（检测技术与自动化装置专业论文）基于移动通信网的移动机器人遥操作系统.pdf

，。 ，。簟 二 一i ；i 1 1 1 11 11i i iii ii iii i iiiii y 17 5 9 0 9 2 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：二幺阻 日期：塑型 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 如，口弓i 占 基于移动通信网的移动机器人遥操作系统 摘要 基于i n t e m e t 的遥操作机器人前景光明，但是现阶段基于i n t e m e t 的遥操作机器人大部分处于科研阶段，应用到实际中的很少。i n t e m e t 的接入大部分采用双绞线接入或无线局域网接入的方式，存在控制范 围有限、接入价格高等缺点；控制器大多采用工控机、p c 机或笔记 本等来设计，存在耗电量大、体积大、控制器集成度低等缺点。这些 缺点限制了基于i n t e m e t 的遥操作控制在移动机器人领域的发展。 本论文将当今飞速发展的移动通信网引入到机器人遥操作控制 系统中，来克服上述缺点。本论文在分析移动通信网的网络性能基础 上，对基于移动通信网络的机器人遥操作系统进行了理论的研究和实 验验证，设计一种功能强大、耗电低、遥控范围广泛的遥操作移动机 器人系统。这种遥操作控制系统能够充分利用移动通信网高覆盖率的 优势，提供随时随地的用户接入和控制功能。 本论文首先针对遥操作系统的需求对移动通信网络进行测试，并 建立网络传输模型，在分析移动通信网络时延对遥操作控制系统影响 的基础上，采用基于事件的遥操作控制策略建立了系统遥操作控制和 网络传输模型。 本论文采用基于事件的遥操作控制策略，这种控制方式对遥操作 控制的实时性和流畅性有着较大的影响。为了减少这种影响，论文引 入基于局部路径规划的监督学习控制和基于全局路径规划的预测显 示控制来减小这种影响。本论文详细介绍了采用遗传算法( g a ) 完成全 局路径规划和采用矢量场矩形法) 完成局部路径规划的方法，然 后根据路径规划的特点对遗传算法的编码方式、适用度函数以及关键 遗传算子进行改进。 接着本论文详细介绍了一个遥操作控制和传输系统的实现过程。 主要包括系统硬件实现、网络控制系统实现、流媒体传输实现和客户 端控制软件系统的实现。 文章最后对基于移动通信网的遥操作系统进行了测试和仿真。测 试结果表明，本文设计的遥操作控制系统能够流畅的完成机器人的远 程控制；对全局路径规划和局部路径规划的仿真实验表明，采用路径 规划算法能够很好的解决基于事件的遥操作可能引发的运动不连贯 h ，易于根据不同的需求进行扩展， 际应用价值。 路径规划遗传算法v f h t e l e o p e a l t h o u g ht e l e o p e r a t i o nr o b o tb a s e do ni n t e r n e th a sab r o a dp r o s p e c t ， m o s to fw o r k sa r es t i l ld o n ew i t h i n l a b o r a t o r y t h e r e a r es o m e s h o r t c o m i n g sn e e d e dt oo v e r c o m eb e f o r ew i d e s p r e a du s e f i r s t l y , t h e c o n t r o l l e r so fr o b o ts u c ha si n d u s t r i a l c o m p u t e r , n o t e p a dh a v el o w i n t e g r a t i o n ，l a r g es i z ea n dc o n s u m eal o to fe l e c t r i c i t y ；s e c o n d l y , t h e i n t e m e ta c c e s sm e t h o d so fr o b o t ss u c ha st w i s t e d p a i ro rw i r e l e s sl a n w h i c hh a v es h o r tc o n t r o lr a n g ea n d h i g ha c c e s sp r i c e s ，h a v er e s t r a i n e dt h e d e v e l o p m e n t so ft e l e o p e r a t i o no fm o b i l er o b o t i c