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Internet環(huán)境下遙操作機器人系統(tǒng)傳輸時延研;一、選題背景及其意義;遙操作就是遠(yuǎn)距離操作，是在遠(yuǎn)方人的行為動作遠(yuǎn)距離;基于Internet的遙操作機器人是指將機器人與;其中，數(shù)據(jù)傳輸是遙操作機器人系統(tǒng)的一個非常重要的;基于Internet的遙操作機器人系統(tǒng)，一方面得;目前，對于遙操作機器人系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時延問題應(yīng)對策略的;二、國內(nèi)外研究動態(tài);在很長一段時間，關(guān)

Internet環(huán)境下遙操作機器人系統(tǒng)傳輸時延研究

一、選題背景及其意義

遙操作就是遠(yuǎn)距離操作，是在遠(yuǎn)方人的行為動作遠(yuǎn)距離作用下，使事物產(chǎn)生運動變化。遙操作是一種基礎(chǔ)技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，如機器人領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、基礎(chǔ)科學(xué)試驗、核工程、海底與遠(yuǎn)洋作業(yè)等。遙操作技術(shù)使移動機器人到達(dá)艱險的環(huán)境，通過機器人完成特定的任務(wù)，從而可以使人遠(yuǎn)離艱險的工作環(huán)境。

基于Internet的遙操作機器人是指將機器人與Internet連接，使人們可以在任何地方通過瀏覽器訪問機器人，實現(xiàn)對機器人的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。它以Internet為構(gòu)架，不僅降低了遙操作系統(tǒng)的成本，也使機器人為Internet上越來越多的人們所熟悉和共享。

其中，數(shù)據(jù)傳輸是遙操作機器人系統(tǒng)的一個非常重要的組成部分。從通信領(lǐng)域來說，分為無線和有線數(shù)據(jù)傳輸。隨著Internet的出現(xiàn)及廣泛應(yīng)用，通過Internet進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控機器人越來越成為一個重要研究方向。

基于Internet的遙操作機器人系統(tǒng)，一方面得益于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娘@著優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò)資源廉價、普及范圍廣、所需硬件少;另一方面，Internet上數(shù)據(jù)流具有多樣性，遙操作機器人系統(tǒng)必需的實時性特點所需要的高優(yōu)先級必然不能達(dá)到。同時，Internet本身固有的特點，由于網(wǎng)絡(luò)延時和負(fù)荷變化所具有的隨機性、可變性和不可預(yù)測性引起了遙操作控制過程中的隨機時延及延遲抖動，遙操作機器人系統(tǒng)的可控性、穩(wěn)定性及透明度都受到負(fù)面影響。

具有臨場感效果的遙操作機器人系統(tǒng)應(yīng)用于太空活動和深海探測等距離遙遠(yuǎn)的地方，但遠(yuǎn)地從機器人與本地操作者之間長達(dá)幾秒到幾十秒不等的通信時延卻成為影響系統(tǒng)正常工作的突出問題。這不僅降低了系統(tǒng)的臨場感效果，使操作者難以實時地、真實地感知遠(yuǎn)地環(huán)境的情況，而且造成了系統(tǒng)的不穩(wěn)定，尤其是在從機器人與環(huán)境發(fā)生力的交互作用過程中。具體說來，問題的根源主要集中在網(wǎng)絡(luò)時延和數(shù)據(jù)可靠性兩大問題上。其中，數(shù)據(jù)可靠性又與網(wǎng)絡(luò)時延有著密不可分的關(guān)系。

目前，對于遙操作機器人系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時延問題應(yīng)對策略的研究主要集中在控制理論領(lǐng)域，如基于電路網(wǎng)絡(luò)理論的無源控制法則、基于現(xiàn)代控制理論的控制算法和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的模型修正法等。其共同的特點是把網(wǎng)絡(luò)看作一個不可知(黑盒子)和不可控的對象，在控制領(lǐng)域?qū)ふ覒?yīng)對方法,以期消除網(wǎng)絡(luò)時延對遙操作系統(tǒng)中信息、數(shù)據(jù)傳輸帶來的負(fù)面影響。

但是，科學(xué)地講，網(wǎng)絡(luò)時延雖然具有相當(dāng)顯著的不確定性，但它是一個可控、可預(yù)測的對象。因而，從網(wǎng)絡(luò)體系及網(wǎng)絡(luò)時延本身出發(fā)，從遙操作機器人系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的互動需求出發(fā)，提出滿足遙操作機器人系統(tǒng)需求的時延相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和適應(yīng)性方法，從而與控制領(lǐng)域的研究成果達(dá)成互補的效果。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,盡可能地提高系統(tǒng)透明度，滿足期望的操作性，達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性與透明度的動態(tài)平衡性,即隨著系統(tǒng)狀態(tài)在穩(wěn)定性和透明度之間找到一個合理的折中,使得系統(tǒng)在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上盡可能提高操作性能。通過跨學(xué)科的努力，從根本上解決Internet環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)時延及時延抖動對遙操作機器人系統(tǒng)的影響和限制，縮短遙操作機器人系統(tǒng)理論與實用化的距離，為遙操作機器人技術(shù)提供更加廣闊的應(yīng)用空間。

