基于Internet的机器人控制中网络时延测试及分析

1、文章编号,1002-0446(200104-0316-06基于Internet的机器人控制中网络时延测试及分析王庆鹏谈大龙陈宁(中国科学院沈阳自动化研究所机器人学开放实验室沈阳110015摘要,本文针对基于Internet的机器人控制,首先分析了Internet网络时间延迟的主要组成及其基本特性,然后介绍了网络时延测试实验的结果及其结论,最后研究了网络时延预估算法及其有效性.关键词,时间延迟;Internet;遥操作中图分类号,TP24文献标识码,BNETWORK TIME-DELAY TEST AND ANALYSISIN T E CONTROL OF INTERNET-BASED TELE

2、ROBOTICSWANG Ging-peng TAN Da-long CEN Ning(ROOtzcs laOlatOl y,Shenyang1nstzt te Of A tOmatzOn,Chznese Acacemy Of Sczences,Shenyang,110015Abstract,In this paper,based on the analysis of the m ain c o m position of the Internet ti m e-delay and itsc hara c teristi c s,the net W or k ti m e-delay test

3、 and its c on c l u sion are presented.F inally,the V alidity of the net W or kti m e-delay predi c tion algorith m is dis cu ssed.Ke ywo r d s,ti m e delay,Internet,teleoperation1引言(Intr odu ct io nInternet的迅速发展使社会经济结构和人们的生活方式发生了巨大的变化,同时也给新世纪的机器人研究和开发带来新方向.到目前为止,互联网传输的信息只是人类视觉和听觉可以感知的文字图像声音等信息,如果把人

4、类的动作行为转化为数字信号进行传输,互联网将成为人类动作行为的载体,从而可实现人类操作功能的延伸.近年来,众多学者尝试着将Internet与机器人相连,推动了信息领域与机器人领域的融合.基于Internet的机器人(Internet-based telerobot以下简称网络机器人是从遥操作机器人(telerobot基础上发展起来的.遥操作方面的许多理论方法对网络机器人控制依然适用或有一定的启迪作用.反过来,网络机器人控制的研究也会对遥操作机器人控制产生巨大的推动作用.同时,网络机器人技术的发展对于未来制造领域及非制造领域机器人的应用与发展也有重大意义,甚至可能会带来革命性的变化.当前,基于I

5、nternet的机器人技术是机器人应用领域中的一个重要的前沿课题,备受各国重视13.它主要研究在遥环境下,通过人机交互的协调操作,基于Internet实现对远程机器人系统的监控遥操作.2时间延迟(T im e-d e l a y利用Internet作为媒介控制硬件设施最早见于1991年Troyan将一台照相机连入Internet.1994年底,有两台机器人可以让Web使用者通过Internet 改变远地的环境.1995年K en Goldberg et al.实行的M er cu ry计划把一台三自由度机器人连入Internet.其后数星期,澳大利亚Taylor等成功地建立了A u stral

6、ian Telerobot0n the Web,成为当今最成功的网上机器人,远程操作者在被授权后,可用计算机通过Internet远程控制在澳大利亚实验室中的机器人.作为机器人大国的日本也很重视这方面的研究,友善网络机器人学(F riendly Net W or k R oboti c s是1997年日本通产省(M ITI工业科学和技术前沿(I S T F计划中一项为期两年的可行性参第23卷第4期2001年7月机器人ROBOT V ol.23,No.4Ju ly,2001收稿日期,2000-10-08考研究4.其目标是开发一些能够实现人形机器人的技术,这种人形机器人既能进行自由控制,又能通过计算