s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si n t ot h e r e m o t e o p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mt oo v e r c o m ea b o v es h o r t c o m i n g s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y z i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k , t h i sp a p e rd e s i g nap o w e r f u l ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，w i d e c o n t r o l r a n g et e l e o p e r a t i o ns y s t e ma f t e rt h e o r e t i c a l s t u d y a n d e x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n t h i st e l e o p e r a t i o ns y s t e mt a k e sf u l la d v a n t a g e o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，p r o v i d ea n y t i m e ，a n y w h e r ea c c e s sf o r u s e r so ft e l e o p e r a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rf i r s t l yd o e ss o m et e s t i n ga c c o r d i n gt ot h ed e m a n do f t e l e o p e r a t i o ns y s t e m a f t e ra n a l y z i n gt h ei m p a c to fn e t w o r kd e l a yt o t e l e o p e r a t i o n r o b o t s s y s t e m ，at e l e o p e r a t i o ns y s t e m c o n t r o la n d c o m m u n i c a t i o nm o d e lb a s eo ne v e n tm e c h a n i s ma r ee s t a b l i s h e d t e l e o p e r a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do ne v e n tm e c h a n i s m h a sab a d i m p a c to nt h ef l u e n c ya n dr e a l t i m eo fr e m o t eo p e r a t i o n i no r d e rt o r e d u c et h i si n f l u e n c e ，l o c a lp a t hp l a n n i n ga n dg l o b a lp a t hp l a n n i n ga r e a d d e dt ot h ea b o v et e l e o p e r a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rf i r s td e s c r i b e sh o w t ou s eg e n e t i ca l g o r i t h m s ( g a ) t of u l f i l lg l o b a lp a t hp l a n n i n ga n dt h e n d o e ss o m ei m p r o v e m e n t si n e n c o d i n g ，a p p l i c a b l ed e g r e ef u n c t i o na n d g e n e t i co p e r a t o r s ，a tl a s t ，l o c a lp a t hp l a n n i n gu s i n gv f hi si n t r o d u c e d ， l w h i c hi n c l u d e st h