基于網(wǎng)絡的遙操作機器人系統(tǒng)傳輸時延研究

1、基于網(wǎng)絡的遙操作機器人系統(tǒng)傳輸時延研究芮素波曾慶軍（江蘇科技大學電子信息學院，江蘇鎮(zhèn)江）：摘要文章主要研究了基于網(wǎng)絡的遙操作機器人系統(tǒng)傳輸時延的測試、分析以及數(shù)據(jù)丟包的解決方案。首先概括地介紹了系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理，然后采用軟件編寫網(wǎng)絡時延測試軟件，并進行多種實驗，最后對實驗結(jié)果進行了分析，并給出了針對丟包問題的解決方案，同時基于仿真實驗驗證了該方案的有效性和可靠性。關(guān)鍵詞遙操作機器人系統(tǒng)網(wǎng)絡時延文獻標識碼中圖分類號文章編號（）（，）：，：，引言遙操作機器人系統(tǒng)是指在人的操縱下在人難以接近、難以網(wǎng)絡遙操作機器人系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示，基于網(wǎng)絡的遙操作機器人系統(tǒng)實驗平臺由以進入或?qū)θ擞泻Φ沫h(huán)境中完成比

2、較復雜操作的一種遠距離操作系統(tǒng)?；诘倪b操作機器人系統(tǒng)是指操作者通過計算機網(wǎng)絡操縱異地的機器人或其他硬件設(shè)備進行作業(yè)或與異地環(huán)境進行交互的自動化系統(tǒng)。近年來，基于網(wǎng)絡的遙操作機器人研究取得了很大的進展?；诘倪b操作機器人研究的目的是利用傳送人類的行為動作，使機器人在遠程復現(xiàn)人類的行為意圖，進而實現(xiàn)跨越空間的行為延伸。遙操作機器人系統(tǒng)的實現(xiàn)，將極大地改善機器人的作業(yè)能力，如遠程制造、遠程操作、空間探索、海洋開發(fā)、遠程醫(yī)療等?；诰W(wǎng)絡的時延有其獨特的特點。在基于網(wǎng)絡的機器人遙由于中數(shù)操作系統(tǒng)中，時延的一個顯著的特點是變化。據(jù)傳輸時延是影響遙操作控制系統(tǒng)品質(zhì)的一個主要因素，時延模型的建立是一切分析解

3、決遙操作時延控制問題的基礎(chǔ)，且時延（往往是隨機時延）是由網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸時帶寬限制和網(wǎng)站上數(shù)據(jù)擁擠造成的。目前基于網(wǎng)絡的遙操作系統(tǒng)已有的一些研究，大多建立在對網(wǎng)絡時延的假設(shè)基礎(chǔ)之上，由于網(wǎng)絡時延的隨機性和不可預測性，因此通過實驗測試時延來研究網(wǎng)絡控制系統(tǒng)更具有實際意義。本文先用編寫的網(wǎng)絡時延的測試軟件對時延進行測試和分析，最后對實驗結(jié)果進行分析，并給出了針對丟包問題的解決方案，同時基于仿真實驗驗證了該方案的有效性和可靠性。下大部分組成：操作者，機器人主手子系統(tǒng)，通信環(huán)節(jié)，機器人從手子系統(tǒng)和作業(yè)環(huán)境。操作者可以通過操作主手來靈活地控制連接在的機器人從手并作用于環(huán)境，實現(xiàn)主從手之間位置和力的跟蹤。主控