7、机网络遥控操作.还有日本通产省正在启动的实时遥控机器人技术(Rcube.实时遥控机器人技术(Real-time RemOte RObOtics的英文字头是R3,因此又称为Rcube,该构想是使远地操作者能利用高速网络操作机器人,在灾害救助老龄者和残疾人参加社会活动家庭办公等方面起到支援作用.时至今日,多数连接在Internet上的机器人使用Web进行控制,传输的主要是宏指令.当前与互联网相连的其它受控设备多为科学实验设备,投入商业运做尚需时日.Internet是由计算机组成的强有力网络,TCP/ IP的使用使得在任何互连的网络集合中进行通讯成为可能.在Internet上数据按照包传输协议通讯,

8、当数据被一个交换机接收并被转发给下一个交换机时,就产生了时延.而包的路由选择能影响Internet 上包的交换和所路过节点的处理策略,致使Internet 通讯时延成为一个随机变量5.在控制理论中时间延迟控制是一个困扰人们多年的问题.早在60年代Ferrell就指出时间延迟的存在会使远程机器人工作不稳定1.这种不稳定性可以从以下几个角度分析,在古典控制论奈奎斯特稳定性分析中,将复平面上开环频率特性曲线不能包围-1点作为系统稳定的条件.并进一步从工程角度出发,要求一个系统不但要做到稳定,还应该有相当的稳定裕量才可使用.然而一个系统的参数的不确定性,控制模型的不合理的简化,却会使系统在某些情况下失

9、稳,网络机器人控制中典型的就是延时的不确定性所带来的系统不稳定.所以对网络机器人控制问题的研究往往要考虑系统的稳定性和鲁棒性(RObustness,即是否稳定和稳定裕量.从能量角度分析,遥操作系统要想保持稳定,其输入能量必须大于输出能量,而通讯系统的存在会很容易的违反这一要求.还可以从负反馈角度分析,负反馈是实现控制的基本方法,但负反馈并不能保证系统的稳定性,设计不好的负反馈系统的被控制量也会出现震荡的情况,即不稳定.一个闭环系统如果其闭环增益大于一,其半个工作周期等于时间延迟值,则系统将处于正反馈而非负反馈,此频率的能量将连续加入系统而导致系统的不稳定.研究基于Internet的机器人控制就

10、必须解决随机通讯时延问题,因而对该时延规律的研究就成为当务之急.大致上,我们可以把基于Internet的机器人控制中网络时间延迟分为以下几个主要部分,设总的时间延迟是TT,则有6T T=T c+T p+T d+T U其中,(2执行时延T p.包括控制指令的解释计算执行时间,现场图像的处理时间及仿真图像的运行时间等.(3数据时延Td.Td=(Ds+DT/V L.DsDT 是发送回收的数据总量,VL(4扰动时延TU.主要指传输中不可预测的扰动,如信息丢失或信息次序的混乱.显然,分析专用线路的固定时延并不太难,而网络时延的获取与分析则相对困难.计算机网络的数据具有既随机又相关的特点,虽然时延分析也是

11、计算机网络性能分析的一个重要内容,但是计算机网络所研究的时延通常是消息穿过网络的平均延迟时间,所用方法有诸如排队模型法等.考虑到网络信息传输的随机性,随机过程理论是有效的研究工具.现在已知平均时延T随着流量强度的增加有一个从减小到增加的过程,而且强烈依赖于网络负载量.在每一天的不同时段,前十二小时内时延相对变化较小,后十二小时有较大变化,变化幅度最大可能达到50%左右.所以,要构造精确的网络传输时间延迟数学模型非常困难,在微观上没有规律可遵循,而只能从宏观上研究其统计特征8.综上所述,网络情况下时延变化的规律性及远程操作稳定性研究,对于网络机器人和水下太空等遥操作机器人的控制都有重要意义,因而

12、有着广阔713第23卷第4期王庆鹏等,基于Internet的机器人控制中网络时延测试及分析的应用前景.3Internet 传输时延统计特征(Statistical characters of the internet transmission time -delay 认为该报文段已经丢失或出现损伤,从而重传这一报文段.Ping 是网络中用户使用的发送ICMP 回送请求的命令,本文使用Ping 指令测试网络时延.假设目的站点的IP 地址为aaa .bbb .c .d ,则典型的Ping 指令是如下形式,Ping aaa .bbb .c .d其中的 代表用户可以添加的选项,包括数据包的大小等.Pi