二、國內(nèi)外研究動態(tài)

在很長一段時間，關(guān)于遙操作機器人系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時延問題集中在控制理論領(lǐng)域，早在60年代Ferrell就指出時間延遲的存在會使遠(yuǎn)程機器人工作不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定性可以從以下幾個角度分析:

在古典控制論奈奎斯特穩(wěn)定性分析中，將復(fù)平面上開環(huán)頻率特性曲線不能包圍-1點作為系統(tǒng)穩(wěn)定的條件，并進一步從工程角度出發(fā)，要求一個系統(tǒng)不但要做到穩(wěn)定，還應(yīng)該有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕量才可使用。然而一個系統(tǒng)的參數(shù)的不確定性，控制模型的不合理的簡化，卻會使系統(tǒng)在某些情況下失穩(wěn)，網(wǎng)絡(luò)機器人控制中典型的就是延時的不確定性所帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以對網(wǎng)絡(luò)機器人控制問題的研究往往要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性(Robustness)，即“是否穩(wěn)定”和“穩(wěn)定裕量”。

從能量角度分析，遙操作系統(tǒng)要想保持穩(wěn)定，其輸入能量必須大于輸出能量，而通訊系統(tǒng)的'存在會很容易的違反這一要求。

從負(fù)反饋角度分析:負(fù)反饋是實現(xiàn)控制的基本方法，但負(fù)反饋并不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計不好的負(fù)反饋系統(tǒng)的被控制量也會出現(xiàn)震蕩的情況，即不穩(wěn)定。一個閉環(huán)系統(tǒng)如果其閉環(huán)增益大于一，其半個工作周期等于時間延遲值，則系統(tǒng)將處于正反饋而非負(fù)反饋，此頻率的能量將連續(xù)加入系統(tǒng)而導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

現(xiàn)階段，遙操作機器人系統(tǒng)克服時延影響的研究發(fā)展策略主要集中在基于電路網(wǎng)絡(luò)理論的無源控制法、基于現(xiàn)代控制理論的控制算法、基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的控制結(jié)構(gòu)和控制算法等幾個方面。

加拿大多倫多大學(xué)的StrassbergY.和GoldenbergA.A.等人則利用現(xiàn)代控制理論中的Lyapunov穩(wěn)定性判據(jù)分析臨場感系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件。LawrenceD.A.針對穩(wěn)定性和臨場感特性在時延下的不協(xié)調(diào)，提出了“無源距離(passivitydistance)”和“透明距離(transparencydistance)”的概念，用以指導(dǎo)臨場感系統(tǒng)的設(shè)計。LeungG.M.H.和FrancisB.A.等人利用基于“無源距離”和“透明距離”的綜合評價法設(shè)計臨場感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),并利用H∞最優(yōu)控制理論指導(dǎo)時延下臨場感系統(tǒng)中控制器的設(shè)計。

1984年,NoyesG.和SheridanT.B.設(shè)計了用于遙操作的第一個視覺預(yù)測顯示系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中用機械手的計算機仿真模型疊加在經(jīng)時延后反饋的機械手視頻圖象上，仿真模型和操作者之間是實時交互，用以預(yù)測遠(yuǎn)處環(huán)境中機械手的運動。實驗證明，該方法可以極大地提高系統(tǒng)的操作性能。1986年，SheridanT.B.又構(gòu)造了實驗系統(tǒng)用以驗證視頻預(yù)測顯示的有效性。結(jié)果表明，在視頻預(yù)測顯示的幫助下，任務(wù)完成時間減少50%。1992年，KototuT.等人基于BejczyA.K.在1990年提出的“幻影機器人”的思想上，給虛擬從手加入了力反饋。結(jié)果表明，增加了力反饋使得控制穩(wěn)定，而且從手的運動比僅靠圖形顯示判斷接觸力時快了三倍。1996年，MorikawaH.等人通過建立“虛擬引導(dǎo)模型”引入預(yù)測力反饋。2000年，ItohT.等人對基于半自動任務(wù)導(dǎo)向虛擬工具，并具有運動和力標(biāo)定的人-機協(xié)作遙操作系統(tǒng)提出了新的控制算法。

實際上，從研究人員對遙操作系統(tǒng)中得網(wǎng)絡(luò)時延問題的探索研究過程中我們不難發(fā)現(xiàn)：基于電路網(wǎng)絡(luò)理論的無源通訊法則所實現(xiàn)的控制算法對解決短時延問題具有較好的效果，而在長時延的情況下，要實現(xiàn)在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時又具有良好的可操作性則顯得無能為力;由于現(xiàn)代控制理論的不完善及其系統(tǒng)實現(xiàn)上的困難等原因，基于現(xiàn)代控制理論所提出的各種控制算法亦未能較好地解決系統(tǒng)通信時延問題。然而，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于臨場感遙操作機器人系統(tǒng)來克服通信時延，從而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性得以同時實現(xiàn)。因此，我們認(rèn)為虛擬現(xiàn)實技術(shù)必定會成為克服時延對遙操作系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)面影響的研究的主流方向。