ee s t a b l i s h m e n to fp o l a rc o o r d i n a t e s ，t h ec a l c u l a t i o n 0 士 d r i v i n gd i r e c t i o na n ds p e e d t h e n ，t h i sp a p e rd e s c r i b et h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s so f ar e m o t e c o n t r o la n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fh a r d w a r e ，n e t w o r k c o n t r o ls y s t e m ，s t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dc l i e n tc o n t r o l s o f t w a r ei nd e t a i l f i n a l l y , t h e r e m o t ec o n t r o ls y s t e m b a s e d o nt h em o b i l e c o n h n u n i c a t i o nn e t w o r kh a sb e e nt e s t e da n ds i m u l a t e d t e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h et e l e o p e r a t i o nd e s i g n e di n t h i sp a p e rc a ns m o o t h l yc o m p l e t e r e m o t ec o n t r o lo fm o b i l er o b o t t h es i m u l a t i o no fg l o b a lp a t hp l a n n i n g a n dl o c a lp a t hp l a n n i n gb r o u g h tu pi nt h i sp a p e rs h o w st h a tu s i n gp a t h p l a m l i n ga l g o r i t h m s c a nb eag o o ds o l u t i o nt o t h et i m ed e l a yo f e v e n t - b a s e dr e m o t eo p e r a t i o ns y s t e m t h es y s t e mh a sa no p e na r c h i t e c t u r e ，s oi t i se a s yt oe x t e n da c c o r d i n g t os p e c i a la p p l i c a t i o nn e e d s t h er e s e a r c hi n t h ep a p e rh a se x t e n s i v e a p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t e l e o p e r a t i o n r o b o t p a t hp l a n n i n g g e n e t i ca l g o r i t h m v f h l i 北 第一章绪论 1 1j g i 言1 1 2 国内外该领域研究现状1 1 2 1 国外研究现状。1 1 2 2 国内研究现状3 1 3 国内外研究现状和热点分析。4 1 4 本文的主要研究内容4 第二章基于移动通信网遥操作方法研究6 2 1 移动通信网络传输分析。6 2 1 1 移动通信概述6 2 1 2移动通信网络时延测试方法。7 2 1 3 实验结果及其分析9 2 1 4网络传输时延对要操作系统的影响。1 1 2 1 5网络传输时延解决方法探讨1 2 2 2系统遥操作模型。1 3 2 2 1 时延条件下遥操作技术研究现状1 3 2 2 2基于事件的遥操作方法。1 6 2 2 3系统遥操作控制和传输模型1 8 2 3本章小结1 9 第三章遥操作机器人路径规划。2 0 3 1基于事件遥操作系统的缺陷。2 0 3 2改进遗传算法用于全局路径规划2 1 3 2 1遗传算法概述2 1 3 2 2 环境模型的建立。2 3 3 2 3基于改进遗传算法路径规划的实现与改进2 5 3 3局部路径规划3 l 3 3 1 矢量场矩形法的基本思想。