Programming Abstractions for Nano-drone Teams

141 Pages·2015·2.34 MB·English

POLITECNICO DI MILANO
ScuoladiIngegneriaIndustrialeedell’Informazione
CorsodiLaureaMagistraleinIngegneriaInformatica
DipartimentodiElettronicaInformazioneeBioingegneria
Programming Abstractions
for Nano-drone Teams
Relatore: Prof. Luca Mottola
Correlatore: Mikhail Afanasov
Tesi di Laurea di:
Manuel Belgioioso, matricola 804149
Alberto Cardellini, matricola 818246
Anno Accademico 2014-2015

Allenostrefamiglie.
III
IV
Abstract
Drone-teamsprogrammingisrapidlyexpandingsinceitallowstoautomatically
performalotofusefultasks. Existingsystemsareabletomanageagroupofdrones
and dispatching them in the environment. All these systems deal with outdoor
applications,wheremedium/bigsizeddronescollaborativelyperformtasksmaking
useoftheGlobalPositioningSystem(GPS)tonavigateinthespace. Wewantto
deal with the indoor context, and no one of the existing system is fully suitable
for it. Indeed, theindoor contextimplies applicationswith different requirements
comparedtotheoutdoorones: thereisneedforasmallnumberofdrones(5/10),
each one performing a different action independently from the others, while in
the outdoor environment generally there is need for a large number of drones to
perform the same action. To address this problem, we propose the concept of
Trip, that is nothing but a movement of a drone from a point A to a point B at
theendofwhichanaction(picture,measurementetc.) canbeperformed. Noone
oftheexistingprogrammingsystemsprovidestheconceptofTrip. Furthermore
the second important goal is to make the system autonomous in the choice of
the drone to allocate for each Trip. This means that the user does not need to
take this important decision. We propose the Pluto programming framework as
asolution totheseproblems. It consists oftwo maincomponents: theGraphical
Editor and the Main Application. With the former a programmer can build an
application by simply connecting functional blocks. Each block implements a
precise functionality, for example there is one that chooses the drones to assign
toeach sensingtask,one that managesthepriority ofthesensingtasks etc. Then,
throughthe"Generatecode"command,thePlutoGraphicalEditorgeneratesthe
source code of the second main component, the Pluto Main Application. The
final user uses this generated Pluto Main Application to define and execute the
sensing tasks. The key strength of our programming framework is its scalable
architecture,inwhichthecentralbrainisindependentfromtheparticularnavigation
V
API, which means that the system manages the dispatching of drones and their
failuresindependentlyofthespecificnavigationalgorithm. WeevaluatedthePluto
programming framework by proposing its use toreal testers andasking them for
a feedback. Moreover we measured its software and hardware performance and
alsotried toimplementsome existingapplicationswith it. After theevaluation we
noticedthat,evenifwithsomelimits,Plutocouldreallysimplifythedevelopingof
drone-teamsapplications.
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Sommario
Laprogrammazionediteamdidronièinrapidaespansione,inquantopermette
dieseguireinmanieraautomaticaungrannumerodiazioniutili. Isistemiesistenti
sono in grado di gestire un gruppo di droni e farli navigare nell’ambiente. Tutti
questisistemitrattanoapplicazionioutdoor,nellequalidronididimensionemedio
/ grande collaborano insieme per svolgere varie azioni, utilizzando il sistema di po-
sizionamentoglobale(GPS)pernavigarenellospazio. Ilnostroobbiettivoèquello
di affrontare il contesto indoor, e nessuno dei sistemi esistenti è completamente
adattoperesso. Infatti,ilcontestoindoorimplicalosviluppodiapplicazionicon
requisitidifferentirispettoaquellooutdoor: c’èbisognodiunpiccolonumerodi
droni(5/10),ciascunocheeseguaun’azionediversa,indipendentementedatuttigli
altri,mentreinambienteoutdoorgeneralmentec’èbisognodiungrannumerodi
droni che eseguano la stessa azione. Per risolvere questo problema proponiamo
ilconcettodiTrip,chenonèaltrocheunmovimentodiundronedaunpuntoA
ad un punto B al termine del quale viene eseguita un’azione (scatto di una foto,
misurazionediunagrandezzafisicaecc.). Nessunodeimodellidiprogrammazione
esistenti fornisce il concetto di Trip. Inoltre, il secondo obiettivo importante è
quellodirendereilsistemaautonomonellasceltadeldronedaassegnareadogni
Trip. Ciò significa che l’utente non deve prendere questa importante decisione.
Per rispondere a tutti questi problemi, abbiamo sviluppato il framework di pro-
grammazionePluto. Plutohaduecomponentiprincipali: ilGraphicalEditorela
MainApplication. Conilprimo,unprogrammatorepuòcostruireun’applicazione
semplicemente collegando dei blocchi funzionali. Ogni blocco implementa una
funzionalità precisa, per esempio ce n’è uno che sceglie i droni da assegnare a
ciascun Trip, un altro che gestisce la priorità dei Trip ecc. Quindi, grazie alla
funzionalitàdigenerazionedelcodice,ilPlutoGraphicalEditorgenerailcodice
sorgentedelsecondocomponenteprincipale,laPlutoMainApplication. L’utente
finaleutilizzaquestaMainApplicationperdefinireedeseguireicompitinell’am-
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biente. Il punto di forza del nostro framework è la sua architettura scalabile che
lo rende indipendente dalle API di navigazione utilizzate. Ciò significa che il
sistemaècapacedigestirel’inviodeidronieilorofallimentiindipendentemente
dall’algoritmodinavigazionespecifico. Abbiamotestatol’utilizzodelframework
diprogrammazionePluto,proponendonel’usoadeitesterrealiechiedendoloro
un feedback. Inoltre abbiamo misurato le prestazioni software e hardware ed
abbiamocercatodiimplementareconessoalcuneapplicazionirealmenteesistenti.
Grazie alla fase di valutazione, abbiamo notato che, anche se è caratterizzato da
alcunilimiti,Plutorisultaunostrumentoutilealfinedisemplificarelosviluppodi
applicazioniperteamdidroni.
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Acknowledgements
Itisapleasuretothankthosewhomadethisthesispossiblewithadvices,critics
andobservations.
WewouldliketothankoursupervisorProf. LucaMottolaandourmentorMikhail
Afanasov: withouttheirhelpandsupport,thisthesiswouldnothavebeenpossible.
We would like to thank Prof. Thiemo Voigt, who kindly let us developing part
of this work at SICS Swedish ICT and all the colleagues who have greeted and
helped us during the three months in Sweden, in particular Simon Duquennoy,
LiamMcNamara,JoelHöglundandNiklasWirström.
Weoweourdeepestgratitudetoourfamiliesandfriendsforthecontinuoussupport
duringtheseyearsatuniversity.
Finally, we would like to thank one with the other for having lived together this
experience.
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