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Inter net的机器人控制,首先分析了Inter net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;Inter net;遥操作中图分类号:T P24文献标识码:BNETWORK TIME-DELAY TEST AND ANALYSISIN THE CONTROL OF INTERNET-BASED

2、TELEROBOTICSWA NG Qing-pengT AN Da-longCH EN Ning(R obotics L abor atory,S heny ang Institute of A utomation,Chinese A cademy of Sc iences,S henyang,110015Abstract:In this paper,based on t he analy sis o f the main co mpo sitio n o f the Internet time-delay and it s character istics,the net wo rk t

3、ime-dela y test and its co nclusion ar e pr esent ed.Fina lly,the validit y o f the netwo rk time-delay pr edictio n alg or ithm is discussed.Keywords:tim e delay,Internet,teleoperat ion1引言(IntroductionInternet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

4、,如果把人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 telero bot以下简称网络机器人是从遥操作机器人(teler obo t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

5、变化.当前,基于Internet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(Time-delay利用Inter net作为媒介控制硬件设施最早见于1991年T royan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Ken Goldberg et al.实行的Mercur y计划把一台三自由度机器人连入Internet.其后数星期,澳大利亚T aylor等成功地建立了“Austr

6、alian T eler obo t On 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(Fr iendly Netw o rk Robotics”是1997年日本通产省(M IT I工业科学和技术前沿(IST 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 Vo l.23,N o.4July,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

7、通过计算机网络遥控操作.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 Ro bo tics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

8、包传输协议通讯,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Fer rell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

9、系统在某些情况下失稳,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In

10、ter net的机器人控制就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Tr,则有6T r=T c+T p+T d+T v其中:(1通讯时延Tc.包括通讯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时间是随着距离的增大而增大的.在遥操作中,如果远端机器人工作地点是固定的,其时间延迟当然就是固定的;如果远端机器人是移动机器人(地面、太空或水下,但运动速度较慢,则也可认为有固定延迟.随着移动机器人运动速度的加快,就要考虑延迟变化情况下的遥操作了.在网络机器

11、人中,路由选择的不同会使信息沿不同的线路传输,从而导致信息传输时间的变化,不可预测、不可改变.所谓“网络机器人中时延的不定性”主要产生于此处.(2执行时延Tp.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.T d=(Ds+Dr/V L.Ds、Dr 是发送回收的数据总量,V L是传输速率,与介质有关.这一项的存在表明数据传输量和带宽对远程作业非常重要.减少传输量固然能减小时延,但远端所获取的现场信息就可能不足.高效的数据压缩技术和良好的通讯通道有助与解决这一矛盾.(4扰动时延T v.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

12、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

13、.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,因而有着广阔317第23卷第4期王庆鹏等:基于I nt ernet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(Statisticalcharacters of the internet transmission time -delay 在Internet 上,为了让网络上的路由器报告错误或提供有关意外情况的信息,设计者在T CP /IP 中加入了Internet 控制报文协议ICMP(Internet Contr ol M essage

14、Protocol.当主机向指定目的站发送ICM P 回送请求报文后,任何收到回送请求的机器形成回送应答并把它返回给最初的发送者.回送请求中包含一个可选数据区;应答包含了在请求中所发送数据的一个拷贝.回送请求及其关联的应答可用来测试目的站是否可达或是否响应.因为请求和应答都是在IP 数据报中传送的,所以应答的成功接收就证实传送系统的主要部分是正常的.每发出一个报文段,TCP 就设定一个定时器并等待确认消息.如果在报文段中数据的确认到达之前定时器超时,TCP 就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ICM P 回送请求的命令,本文使用Ping 指令测试

15、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.Ping 指令的返回值包括数据丢失率和数据往返时间RT T (Round Tr ip Tim e等.所测试到的RT T 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 .1T ime

16、-delay test318机器人2001年7月(c局域网图1时延测试Fig.1T ime-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: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RT T时延的平均值在17002000ms左右(图1-a;沈阳至北京间的RTT时延的平均值在700 800ms左右(图1-b;而局域网LAN间RT T时延值多数为10ms(图1-c,均值在30ms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 T rip T im e的变化