3 1 3 3 2v f h 算法的实现过程3 3 3 4本章小结3 6 第四章移动机器人遥操作通信系统实现3 8 4 1硬件系统介绍3 8 4 1 1机器人主控制器3 8 4 1 2机器人通信模块。4 0 北京邮电大学硕士论文2 0 1 0 4 1 3机器人主体部分介绍4 1 4 2 遥操作网络控制系统实现4 2 4 2 1基本通信模型4 2 4 2 2控制系统总体框架设计特点4 3 4 2 3 遥操作机器人控制协议4 6 4 2 4软件实现。4 8 4 3 遥操作流媒体传输系统实现4 9 4 3 1流媒体简介4 9 4 3 2 流媒体协议。5 0 4 3 3 流媒体编程实现5 3 4 4 客户端操作软件的实现5 8 4 5 本章小结6 0 第五章实验和仿真6 l 5 1 遥操作控制系统实验6 1 5 1 1实验硬件平台介绍6 1 5 1 2实验过程及结论。6 2 5 2 遥操作路径规划仿真6 3 5 2 1 全局路径规划仿真6 5 5 2 2局部路径规划仿真6 6 5 3 本章小结6 8 第六章结论及展望7 0 参考文献7 2 致谢7 5 攻读学位期间发表的学术论文目录7 6 i i 北京邮电大学硕士论文2 0 1 0 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百下匕 信息技术是当前高技术发展中的主流技术，它的发展对其他技术会产生极大 的影响。机器人技术将借助信息技术而发展，同时机器人技术也会对信息技术的 发展产生推动作用。随着计算机网络和机器人技术的发展，网络与机器人结合在 一起，为控制系统提出了一个新的思路。建立基于计算机网络的机器人遥操作平 台，不仅可以使操作人员离开具有危险性的操作环境，避免人身伤害，同时还可 顺应机器人所面临的日益复杂的应用环境，如空间探索、水下作业、活火山探测 等极限工作，而且还可以充分利用 n t e r n e t 提供的廉价便捷的软、硬件条件，发 挥它良好的交互性，广泛的共享性，从而将机器人技术推广到诸如远程作业、远 程医疗、教育培训和娱乐等更多的应用领域。【1 j 目前，基于i n t e r a c t 的遥操作机器人的研究已经成为一个热点课题。基于 i n t e r n c t 的机器人控制技术也从初期的遥操作机器人逐渐扩展到半自主、自主机 器人和分布式机器人系统等研究领域。通过i n t e m e t 对机器人实施实时控制是一 项具有挑战性的工作，这一技术的应用将进一步丰富机器人远程控制手段，具有 良好的发展和广阔的应用前景。 基于i n t e r n c t 的遥操作机器人前景光明，但是目前的基于i n t e r a c t 的遥操作 机器人大部分处于科研阶段，应用到实际中的很少，控制器大多采用工控机、p c 机或笔记本等来设计，存在耗电量大、体积大、控制器集成度低等缺点；i n t e r n e t 的接入方式大部分采用双绞线接入或无线局域网接入的方式，存在控制范围有限、 接入价格高等缺点，这些缺点限制了基于i n t e r n e t 的遥操作在移动机器人领域的 发展。 因此，从实际应用出发，设计一种功能强大、耗电低、遥控范围广泛的移动 遥操作机器人系统，并将该系统应用到上述领域中发挥作用是具有重大的研究意 义的。本文就是在这样的一个背景下提出的，对基于移动通信网络的机器人遥操 作系统进行了理论的研究和实验验证，并对移动机器人的自主性运动进行了研究 和仿真。 1 2 国内外该领域研究现状及热点 1 2 1 国外研究现状 基于i n t e r n c t 机器人的思想是由k e ng o l d b e r g 于1 9 9 4 年春首先提出的。其 北京邮电大学硕士论文2 0 1 0 最初的构想是给公众提供可以通过万维网访问的遥控机器人，并支持用户对其实 施远程操作。这一构想极大扩展了5 0 年前提出的遥操作的概念，它使得全球的 网络用户都可以通过h t f p 提供的低成本且能够被广泛应用的接口来访问并共 享远程资源。k e ng o l d b e r g 很快就将这一构想应用到m e r c u r yp r o j e c t 中。 2 1 这个 站点是采用安装有c c d 摄像头和气囊系统的i b ms c a r a 型机器人，在装有沙 子并埋有人造物的半圆形工作空间中实施发掘工作，如图1 - 1 所示。 图1 - 1m e r c u r y 网络机器人 日本在基于移动通信网络的机器人遥操作方面的开发和研究非常活跃。2 0 0 2 年1 0 月，富士通研究所开发了一种能够用手机在外进行遥控的机器人 m a n r o n 1 1 3 l ，用户能够用手机对它进行遥控，指挥这个机器人操作家用电器或 者监视不法者的入侵，从而代替人类发挥看门人的工作，它能够借助两个镜头和 距离传感器，避开障碍物到达人所指定的目的地。