Проект направлен на экспериментальную проверку и количественную характеризацию режимов передачи данных в контуре «надводный беспилотный аппарат — ситуационный центр» применительно к задаче экологического мониторинга акватории. Результаты ориентированы на наполнение эмпирическими данными разрабатываемого стандарта по направлению «межмодульная связь и телеметрия» — в части требований к организации телеметрийного канала и распределению обработки данных между бортовым и центральным сегментами беспилотной надводной системы.

Сценарий. Группа из одного-трёх надводных дронов проводит мониторинг акватории с целью обнаружения и локализации плавающего мусора и скоплений загрязнений. Эксперимент разворачивается в открытой среде моделирования VRX (Virtual RobotX) + Gazebo + ROS 2 и сравнивает два режима организации передачи данных: режим централизованной обработки, при котором дрон передаёт в ситуационный центр сырой видеопоток и телеметрию, а детекция объектов выполняется на стороне центра; и режим бортовой обработки (edge), при котором детекция выполняется на борту дрона, а в центр передаются только координаты, класс и достоверность обнаруженных объектов и сжатая телеметрия, тогда как сырые данные передаются по запросу оператора.

Цель

Количественно определить компромисс между нагрузкой на канал связи, точностью детекции и задержкой при переносе обработки данных с центрального сегмента на борт надводного дрона-экомонитора, и подтвердить, что бортовая edge-обработка (детекция плавающего мусора на борту с передачей в ситуационный центр только координат, класса и достоверности объектов вместо сырого видео) снижает требуемую полосу канала связи не менее чем на порядок при приемлемой, эмпирически измеряемой деградации точности.

Задачи

• Развернуть в среде VRX + Gazebo + ROS 2 сценарий экологического мониторинга акватории: группа из одного-трёх надводных дронов, набор плавающих объектов-загрязнений, бортовой нейросетевой детектор.
• Реализовать и сравнить два режима передачи данных в ситуационный центр: передачу сырого видеопотока с телеметрией и бортовую edge-детекцию с передачей только координат, класса и достоверности обнаруженных объектов.
• Измерить в обоих режимах занимаемую полосу канала связи, сквозную задержку от съёмки до появления объекта в центре, точность детекции и энергопотребление бортового вычислителя.
• Оценить точность локализации загрязнений при слиянии наблюдений двух дронов с разных ракурсов в сравнении с одиночным аппаратом.
• Сформировать протокол виртуальных испытаний с данными, привязанными к разделу стандарта по межмодульной связи и телеметрии, открытое программное обеспечение и описание форматов сообщений обмена, и подготовить сценарий к натурному воспроизведению.

Тип применения дрона

Экологический — мониторинг акватории, обнаружение и локализация плавающего мусора и скоплений загрязнений, с перспективой расширения на обнаружение нефтяной плёнки и разливов нефтепродуктов.

Проверяемая гипотеза

Перенос детекции объектов на борт дрона вместо передачи сырого видеопотока в ситуационный центр снижает требуемую полосу канала связи на порядок — с величины порядка 25 Мбит/с до величины порядка 2 Мбит/с. Ожидается, что деградация точности детекции при этом не превысит 5–8 процентных пунктов (на наземных робототехнических комплексах в аналогичной постановке зафиксировано падение в пределах 3 процентных пунктов), а сквозная задержка появления объекта в центре составит не более 400 мс. Сочетание этих характеристик обеспечивает работоспособность телеметрийного контура надводного дрона на каналах связи с ограниченной пропускной способностью.

Планируемые данные

Занимаемая полоса канала связи в обоих режимах передачи; сквозная задержка от съёмки до появления объекта в центре с разбивкой по этапам цепочки; точность детекции (Precision, Recall) и средняя квадратичная ошибка локализации объектов для одиночного аппарата и при слиянии данных двух дронов; энергопотребление бортового вычислителя на цикл детекции; форматы и структура сообщений межмодульного обмена в ROS 2 (типы сообщений, частота, объём); логи телеметрии и обнаружений. Эти параметры образуют основу для нормативного описания телеметрийного контура: допустимые режимы передачи, требования к полосе и задержке, структура сообщений обмена «борт — СЦ». Архитектура допускает наращивание промежуточного уровня агрегации для масштабирования группы свыше трёх аппаратов; в рамках настоящего эксперимента проверяется базовая двухуровневая схема «борт — СЦ».

Бортовая полезная нагрузка (вычислитель с детектором, камера) размещается на штатной платформе МРТК в пределах допустимых массогабаритных характеристик (до 180 кг полезной нагрузки), что обеспечивает прямую переносимость результатов виртуального эксперимента на натурный.

Вклад в стандарт

По итогам эксперимента формируется протокол виртуальных испытаний с измеренными значениями указанных параметров, открытое программное обеспечение (модули бортовой детекции и адаптеры приёма данных) и описание используемых форматов сообщений. Эти материалы могут лечь в основу раздела стандарта по межмодульной связи и телеметрии, определяющего типовые режимы распределения обработки между бортом и центром, требования к полосе и задержке телеметрийного канала для разных режимов, а также рекомендуемую структуру сообщений обмена обнаружениями и телеметрией для надводных беспилотных систем. Методика опирается на результаты, полученные авторским коллективом на наземных робототехнических комплексах в среде ROS 2/Gazebo, где сравнение режимов передачи показало сокращение трафика более чем в 13 раз при падении точности детекции в пределах 3 процентных пунктов; настоящий проект переносит и верифицирует эту методику в морском домене на платформе VRX.

Акватория для натурных испытаний

Натурный эксперимент опирается на серийную платформу — мобильный морской робототехнический комплекс МРТК «Катамаран гидрографический» (АО «НПП ПТ "ОКЕАНОС"»): безэкипажное плавучее средство катамаранного типа с грузоподъёмностью полезной нагрузки до 180 кг, автономностью циклами не менее 48 часов, режимом автоматического движения по заранее заданной миссии и работоспособностью при волнении до 2 баллов. Наличие готовой платформы с возможностью оперативного размещения целевой полезной нагрузки (бортовой вычислитель, камера) снимает риск необеспеченности натурного этапа.

Акватория уточняется по согласованию с организацией-партнёром; рассматривается возможность проведения на закрытой акватории. Регион - Ленинградская область.

На страницу проекта