基于网络的遥操作机器人系统传输时延研究

1、基于网络的遥操作机器人系统传输时延研究芮素波曾庆军（江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江）：摘要文章主要研究了基于网络的遥操作机器人系统传输时延的测试、分析以及数据丢包的解决方案。首先概括地介绍了系统的构成及工作原理，然后采用软件编写网络时延测试软件，并进行多种实验，最后对实验结果进行了分析，并给出了针对丢包问题的解决方案，同时基于仿真实验验证了该方案的有效性和可靠性。关键词遥操作机器人系统网络时延文献标识码中图分类号文章编号（）（，）：，：，引言遥操作机器人系统是指在人的操纵下在人难以接近、难以网络遥操作机器人系统构成如图所示，基于网络的遥操作机器人系统实验平台由以进入或对人有害的环境中完成比

2、较复杂操作的一种远距离操作系统。基于的遥操作机器人系统是指操作者通过计算机网络操纵异地的机器人或其他硬件设备进行作业或与异地环境进行交互的自动化系统。近年来，基于网络的遥操作机器人研究取得了很大的进展。基于的遥操作机器人研究的目的是利用传送人类的行为动作，使机器人在远程复现人类的行为意图，进而实现跨越空间的行为延伸。遥操作机器人系统的实现，将极大地改善机器人的作业能力，如远程制造、远程操作、空间探索、海洋开发、远程医疗等。基于网络的时延有其独特的特点。在基于网络的机器人遥由于中数操作系统中，时延的一个显著的特点是变化。据传输时延是影响遥操作控制系统品质的一个主要因素，时延模型的建立是一切分析解

3、决遥操作时延控制问题的基础，且时延（往往是随机时延）是由网络数据传输时带宽限制和网站上数据拥挤造成的。目前基于网络的遥操作系统已有的一些研究，大多建立在对网络时延的假设基础之上，由于网络时延的随机性和不可预测性，因此通过实验测试时延来研究网络控制系统更具有实际意义。本文先用编写的网络时延的测试软件对时延进行测试和分析，最后对实验结果进行分析，并给出了针对丢包问题的解决方案，同时基于仿真实验验证了该方案的有效性和可靠性。下大部分组成：操作者，机器人主手子系统，通信环节，机器人从手子系统和作业环境。操作者可以通过操作主手来灵活地控制连接在的机器人从手并作用于环境，实现主从手之间位置和力的跟踪。主控

4、计算机提供给操作者远程工作环境的实时视频并对机器人主手进行控制。从控计算机接收主手的控制命主要完成采集、处理、传输视频图像，监听、令并对机器人从手进行控制等工作。主手位置和力信号采集机器人主手主控计算机主手控制单元从控计算机从手位置和力信号采集摄像头从手控制单元机器人从手操作者作业环境图网络遥操作机器人系统构成示意图图表网络时延计算模型网络时延考察的对象应当是一个数据包从一个主机传至另一个主机所需时间即单程时延。时变的网络载荷和动态路由使得建立的时延计算模型十分困难，本文采用与提出的统计方法，把作为黑箱处理，得到双向时延（）的统计规律。时延是一个包从一个主机传至另一个主机再传回原基金项目：国家

5、自然科学基金资助项目（编号：）；江苏省高校自然科学基金资助项目（编号：）：（），计算机工程与应用主机所需的时间。因此对网络单程时延进行粗略的估算：定的超时值（）计算，下文的时延曲线可看成是平均时延的分布图。实验结果和分析发送的源地址：，目的地址：（局但不能用于精确测定网络单程时延。由于时延可反映网络单程时延的情况，测量又较为方便，故我们使用时延代替单程网络时延进行网络时延分析。域网，江苏科技大学校园网主机地址），目的地址：（东南大学校园网主机地址），数据包的大小：。实验数据统计第一组：时间是周一（工作日），目标地址是江苏科技大学校园网主机，源地是本机（属于江苏科技大学校园网）。表时延实验统计数