4、計算機提供給操作者遠程工作環(huán)境的實時視頻并對機器人主手進行控制。從控計算機接收主手的控制命主要完成采集、處理、傳輸視頻圖像，監(jiān)聽、令并對機器人從手進行控制等工作。主手位置和力信號采集機器人主手主控計算機主手控制單元從控計算機從手位置和力信號采集攝像頭從手控制單元機器人從手操作者作業(yè)環(huán)境圖網(wǎng)絡遙操作機器人系統(tǒng)構(gòu)成示意圖圖表網(wǎng)絡時延計算模型網(wǎng)絡時延考察的對象應當是一個數(shù)據(jù)包從一個主機傳至另一個主機所需時間即單程時延。時變的網(wǎng)絡載荷和動態(tài)路由使得建立的時延計算模型十分困難，本文采用與提出的統(tǒng)計方法，把作為黑箱處理，得到雙向時延（）的統(tǒng)計規(guī)律。時延是一個包從一個主機傳至另一個主機再傳回原基金項目：國家

5、自然科學基金資助項目（編號：）；江蘇省高校自然科學基金資助項目（編號：）：（），計算機工程與應用主機所需的時間。因此對網(wǎng)絡單程時延進行粗略的估算：定的超時值（）計算，下文的時延曲線可看成是平均時延的分布圖。實驗結(jié)果和分析發(fā)送的源地址：，目的地址：（局但不能用于精確測定網(wǎng)絡單程時延。由于時延可反映網(wǎng)絡單程時延的情況，測量又較為方便，故我們使用時延代替單程網(wǎng)絡時延進行網(wǎng)絡時延分析。域網(wǎng)，江蘇科技大學校園網(wǎng)主機地址），目的地址：（東南大學校園網(wǎng)主機地址），數(shù)據(jù)包的大?。?。實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計第一組：時間是周一（工作日），目標地址是江蘇科技大學校園網(wǎng)主機，源地是本機（屬于江蘇科技大學校園網(wǎng)）。表時延實驗統(tǒng)計數(shù)

6、據(jù)（江蘇科技大學局域網(wǎng)）數(shù)據(jù)包個數(shù)丟包率時延最大值平均值網(wǎng)絡時延測試實驗實驗環(huán)境局域網(wǎng)：在本校的實驗室和校園網(wǎng)之間；廣域網(wǎng)：在江蘇科技大學和東南大學的校園網(wǎng)的主機之間進行測試。時延測試方法時間第一組指令是一個常用的網(wǎng)絡診斷工具，可用于對時延的測量。指令典型情況為定時發(fā)送一個請求消息，并對接收到的每個響應消息產(chǎn)生一行對應的輸出。輸出信息包含接收到的數(shù)據(jù)包的大小、次序號以及以毫秒為單位的往返時間。當用戶中斷程序的運行時，給出總的統(tǒng)計信息，包括發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)包的數(shù)目，丟失的數(shù)據(jù)包所占的百分比，以及最短、平均和最長的往返時間。但是中通用指令在許多方面不滿足網(wǎng)絡時延測試的要求，如未提供將時延數(shù)據(jù)保存的

7、功能。因此本文以為編程工具，采用協(xié)議編寫一個功能類似的專用軟件用于網(wǎng)絡時延的研究。這里采用協(xié)議，是因為數(shù)據(jù)包頭可以得到精確計算，能真實地測量網(wǎng)絡性能。此程序可將測得的時延數(shù)據(jù)以文本格式保存于文件中，并且可以通過將保存在文件中的實驗數(shù)據(jù)繪制成曲線并加以統(tǒng)計。該軟件將每隔發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，每次有個數(shù)據(jù)包，將每次的時延的平均值作為一個數(shù)據(jù)點，丟包的時延值按軟件設(shè)：第二組：第三組：第二組：時間是周一（工作日），目標地址是東南大學校園網(wǎng)主機，源地是江蘇科技大學校園網(wǎng)主機。表時延實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)（江蘇科技大學東南大學）時間第一組數(shù)據(jù)包個數(shù)丟包率時延最大值平均值：第二組：第三組：數(shù)據(jù)曲線分析用將實驗測得的數(shù)據(jù)繪制