借助于组装在机器人身上的遥 控器，还可以对电视和录像机进行遥控，如图1 2 所示。 图1 2 日本富士通的m a n r o n 机器人 近年来随着3 g 通信网络的兴起，国内外对基于移动通信网络的遥操作机器 人的研究也得到了迅猛发展。处于对社会安全的考虑，韩国的a nm y u n gs e o k 等人在2 0 0 8 年提出了一种安全智能机器人系统i r s s s ( i n t e l l i g e n tr o b o t i cs y s t e m s f o rs o c i a ls a f e t y ) ，它利用w c d m a 网络将传统的环境监控摄像头和装有摄像头 的移动机器人相结合，组成一个安全监控网络用于对敏感区域的监控，如图1 3 所示。 2 爹黼黔黪黔靛 北京邮电大学硕士论文2 0 1 0 龟鎏鬻 图1 - 3i r s s s 系统结构示意图 1 2 2国内研究现状 我国政府非常重视机器人技术的研究，早在“七五 期间就开始了工业机器 人和水下机器人攻关计划，并取得了一定的成绩。1 9 8 6 年，国家“8 6 3 计划将 智能机器人列入其中，开始了遥操作机器人技术的研究。经过十几年的艰苦奋斗， 从跟踪世界先进水平到自主开发，在空间、海洋等应用领域取得了阶段性的成果。 中国科学院、航天工业部、清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等一 些研究机构和院校都在进行这方面的研究，众多的研究人员为我国机器人技术的 发展和应用在不懈努力。 虽然国内对机器人遥操作技术的研究起步较晚，但也取得了一定成绩。其中 比较突出的成果有：上海交通大学自动化研究所的基于w e b 的机器人遥操作系 统；1 4 】中国科学院沈阳自动化研究所研制的主从异构的监控遥操作系统【5 】；清华 大学的一套“视觉临场感环境1 6 l ；华南理工大学了“基于国际互联网的机器人 遥操作系统”n 南开大学对我国“计算机网络状况和网络遥操作中面临的问题 作了初步探讨；北京航空航天大学的研究人员设计出了中国第一个火星探测器一 “火星探路者1 8 】；以及全国机器人足球锦标赛和c c f v 机器人大赛的成功举行 都标志着我国在机器人遥操作领域所取得的成绩。 国内对基于移动通信网的遥操作机器人的研究开展的较少，国防科技大学曾 通过c m d a 网络完成控制中心与机器人之间的运动和力觉信息的交互反馈控制， 操作者通过手柄能够远程控制机器人的运动并且感知远程机器人的力传感器的 反馈信息。例 3 但是相信随着第三代移动通信的兴起，国内外的研究将逐渐进入一个黄金时期， 这其中低频率、窄带宽网络的传输问题将是一个重点研究方向。这其中主要包括 遥操作机器人网络控制系统的建立、网络流媒体传输方案的设计、遥操作机器人 自主运动的研究，本论文将针对以上各个研究热点进行论证并提出一套切实可行 的系统解决方案。 1 3 本文的主要研究内容 本课题拟研究的对象是基于移动通信网的遥操作移动机器人，研究重点是基 于移动通信网遥操作移动机器人的控制策略和基于移动通信网遥操作通信系统 的实现，本论文主要研究内容和论文结构安排如下： 第一章阐述了本论文选题背景和研究意义，综述了国内外遥操作机器人尤其 4 北京邮电大学硕士论文2 0 1 0 是基于i n t e r n e t 的遥操作机器人的研究现状以及存在的问题，分析了本课题的研 究意义，提出了本文的研究方向。 第二章首先根据遥操作机器人的需求提出了对移动通信网进行测试的指标 和相应的测试方法；然后根据测试实验的结果，重点分析了网络传输延时可能对 遥操作系统产生的影响并且探讨了网络传输延时的解决之道；最后本章分析了时 延条件下遥操作技术的研究现状，根据移动通信网的特点选取了基于事件的遥操 作方法，并且提出了本论文的遥操作控制和传输模型。 第三章引入局部路径规划完成监督学习控制，引入全局路径规划实现预测显 示控制，以解决上述基于事件的通信模型对遥操作控制实时性和流畅性的影响。 本章首先阐述了采用遗传算法( g a ) 完成全局路径规划的方法，然后根据路径规 划的特点对遗传算法的编码方式、适用度函数以及关键遗传算子进行改进；最后 本章阐述了采用矢量场矩形法完成局部路径规划的方法，其中包含极坐标 系的建立、行驶方向、速度的计算等。 第四章主要是完成对上述遥操作控制和传输模型的实现。本章详细介绍了遥 操作控制和传输模型的实现，主要包括硬件系统的实现、网络控制系统的实现、 流媒体传输系统的实现和客户端操作界面的实现。本章从基本通信模型、总体框 架设计特点、网络通信协议以及具体的软件设计流程等多个方面介绍了这几个分 系统的实现方式。 第五章针对所设计的遥操作系统进行仿真和实验验证工作。