13、ng 指令的返回值包括数据丢失率和数据往返时间RTT (Round Trip Time 等.所测试到的RTT 值实际是数据从主端被发送到达目的站点并返回主端的时间,而不是单程时间,但已经足以反映网络时延的特性.考虑到代表性,进行了如下三个节点间的Internet 传输时延测试,沈阳至北京沈阳至香港局域网内两点之间.(图1及表 1(a 沈阳到香港(b 沈阳到北京图1时延测试Fig .1Time -delay test813机器人2001年7月 (c 局域网图1时延测试Fig .1Time -delay test从图中可以看出网络时延具有以下主要特点:(1变化时延(Variable Delay :

14、不同地点间不同路由选择导致时延值有很大不同.例如沈阳至香港间RTT 时延的平均值在17OO2OOO ms 左右(图1-a ;沈阳至北京间的RTT 时延的平均值在7OO8OO ms 左右(图1-b ;而局域网LAN 间RTT 时延值多数为1O ms (图1-c 均值在3O ms 左右.(2时延跳动(Delay Jitter :网络时延是一个随机变化的量.例如沈阳至北京间的RTT 时延(ROund Trip Time 的变化率的最大值约为O.4.表1测试结果(Table 1Test result 地点时间数据包量(个均值(ms 丢失率域网1999/12/139:1O9:256OO3O.915O.O

15、2%所以 可以认为Internet 的时延是:-幅值有界(Amplitude BOunded :任何网络中两节点间传输时延值都在一定范围内 即z E (z min z max -变化率有界(BOunded Derivatives :对广域网有z ( B <1局域网时延变化率情况特殊 但去掉个别变化过于剧烈的点后 仍符合上式.-存在性(Existence 和离散性(Discrete :任何时刻都存在时延且是离散的.在特殊情况即应答迟迟未到时 TCP /IP 认为数据已经丢失 自动重传数据包.此时的1(t 涉及到超时的概念.4网络时延的预测算法(Prediction arithmetic o

16、f network time -delay TCP 的最重要和最复杂的概念就是其处理超时的方式.在Internet 中 在一对机器之间传输的报文段可能只要经过一个时延很低的网络(如高速局域网 也可能要经过多个路由器 多个中间网络 因此不可能预先知道确认信息何时会回到发送方.此外 每个路由器产生的时延取决于当时的流量 所以总的网络时延会发生极大的变化.TCP 软件必须适应两个方面的巨大差异 一个是到达各个目的站所需时间的差异 一个是到达某个目的站所需时间随流913第23卷第4期王庆鹏等:基于Internet 的机器人控制中网络时延测试及分析量负载的变化所出现的差异.TCP 使用自适应重传算法以适

17、应Internet 网络时延的变化.该算法的要点是;TCP 监视每条连接的性能,由此推算出合适的定时器时限.当连接的性能变化时,TCP 随即修改定时时限 .图2数据丢失率图图3O 值对预测结果的影响Fig .2Lost rateFig .3Prediction result of different O为了搜集自适应算法所需数据,TCP 对每个报文段都记录下发送出的时间和其确认信息到达的时间.由此TCP 计算出所经历的时间,即样本往返时间或往返时间样本.每当得到新的往返样本之后,TCP 就修改这个连接的平均往返时间.通常TCP 软件把过去的往返时间RTT 存储起来作为一个加权平均值,再使用新的

18、往返样本来逐步的修改这个平均值.例如使用下式;算法一;RTT =O %OldRTT -(1 O %NeWRTT选用O 的值接近1则加权平均值对短暂的时延变化不敏感,而O 接近于O 则加权平均值很快地跟算法二;Difference =OldRTT -NeWRTT SmoothRTT =(O %OldRTT -(1-O %NeWRTT Dev =(1- %OldDev - %(Difference -OldDev Suppose =SmoothRTT -Y % Dev图4预测误差结果(O =O.5图5RTT 值预测误差图Fig .4Prediction errorFig .5RTT Predict