6、据（江苏科技大学局域网）数据包个数丢包率时延最大值平均值网络时延测试实验实验环境局域网：在本校的实验室和校园网之间；广域网：在江苏科技大学和东南大学的校园网的主机之间进行测试。时延测试方法时间第一组指令是一个常用的网络诊断工具，可用于对时延的测量。指令典型情况为定时发送一个请求消息，并对接收到的每个响应消息产生一行对应的输出。输出信息包含接收到的数据包的大小、次序号以及以毫秒为单位的往返时间。当用户中断程序的运行时，给出总的统计信息，包括发送和接收的数据包的数目，丢失的数据包所占的百分比，以及最短、平均和最长的往返时间。但是中通用指令在许多方面不满足网络时延测试的要求，如未提供将时延数据保存的

7、功能。因此本文以为编程工具，采用协议编写一个功能类似的专用软件用于网络时延的研究。这里采用协议，是因为数据包头可以得到精确计算，能真实地测量网络性能。此程序可将测得的时延数据以文本格式保存于文件中，并且可以通过将保存在文件中的实验数据绘制成曲线并加以统计。该软件将每隔发送一次数据包，每次有个数据包，将每次的时延的平均值作为一个数据点，丢包的时延值按软件设：第二组：第三组：第二组：时间是周一（工作日），目标地址是东南大学校园网主机，源地是江苏科技大学校园网主机。表时延实验统计数据（江苏科技大学东南大学）时间第一组数据包个数丢包率时延最大值平均值：第二组：第三组：数据曲线分析用将实验测得的数据绘制

8、成曲线，局域网的第一组到第三组的数据曲线依次分别是图（）（）。广域网的第一组到第三组的数据曲线依次分别是图（）（）。实验结果分析从实验结果中可见：时延（）图（）时延测试曲线（）（）（）（）计算机工程与应用（）变化时延：由时延最大值可见存在时延值超出平均时延一个数量级的个别时刻，其表现可以从图中看出，并且这些时延的出现很不规律，说明网络时延是个随机变化的量。（）时延抖动：从时延测量曲线图中可见局域网的网络比较平稳，延迟变化范围小，丢包率小。广域网的延迟变化范围大，丢包率也大。（）数据丢失：在网络内，所有数据都是以数据包形式发送的，随时可能发生丢失，无论是在广域网还是局域网。（）既然时延是可测的，

9、因此如果将测得的时延应用到机器人遥操作研究中去，比给它一个固定的时延或者随机时延都更有实际价值。（）在测试广域网时延的过程中出现了“应答报文无法辨识”的情况，而且与丢包数相比不在少数。有研究表明，不同地点、时间段和数据包长度情况下的时延有规律可循：网络传输时延是时变的过程，对于确定的时间段近似符合正态、指数或对数正态分布中的一种，为了解决丢包问题，在设计时延发生器的过程中，包含有处理丢包的功能，即根据软件设定的超时值判断包丢失的情况下，它会保持前面所收到的数据作为本次预估值，然后把这个预估值发给滤波器。最后滤波器再对丢包数据处理器中输出的数据进行滤波。从输出波形看，这种方法可以较好地解决时延抖

10、动、丢包、乱序等问题，仿真结果如图所示。结论本文所开展的网络时延测试分析以及丢包问题解决方案等研究工作为基于网络的遥操作机器人系统研究提供了技术基础，在此工作基础上可开展以下两个方面的进一步研究：（）在测得的时延数据的基础上，可利用神经网络对时延进行预测或者模拟时延数据，并将结果应用于仿真系统，可使仿真更加逼真。（）在系统实验中，研究采用不同的控制方法，如鲁棒控制、变结构控制等来消除时延对系统性能的影响。（收稿日期：年月）通过研究具体网络系统时延的规律，。为建立高质量的实时应用系统提供参考性数据，但是对于以上所说的无法预料的情况，这一规律就失效了。参考文献时延的仿真分析在以上时延模型和时延测试数据的基础上，我们将对马宏鹏，翁春华，张蕾等机器人遥操作中的网络传输延迟分析计算机工程及应用，；（）：时延和丢包问题进行分析和仿真。采用对时延和丢包进行建模，根据测试结果设计了时延发生器；选择正弦波形作为仿真信号输入源，来模拟角位置输入信号；用仿真经过时延和丢包之后的输出状态。图为仿真模型。孙翱，顾鲁青，董晓滨等基于实时应用的网络传输时延测量设计微处理机，；（）：，计算机网络与因特网机械工业出版社，赵明国，赵杰，崔泽等模型与