首先介绍了遥操 作控制系统的试验情况，其次介绍了改进算法中全局路径规划仿真实验的情况， 然后介绍了局部路径规划仿真实验的情况和结论。 最后为总结与展望，总结了本论文取得的主要研究成果，并对有待进一步研 究的问题进行了分析与展望。 5 蜂窝移动通信是当今通信领域发展最为迅速的领域之一，它对人类生活及社 会发展产生了重大影响。蜂窝移动通信技术自上世纪8 0 年代诞生以来主要经历 了三个阶段，即第一代、第二代和第三代蜂窝移动通信技术。 第一代移动通信技术( 1 g ) 是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话标准， 制定于上世纪8 0 年代。n o r d i c 移动电话( n m t ) 就是这样一种标准，应用于 n o r d i c 国家、东欧以及俄罗斯。其它还包括美国的高级移动电话系统( a m p s ) ， 英国的总访问通信系统( t a c s ) 以及日本的j t a g s ，西德的c n e t z ，法国的 r a d i o t o m2 0 0 0 和意大利的r t m i 。模拟蜂窝服务目前已基本被淘汰。 第二代移动通信技术指数字蜂窝移动通信技术，一般指欧洲的g s m ( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，全球移动通信系统) 和美国的c d m a ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，码分多址) 两种技术，这也是目前世界上主要 6 北京邮电大学硕士论文2 0 1 0 使用的两种移动通信技术。g s m 是1 9 9 2 年欧洲标准化委员会统一推出的标准， 它采用数字通信技术和统一的网络标准，使通信质量得以保证，并可以开发出更 多的新业务供用户使用。g s m 移动通信网的传输速度为9 6 k b p s 。目前，全球的 g s m 移动用户已经超过3 0 亿，覆盖了1 2 的人口，g s m 技术在世界数字移动 电话领域所占的比例已经超过8 8 。 1 4 1 c d m a 由美国高通公司( o u a l c o m m ，i n c ) 开发，是一种采用扩频技术的数字蜂窝技术。与g s m 不同，c d m a 并不给每一 个通话者分配一个确定的频率，而是让每一个频道使用所能提供的全部频谱。 c d m a 对每一组通话用伪随机数字序列进行编码。c d m a 技术在北美和亚洲获 得了广泛的使用，并成为第三代移动通信的基础性技术。 第三代移动通信系统( i m r - 2 0 0 0 ) ，在第二代移动通信技术基础上进一步演 进的以宽带c d m a 技术为主，并能同时提供话音和数据业务的移动通信系统亦 即未来移动通信系统，是一代有能力彻底解决第一、二代移动通信系统主要弊端 的最先进的移动通信系统。第三代移动通信系统一个突出特色就是，要在未来移 动通信系统中实现个人终端用户能够在全球范围内的任何时间、任何地点，与任 何人，用任意方式、高质量地完成任何信息之间的移动通信与传输。可见，第三 代移动通信十分重视个人在通信系统中的自主因素，突出了个人在通信系统中的 主要地位，所以又叫未来个人通信系统。目前3 g 采用的制式主要有t d c d m a 、 w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 。 2 1 2 移动通信网络时延测试方法 机器人遥操作中的移动通信网络涉及到i n t e m e t 网络和蜂窝移动通信网络的 互联，网络规模巨大，复杂性高，在网络的正常运行中存在着许多影响网络性能 的因素，如包延迟、丢包率、吞吐量、带宽等。如果对上述网络行为模型缺乏理 解和精确的描述，这些存在的问题将严重影响机器人控制的精确度和鲁棒性。因 此对移动通信网进行测试，建立起网络传输数学模型，并在此基础上提出机器人 遥操作的解决方案是设计一个良好遥操作系统不可或缺的步骤。 2 1 2 1 瓶颈带宽的测量方法 网络中的传输路径由从数据源到目的地的一系列存储转发链路组成，链路的 带宽或者容量是指该链路上数据报文的最大传输速率。网络路径的瓶颈带宽 ( b o t t l e n e c kb a n d w i d t h ) 或者容量是指源节点到目的节点之间处理能力最低的链路 所能够达到的最大数据传输速率，也就是说，当传输路径上没有其他业务流时， 该路径所能提供给一个业务流的最大传输速率。传输路径上带宽最小的链路称为 该路径的瓶颈链路。然而业务流很少是单独存在于一条路径上的，而经常是跟其 他业务流共享路径。网络路径的可用带宽是指网络在不降低其他业务流的传输速 7 信息也可以通过类似于p i n g 的程序来实现，即向目标节点发送i c m p 报文，并 且根据收到的i c m p 报文回应报文与发送i c m p 报文时间差，求出两点间的延迟 时间。