19、ion resultO23机器人2OO1年7月第 23 卷第 4 期 王庆鹏等 : 基于 Internet 的机器人控制中网络时延测试及分析 321 上式中 G B 7 均 取为 ( 0, 1D 之间 的 值 . 用 算法 二 估计 的 RTT 值的 误差图见 图 8, 其 精 确度 情 况 如表 1 所示 . 表2 误差精度 ( % D 百分比 ( % D RTT 的估计算法最终可能应用于基于 Internet 的机器人控制中 . 但由于精度的限 制 , 实际 应用 中必 须考虑系统的鲁棒性问题 . 预测结果 ( Table 2 5% - 10% 28. 52% Prediction res

20、ultD 10% - 15% 11. 55% > 15% 8. 3% < 5% 51. 62% ( 误差精度及占总数据的百分比数 D 5 结论 ( ConclusionD 2 Review and Prognosis. Automation, 1993, 9( 5D IEEE Transaction on Robotics and 基 于 Internet 的机 器人控制是 当 前 机器 人 技 术 的 研 究 热 点, 对 于 远 程 医 疗 远 程 教 学 远 程 监 护 以 及传统生产模式的改造 , 具有潜在的 应 用价 值 . 本 文 介绍了对 我国 Internet 上数

21、据传输 时延 的 测 试及 相 关 结 论 , 对 比 国 外 同 行 的 相 关 工 作 6 , 我 们 可 以 看 出 : Internet 的网络时延具有时变 跳动 数据丢失等 特 点 , 而 我 国 Internet 带 宽 较 窄 , 时 延 变 化 更 加 剧 烈 , 数据丢失率高 . 这给 基于 Internet 的机 器 人 控制 研究带来了困难 . 必须对上述问题进 行 深入 的 研 究 , 此 外, 由 单 机 器 人 控 制 到 多 机 器 人 协 调 控 制 是 机 器 人 技 术 发 展 的 必 然 趋 势 7 , 将 Internet 嵌 入 到 多 机 器 人 系

22、 统 中, 发 挥 其 独 到 优 势, 是 非 常 自 然 的 事 情, 这方面的研究也是很有必要的 . 参考文献 1 Taylor K, Datton B. Issues in Internet-Based Telerobotics. FSR 97, 1997-12 3 Ning xi, TZyh-Jong Tarn. Action SynchroniZation and Control of Internet Based Telerobotic Systems. International Conf erence on Robotics and Automation , Detroit,

23、 Michigan, May 1999. 219 224 OKAZAKI M. 日 本 先 进 机 器 人 技 术 研 究 开 发 现 状 报 告 . Sixteenth Joint Cooperating Forum International Advanced 4 Robotics Program . 12 5 6 Douglas E. Comer 用 TCP/ IP 进行网际互连 电子工业出版社 Oboe R, Fiorini P. A Design and Control Environment f or Internet-Based Telerobotics. The Interna

24、tional Journal of Robotics Research , 1998, l 7( 4D : 433-449 7 王 越 超, 谈 大 龙. 协 作 机 器 人 学 的 研 究 现 状 与 发 展. 机 器 人, 1998, 20( 1D ( Ref erencesD 作者简介 : 王庆鹏 ( 1972-D , 男 , 博士生 . 研究领域 : 机器人学 . Thomas B Sheridan. Space Teleoperation Through Time Delay: ( 上接第 304 页 D 表 4 的 结 果 3 中 , J7 的 角 度 已 经 超 过 该 关 节 所 允许的转动范围 , 因此其结果也是不可用的 . 坐标系 . 参考文献 1 ( Ref erencesD 5 结论 ( ConclusionD Murray R, Li Z, Sastry S S, A Mathematical Introdu