. Tendo em consideração a proposta, o protótipo e a avaliação, a principal contribuição desta tese reside na arquitetura para a Internet dos Veículos Não Tripulados, que permite fornecer serviços escaláveis baseados em VNTs, com baixos esforços técnicos, para os diversos utilizadores, a qualquer momento e a partir de qualquer lugar. A abordagem de adotar veículos como serviços (UVaaS) permite integrar os mais variados tipos de veículos em diferentes aplicações, com um esforço de desenvolvimento reduzido, e assim promover a criação e disseminação de serviços assentes na Internet dos Veículos Não Tripulados.
A evolução das redes de comunicação, tal como o 5G, permite e promove a migração de aplicações comuns para a cloud, para que sejam disponibilizadas através de serviços acessíveis a qualquer momento, a partir de qualquer local. Os serviços que habitualmente exigiam longos períodos temporais para compreender, utilizar e dominar, estão a tornar-se o mais transparente possível para os utilizadores, que tendem a focar-se apenas nos seus objetivos finais. Em simultâneo, os veículos não tripulados (VNT) substituem os veículos tripulados sobretudo nas tarefas mais perigosas e árduas. A análise da oportunidade de mercado e previsões revela que o valor dos VNTs irá continuar a aumentar dentro dos próximos anos. Inicialmente criados para fins militares, para evitar perdas humanas e melhorar as capacidades furtivas, atualmente os VNTs são também utilizados para outros fins comerciais, sociais e recreativos, tais como vigilância, multimédia e agricultura. Os VNT podem operar no solo (Veículo Terrestre Não Tripulado – VTNT), debaixo de água (Veículo Subaquático Não Tripulado – VSNT), na superfície da água (Veículo de Superfície Não Tripulado – VSNT) e no ar (Veículo Aéreo Não Tripulado – VANT). De acordo com as vantagens da disponibilização de serviços e VNT, pelo facto de não serem tripulados e representarem tamanho e custos económicos reduzidos, este estudo vai de encontro à oportunidade de fornecer aos utilizadores uma variedade de serviços suportados por VNT. Para tal, os objetivos desta tese passaram por analisar o mercado dos VNT, a sua evolução histórica e as áreas de aplicação onde representam mais-valias para os seus utilizadores. Posteriormente, foram também analisados os standards e protocolos e soluções orientadas a serviços já existentes, com o objetivo de propor e avaliar uma nova solução distribuída e expansível para diversos tipos de veículos, utilizadores e serviços. Cumpridos estes objetivos, esta tese apresenta uma visão sobre a oportunidade de combinar soluções baseadas na cloud e os VNTs através da Internet dos Veículos Não Tripulados. Na Internet dos Veículos Não Tripulados, é possível fornecer diferentes tipos de serviços (Anything as a Service – XaaS), dependendo do nível de abstração e requisitos necessários. Os serviços podem fornecer acesso direto aos recursos dos veículos, para máxima abstração (ex., valores de sensores de temperatura), a aplicações que fornecem serviços que utilizam VNTs como suporte, ao controlo e monitorização de VNTs ou à gestão de frotas de veículos. Através da pesquisa sobre soluções de VNTs orientadas a serviços, conclui-se que são focadas em: 1) resolver um problema em particular, com vários VNTs a cooperar; 2) criar plataformas/frameworks que permitam integrar diferentes aplicações e veículos através de APIs/SDKs. Ao longo da discussão destas soluções são levantadas considerações para a criação de novas soluções nesta área. Os desafios acerca da utilização de VNTs são também discutidos na perspetiva de segurança e ética, assim como é efetuada uma discussão sobre as regulamentações que foram criadas para mitigar estas questões. A pesquisa efetuada permitiu adquirir o conhecimento necessário para a realização da proposta efetuada nesta tese, que consiste numa solução que combina diferentes serviços e VNTs, disponíveis a partir de qualquer lugar, a qualquer momento, através de uma plataforma na cloud. A solução considera uma arquitetura distribuída, genérica e escalável, alojada na cloud, composta por uma plataforma, utilizadores, serviços, veículos e a própria plataforma, interligados através da Internet. Cada veículo fornece à plataforma uma interface genérica e abstrata para os seus comandos e funcionalidades, de uma perspetiva de Veículo Não Tripulado como um Serviço (Unmanned Vehicle as a Service – UVaaS). Assim, este desenho modular promove a criação de novos serviços e a reutilização destes veículos noutras áreas de aplicação. De modo a confirmar a viabilidade da solução, foi construído um protótipo que considera uma plataforma alojada na cloud e a integração de automóveis de pequeno-porte, construídos à medida, um quadcóptero customizado e uma aeronave comercial do tipo Vertical Take-Off and Landing (VTOL). Para validar o protótipo e o controlo remoto dos veículos, foram criados diferentes serviços, acessíveis através de um navegador da Internet, e controlados através de um teclado de computador. A solução foi testada numa rede local, redes remotas, e redes móveis (i.e., 3G e Long-Term Evolution (LTE)), e foram comprovadas as vantagens de descentralizar as comunicações através de múltiplos canais de comunicação ponto a ponto para o controlo remoto. A arquitetura distribuída proposta foi sujeita a um estudo de um caso de uso específico, na área da agricultura inteligente, com a execução de tarefas automáticas e autónomas: o processo de colheita de tomates através de uma solução de Internet de Veículos Não Tripulados, que pretende melhorar os processos de mapeamento de áreas e colheita dos frutos. Através de um desenho modular e cooperativo, foram definidos veículos terrestres, veículos aéreos, uma plataforma de coordenação e uma plataforma de colheita, que formam um ecossistema autónomo que localiza frutos em um estado de maturação adequado para a colheita, destaca-os das plantas e recolhe-os. Tendo em consideração a proposta, o protótipo e a avaliação, a principal contribuição desta tese reside na arquitetura para a Internet dos Veículos Não Tripulados, que permite fornecer serviços escaláveis baseados em VNTs, com baixos esforços técnicos, para os diversos utilizadores, a qualquer momento e a partir de qualquer lugar. A abordagem de adotar veículos como serviços (UVaaS) permite integrar os mais variados tipos de veículos em diferentes aplicações, com um esforço de desenvolvimento reduzido, e assim promover a criação e disseminação de serviços assentes na Internet dos Veículos Não Tripulados.
Descrição
Doctoral Thesis in Informatics Submitted to the University of Trás-os-Montes and Alto Douro in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Informatics
Palavras-chave
centralized services , cloud platform