大致上，可以把基于移动通信网的机器人控制中网络延时分为以下几个主 要部分： t ( t ) = t c + t p + o s + 。d r + t v ”式( 2 5 ) 传播延迟t c 是指网络连接的初始化时间和在介质中的传输时间，信号通过传 输介质在两地间的物理传输延迟是随着距离的增大而增大，在网络机器人中，路 由选择的不同会使信号沿不同的线路传输，从而导致信息传输时间的变化；t p 是 指计算机的处理时间，包括指令的解释、计算和执行；d 。和d r 是发出和接受的数 8 北京邮电大学硕士论文2 0 1 0 据量，v 是网络传输速度与介质有关：t v 为传输过程中，不可预测的扰动所引 起的时延变化。由于网络的开放性，这一部分的干扰必然存在，而且其随机，不 可预测。 端到端延迟由固定延迟和可变延迟两部分组成。固定延迟基本不变，由传播 延迟和传输延迟构成；可变延迟由中间路由器处理延迟和排队等待延迟两部分构 成。固定延迟主要反映了路径本身的物理特性，即组成路径的各条链路的带宽、 长度、介质等，动态延迟主要由包在网络转发节点中的排队延迟造成。平均延迟 反映了网络运行过程中延迟的总体状态。固有延迟主要反映了路由中逐段链路的 各种属性，而动态延迟反映了网络的繁忙程度。定义多次延迟测量的平均值为平 均延迟。 图2 - 1 网络延时模型 图2 1 是网络传输时延模型，t 1 ( t ) 和他( t ) 所产生的网络路径各异，从而造 成在数值上并非都是相同的。在实际的遥操作系统中，各地计算机的时钟很难精 确同步，控制指令时延影响主要存在于指令的发送和反馈信息之间，所以单独测 量t 1 ( t ) 和他( t ) 都是不现实的。本论文采用双向传输时延k i t ( r o u n dt r i pt i m e d e l a y ) 概念。r t t 是一个数据包在两个主机之间正向和逆向传输所用的时间之 和。即r i t ( t ) = t 1 ( t ) + t 2 ( t ) 。为了研究传输时延的统计规律，系统做出以下假设： 机器人的控制系统是线性的； 单程时延的计算公式简化为：t 1 ( t ) = t 2 ( t ) = r t t ( t ) 2 ； 因此端到端的平均往返延迟的测量方法是：入口路由器将测量包打上时戳后， 发送到出口路由器。出口路由器接收到测量包便打上时间戳，随后立即使该数据 包原路返回。入口路由器接收到返回的数据包之后就可以评估路径的端到端时延。 a d e l a y = 盐生兰二丝式( 2 6 ) 2 1 3 实验结果及其分析 对于移动机器人遥操作系统，本论文主要关心的移动通信网的性能参数有： 移动通信网的瓶颈带宽、不同的数据包大小对延时大小的关系、网络丢包率、不 同的时间条件下移动通信网的延时大小是否有变化等等。本论文中使用p a t h c h a r 工具对瓶颈带宽进行测量，p a t h c h a r 其原理是利用不同大小宝的各种最小延迟求 逐条链路的带宽，然后比较其最小带宽。本论文中利用p i n g 命令对网络延时进 9 北京邮电大学硕士论文2 0 1 0 行测试，延时表示为一个r t r 的时间，通过更改p i n g 数据包的大小可以测试刁 同数据包对延时的影响。对于丢包率的测试，本论文在数据包延时的测试中设量 一个时延门限( 2 0 0 0 m s ) ，当延时时间超过延时门限就认为此数据丢失。 测试实验于2 0 0 9 年3 月在北京邮电大学大学鸿通楼进行。客户端为移植了 u t u l i n u x 的a r m 9 开发板，通过华为的g t m 9 0 0 无线数传模块进行拨号上网；脚 务器端为一台通过教育网接入i n t e r n e t 的p c 主机。本测试主要对移动和联通l g p r s 网络进行测试。1 表2 1 中国移动g p r s 网络的测试汇总统计表 数据包长度最大值( m s ) 最小值 平均值( 珊)丢包率丢包门限包总数 3 22 9 5 5 5 6 1 0 28 0 7 04 2 0 5 0 6 41 1 0 3 86 9 5 21 1 - 1 2o 2 0 0 05 0 1 2 81 3 9 0 28 5 5 39 8 9 7o 2 i ) 5 0 1 6 03 5 3 5 59 4 0 41 2 5 7 26 2 0 0 05 0 1 9 01 6 4 4 01 0 5 0 11 1 8 2 90 2 咖5 0 2 4 02 2 1 5 41 1 。