8、成曲線，局域網(wǎng)的第一組到第三組的數(shù)據(jù)曲線依次分別是圖（）（）。廣域網(wǎng)的第一組到第三組的數(shù)據(jù)曲線依次分別是圖（）（）。實驗結(jié)果分析從實驗結(jié)果中可見：時延（）圖（）時延測試曲線（）（）（）（）計算機工程與應用（）變化時延：由時延最大值可見存在時延值超出平均時延一個數(shù)量級的個別時刻，其表現(xiàn)可以從圖中看出，并且這些時延的出現(xiàn)很不規(guī)律，說明網(wǎng)絡時延是個隨機變化的量。（）時延抖動：從時延測量曲線圖中可見局域網(wǎng)的網(wǎng)絡比較平穩(wěn)，延遲變化范圍小，丟包率小。廣域網(wǎng)的延遲變化范圍大，丟包率也大。（）數(shù)據(jù)丟失：在網(wǎng)絡內(nèi)，所有數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送的，隨時可能發(fā)生丟失，無論是在廣域網(wǎng)還是局域網(wǎng)。（）既然時延是可測的，

9、因此如果將測得的時延應用到機器人遙操作研究中去，比給它一個固定的時延或者隨機時延都更有實際價值。（）在測試廣域網(wǎng)時延的過程中出現(xiàn)了“應答報文無法辨識”的情況，而且與丟包數(shù)相比不在少數(shù)。有研究表明，不同地點、時間段和數(shù)據(jù)包長度情況下的時延有規(guī)律可循：網(wǎng)絡傳輸時延是時變的過程，對于確定的時間段近似符合正態(tài)、指數(shù)或?qū)?shù)正態(tài)分布中的一種，為了解決丟包問題，在設(shè)計時延發(fā)生器的過程中，包含有處理丟包的功能，即根據(jù)軟件設(shè)定的超時值判斷包丟失的情況下，它會保持前面所收到的數(shù)據(jù)作為本次預估值，然后把這個預估值發(fā)給濾波器。最后濾波器再對丟包數(shù)據(jù)處理器中輸出的數(shù)據(jù)進行濾波。從輸出波形看，這種方法可以較好地解決時延抖

10、動、丟包、亂序等問題，仿真結(jié)果如圖所示。結(jié)論本文所開展的網(wǎng)絡時延測試分析以及丟包問題解決方案等研究工作為基于網(wǎng)絡的遙操作機器人系統(tǒng)研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)，在此工作基礎(chǔ)上可開展以下兩個方面的進一步研究：（）在測得的時延數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可利用神經(jīng)網(wǎng)絡對時延進行預測或者模擬時延數(shù)據(jù)，并將結(jié)果應用于仿真系統(tǒng)，可使仿真更加逼真。（）在系統(tǒng)實驗中，研究采用不同的控制方法，如魯棒控制、變結(jié)構(gòu)控制等來消除時延對系統(tǒng)性能的影響。（收稿日期：年月）通過研究具體網(wǎng)絡系統(tǒng)時延的規(guī)律，。為建立高質(zhì)量的實時應用系統(tǒng)提供參考性數(shù)據(jù)，但是對于以上所說的無法預料的情況，這一規(guī)律就失效了。參考文獻時延的仿真分析在以上時延模型和時延測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們將對馬宏鵬，翁春華，張蕾等機器人遙操作中的網(wǎng)絡傳輸延遲分析計算機工程及應用，；（）：時延和丟包問題進行分析和仿真。采用對時延和丟包進行建模，根據(jù)測試結(jié)果設(shè)計了時延發(fā)生器；選擇正弦波形作為仿真信號輸入源，來模擬角位置輸入信號；用仿真經(jīng)過時延和丟包之后的輸出狀態(tài)。圖為仿真模型。孫翱，顧魯青，董曉濱等基于實時應用的網(wǎng)絡傳輸時延測量設(shè)計微處理機，；（）：，計算機網(wǎng)絡與因特網(wǎng)機械工業(yè)出版社，趙明國，趙杰，崔澤等模型與