Flight mission-based service orchestration

Abstract

UAVs are going through a swift growth. Their roots are military, but with new regulations and becoming more accessible, their use is expanding to multiple fields. They come as tiny and cheaper alternatives to helicopters when it comes to media uses. They can go anywhere the weather conditions and their sizes allow. Their deployment is easy and immediate, as is the case of multi-rotor drones because they only require a place of the size of their footprint to land and take off. UAVs are gaining traction to provide emergency services or to support emergency infrastructures. In this scenario they are used to deploy a plenitude of services, such as video streaming, communications access points, sensor gathering. All these services need to be maintained as a mission progresses. There is, however, a separation between the management of these services, and the system that controls the drones and their mission, so the maintenance of the services is done through manual processes. The services are deployed manually while not being tied to the mission that a drone is executing. This lack of synchronization leads to more time being wasted prepping the services, with the deployments having to be done manually. Therefore, in order to automate this process, we aim to bridge these systems together. This dissertation focus on bridging the service management side with an already existing mission planning framework, that allows the control of a fleet of drones. The service management is made possible by creating a Kubernetes cluster where the nodes executing the services are the drones. This solution allows automatic deployment of services/applications as declared in a mission script, and migrates them when needed. Through the creation of an intermediary entity we were able to allow the control framework to interact with the Kubernetes cluster. We tested the performance and the cost of the system, while also analysing the behaviour of it during the various steps of the implemented functionalities. We conclude that it allows for the automatic deployment and migration of the services, without introducing downtime, and that the introduction of this system did not put any strain on the hardware resources used.

Os UAVs estão a passar por um crescimento rápido. Com origem em atividades de cariz militar, os UAVs estão cada vez mais presentes no nosso dia-a-dia, para diversos fins, justificado sobretudo pela facilidade de aquisição e da sua regulamentação. Eles podem ir para qualquer lugar desde que as condições metereológicas e o seu tamanho o permitam. Para além disso, a colocação no terreno é fácil e imediata pois precisam apenas de uma área equivalente ao tamanho da sua pegada para pousar e descolar (no caso de drones multi-rotor). Um exemplo disso é a sua utilização para fins de entretenimento ou jornalísticos por se aparesentarem como alternativas mais pequenas e mais baratas aos tradicionais helicópteros. Outro exemplo passa pela sua utilização em cenários de emergência para complementar infraestruturas de auxílio. Neste cenário eles são usados para disponibilizar um grande conjunto de serviços, tais como transmissão de vídeo, pontos de acesso de comunicações, recolha de informação de sensores. Todos estes serviços precisam de ser preservados ao longo do progresso de uma missão. Existe, no entanto, uma separação entre os sistemas de gestão destes serviços, e o sistema de controlo dos UAVs, e das suas missões. A manutenção e o provisionamento destes serviços é feita através de processos manuais. Os serviços são dissociados da missão que os UAVs estão a executar, e esta falta de sincronização leva a que mais tempo seja desperdiçado para preparar e manter estes serviços. Por isso, de forma a automatizar estes processos, esta dissertação pretende ligar estes sistemas num só. Esta dissertação foca-se em fazer a ponte entre a gestão de serviços e uma estrutura de planeamento de missões existente, que permite o controlo de uma frota de drones. A gestão de serviços é possível através da criação de um cluster Kubernetes onde os nós em que os serviços são executados são os próprios drones. Esta solução permite a criação automática de serviços/aplicações conforme declarado num script de missão e faz migração automática e preventiva. Através da criação de uma entidade intermediária, o sistema é capaz de interligar o sistema de gestão dos drones com o cluster Kubernetes. O desempenho do sistema foi testado, ao mesmo tempo que era analisado o seu comportamento durante os vários estágios da sua execução. No fim concluiu-se que este sistema permite o deployment e a migração automática dos serviços e/ou aplicações, sem introduzir tempo de inatividade, e que a introdução deste sistema não coloca stress adicional no hardware utilizado.