7 0 11 3 8 2 3o 2 0 5 0 2 5 61 8 2 5 41 1 9 5 21 3 4 1 40 2 0 5 0 5 1 2 3 2 1 3 0 1 9 2 5 32 1 7 5 98 0 2 0 5 0 7 6 83 2 8 9 22 4 9 叮43 2 8 9 22 4 i o5 0 1 0 2 41 0 0 8 0 4 4 7 1 2 87 6 0 3 95 2 8 0 1 0 2 0 4 81 1 4 3 5 77 8 2 8 89 6 1 3 46 6 7 1 0 0 0 06 由表2 - 1 、图2 2 可以看出，随着数据包长度的增大，平均延时也在增大 丢包率的变化情况也与其类似。移动g p r s 网络在数据包小于2 5 6 b y t e 的时候美 本能够保证延时在2 秒以下，丢包率在1 4 左右( 测试中把丢包门限限制蔓 量较小的情况下，移动通信网络能够满足遥操作的需求。 1 本实验进行的过程中，电信运营商正在进行重组，3 g 的营业牌照正在进行发放。因此实验没有对 3 g 的网络性能进行测试。 1 0 北京邮电大学硕士论文2 0 1 0 ；_ 缸一【 一ti l 1 f “r 一+ r 图2 - 2 实验测试结果图 左上：数据包大小对网络延时大小影响测试统计图( 中国联通g p r s ) 右上：数据包大小对网络延时大小影响测试统计图( 中国移动c p r s ) 左下：数据包大小对网络延时大小影响测试o 氏通和移动对比图) 右下：不同时间段不同数据包网络延时测试统计图 右下图显示了不同的时间段对数据传输时延的影响，课题组分别在上午十点 移动通信网较空闲的时间段和晚上七点较繁忙的时间段采集两组数据进行比较， 由比较可以看出，移动通信网g p r s 业务受语音业务的繁忙程度影响较小，能够 满足遥操作通信的需要。左下是移动g p r s 和联通g p r s 在同一时刻不同数据包 的延时比较。可以看出，虽然联通g p r s 在数据量较大时平均延时比移动g p r s 能够小2 0 0 0 m s ，但是联通g p r s 网络跳变性较大，并不稳定，考虑到遥操作系 统可靠性的需要，本论文选择移动g p r s 网络作为传输介质。 2 1 4 网络传输时延对遥操作系统的影响 移动通信网作为通信环节介入机器人遥操作系统，对遥操作机器人的影响主 要表现在以下几个方面：【1 5 】 1 移动通信网内部网络延时； 2 动态路由路径与各节点由策略的不同而造成的不确定数据传输延时； 3 网络拥塞导致数据包丢失； 冒量专k杖譬 北京邮电大学硕士论文2 0 1 0 4 动态路由引起的数据错位。 产生以上问题原因是由于在移动通信网络和i n t e r n e t 上存在大量的用户，并 且在连接通路上的每台计算机节点的吞吐量、数据包调度及路由策略存在差异。 在实际应用中，通路上的节点对不同数据源的数据进行调度分配，对到达的数据 进行排队，并且根据路由策略决定它们的去向，使之更接近目标节点。在数据调 配过程中，每个节点的处理能力都是有限的。当数据量超过一定值时，节点有可 能抛弃一些数据包或将它们路由到负载较低的服务器上，这样就导致了在通信网 络上的数据流时延不可预测性和数据包丢失问题。 研究表明目前i n t e r n e t 中绝大多数路径处于轻负载状态，瓶颈延迟主要是由 传播延迟造成【1 6 】。本论文的测试结果也说明了这一点：不同时段的不同数据包 的延时差别不大，网络大部分的延时是由于移动通信网的传播延时和动态路由选 择造成，本论文将不对如何减少移动通信的网络延时展开讨论，本论文关心的重 点是在现有的网络状况下如何设计一套稳定可靠的遥操作控制系统。 遥操作机器人控制对网络质量要求甚高，网络的丢包、延迟和乱序等因素都 会对遥操作机器人的控制质量产生影响。数据包丢失和错误虽然对系统的影响比 较大，但两种情况可以通过选择可靠的网络协议来补偿。另外通过对传输数据进 行同步编码和设置时延门限来判断其是否发生。同步编码是指在每一组数据包中 包含该数据的编码，接收端借助数据包的编码判断数据是否丢失或者错位。时延 门限是指数据传输时延的上限，通常是两组数据包的时间间隔作为衡量标准，如 果超过门限，则认为是发生了数据包丢失。发生数据包丢失或者错位时，均表现 为传输时延明显增大。 2 1 5 网络传输时延解决方法探讨 目前，对于大时延和变时延遥操作系统提高系统操作性能的主要手段是预测。 【r 7 l m u n i r 和b o o k 在通信环节加入k a l m a n 滤波器，对通信延时进行预测并加以 补偿。【1 8 】而g a n j e f a r 等则用s m i t h 预估计器来对时延进行预测并补偿。【1 9 】这些 预测方法都在一定程度上提高了遥操作系统的性能，但是加入预测、补偿环节有 可能破坏无源性，并且算法的解算对系统的实时性也带来一定的负面影响。而且 这些预测算法大部分处于理论研究阶段并未在实际的系统中应用。因此本论文对 网络传输时延的解决将不从预测方面入手，而重点从以下几个设想方面探索解决 之道：