17、率的最大值约为0.4.(3数据丢失(Data Lost:在网络内,所有数据都是以包(Packet形式发送,随时可能发生丢失(见图2.例如沈阳至香港的一次测试验中数据丢失率为7.67%,另一次为12.66%.表1测试结果(Table1Test result地点时间数据包量(个均值(ms丢失率沈阳到香港1999/12/1220:0022:0020002043.912.66%沈阳到北京1999/12/58:008:50350723.437%局域网1999/12/139:109:2560030.9150.02%所以,可以认为Internet的时延是:幅值有界(Am plitude Bounded:任何

18、网络中两节点间传输时延值都在一定范围内,即( min, max变化率有界(Bounded Derivatives:对广域网有(t <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 (t涉及到“超时”的概念.4网络时延的预测算法(Prediction arithmetic of network time-delayT CP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

19、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.T CP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319第23卷第4期王庆鹏等:基于I nt ernet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应Internet 网络时延的变化.该算法的要点是:T CP 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,T

20、CP 随即修改定时时限 .图2数据丢失率图图3 值对预测结果的影响Fig.2L o st rate Fig.3P redictio n result of differ ent为了搜集自适应算法所需数据,T CP 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,T CP 就修改这个连接的平均往返时间.通常T CP 软件把过去的往返时间RTT 存储起来作为一个加权平均值,再使用新的往返样本来逐步的修改这个平均值.例如使用下式:算法一:RT T = *OldRT T +(1 *New RT T选用 的值

21、接近1则加权平均值对短暂的时延变化不敏感,而 接近于0则加权平均值很快地跟随时延变化.这里我们使用上法对测试得到的数据进行了RTT 预测研究.选取不同 值对结果的影响可见图3,显然 在选取0.5时效果较佳.对RT T 进行的预测误差情况见图4.借鉴上式及文献5,我们使用下式对同一组数据预测其延时值:算法二:Difference =OldRTT -New RT TSmo othRTT =( *OldRT T +(1- *New RT T Dev =(1- *OldDev + *( Difference -OldDev Suppose=Smoo thRTT + * Dev图4预测误差结果( =0.

22、5图5RT T 值预测误差图Fig .4Pr edictio n er r or F ig .5R T T P r ediction r esult320机器人2001年7月第 23 卷第 4 期 王庆鹏等 : 基于 I nt ernet 的机器人控制中网络时延测试及分析 321 上式中 、 均取为 ( 0, 1 之间的值. 用算法二 估计的 RT T 值的误差图见图 8, 其精确度情况如表 1 所示 . RT T 的估计算法最终可能应用于基于 Int ernet 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 . 表 2 预测结果 ( Table 2 Predic

23、tion result 误差精度 ( % 百分比 ( % 5% 51. 62% 5% - 10% 28. 52% 10% - 15% 11. 55% 15% 8. 3% ( 误差精度及占总数据的百分比数 5结论( Conclusion 基于 Int ernet 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 : Int er net 的网络时延具有时变、 跳动、 数据丢失等 特点

24、 , 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 Int ernet 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 , 将 Int ernet 嵌入到 多机 器人系统中, 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( References 1 Thom as B S her idan . S pace T eleoperat ion T hroug h Tim e D el ay: 7 R eview and Prog

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26、 C on feren ce on R oboti cs and A ut omat ion , D et roit , M ichigan , M ay 1999. 219 224 4 O K A ZA K I M . 日 本 先 进 机 器 人 技 术 研 究 开 发 现 状 报 告 . S ixt eent h Joint Cooperat ing Forum In ternat ional A dvanced R oboti cs Program . 12 5 D ouglas E. Comer 用 T CP/ IP 进行网际互连 电子工业出版社 6 O boe R, Fiorini P . A Design an d Cont rol Environ ment for Int ernet -Based T el erobot ics. Th e Int ernat ional Journal of R oboti cs Resear ch , 1998, 17( 4 : 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( 1 作者简介: 王 庆鹏 ( 1972 , 男 , 博士生 . 研究领域 : 机器人学 . ( 上接第 304 页 表 4 的结果 3 中 , J7 的角度已经超