以上這些方法策略的共同點是:把網(wǎng)絡(luò)看作一個不可知(黑盒子)和不可控的對象，在控制領(lǐng)域?qū)ふ覒?yīng)對網(wǎng)絡(luò)時延的方法。而在Internet環(huán)境下的遙操作領(lǐng)域針對時延的網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)方面的研究則不是太多。

基于Internet的遙操作機器人系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時延的研究主要是在定常時延和時變時延兩個假設(shè)基礎(chǔ)之上進行的。其中，以定常時延為基礎(chǔ)的研究最為廣泛而以時變時延為基礎(chǔ)的研究更具有實用價值。現(xiàn)階段的針對網(wǎng)絡(luò)時延的研究大體可以分為以下幾個方向:

(1)分析、研究時延特點，給出時延估測模型，并以此模型為基礎(chǔ)研究整個遙操作機器人系統(tǒng)的控制模型;

(2)大量實驗測試，分析時延呈現(xiàn)出來的統(tǒng)計特性，預(yù)測其可能遵循的函數(shù)規(guī)律;

(3)利用時延緩沖器管理算法，將時變時延轉(zhuǎn)化為定常時延;

(4)通過修改、創(chuàng)新時鐘同步算法，來獲取較準(zhǔn)確地單向傳輸時延;

(5)重點分析與評估傳輸時延對通過不同的傳輸協(xié)議傳遞信息所帶來的負(fù)面影響，通過改進TCP/RTP/RTCP/UDP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來解決問題。

三、課題研究內(nèi)容

通過目前遙操作機器人系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，對于一般的遙操作機器人系統(tǒng)，帶寬雖然有限，但通常還是能夠得到保證，所以時延也幾乎是常數(shù)。而基于Internet的遙操作機器人系統(tǒng)則有所不同，其傳輸時延則是不斷變化的。遙操作機器人系統(tǒng)是時延敏感的，且實時性要求很高，因而Internet提供的這些通信條件給遙操作系統(tǒng)的開發(fā)帶來很大困難，傳輸中的大時延、時延抖動和不能保證的帶寬將引發(fā)不穩(wěn)定的問題，如果不適當(dāng)?shù)剡M行控制就會導(dǎo)致系統(tǒng)性能極大下降。

基于上述問題，本文著重從網(wǎng)絡(luò)時延進行研究，大致可以分為以下幾個方面：

(1)基于時鐘同步的網(wǎng)絡(luò)單向時延的研究。研究時延問題的關(guān)鍵之一在于能比較精確地確定時延的大小，分析當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)單向時延研究成果及相關(guān)方法，分析單向時延的統(tǒng)計特性，重點分析網(wǎng)絡(luò)單向時延的特點及其對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶厥庑?從其特性出發(fā)，建立基于時鐘同步算法的單向時延測算算法模型，驗證基于時鐘同步算法的單向時延測算算法的有效性。

(2)對TCP協(xié)議進行改進。分析數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實現(xiàn)過程以及TCP協(xié)議內(nèi)在三大機制:超時重傳、慢啟動和擁塞避讓。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)開發(fā)新型數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議需要達(dá)到的要點;基于上述模擬實驗的有效結(jié)果及對協(xié)議的功能需求，在NS2中對TCP協(xié)議進行改進，通過引入時延變量以及以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的時延的智能預(yù)測模塊重新構(gòu)造TCP協(xié)議中擁塞控制機制，以期達(dá)到時延抖動小、連續(xù)有序和數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)哪康摹?/p>

四、研究方案及難點

在基于Internet的機器人遙操作系統(tǒng)中，時延的一個顯著的特點是變化。由于Internet中數(shù)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(luò)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(luò)的遙操作系統(tǒng)已有的一些研究，大多建立在對網(wǎng)絡(luò)時延的假設(shè)基礎(chǔ)之上，由于網(wǎng)絡(luò)時延的隨機性和不可預(yù)測性,通過實驗測試時延來研究網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)更具有實際意義。

首先，我們應(yīng)該分析當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時延的研究成果及相關(guān)方法，通過進行實驗得到相關(guān)數(shù)據(jù)

分析時延的特點和統(tǒng)計特性以及時延和時延抖動對遙操作系統(tǒng)的透明性和可操作性產(chǎn)生的負(fù)面影響，尋求二者之間可能存在的平衡關(guān)系。

其次，研究時延問題的關(guān)鍵之一在于能比較精確地確定時延的大小，因此需要設(shè)計新的時鐘同步算法，使其同步的精度達(dá)到可以接受的程度，對單向時延進行更加精確地測算。進而建立基于時鐘同步算法的單向時延測算算法模型，基于該模型建立實驗拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，模擬數(shù)據(jù)傳輸場景，驗證基于時鐘同步算法的單向時延測算算法的有效性。

再次，利用更加精確地網(wǎng)絡(luò)時延數(shù)據(jù)對TCP中的擁塞控制機制進行改進，對改進后的協(xié)議進行性能評估。通過在擁塞控制算法中加入時延變量，建立更適應(yīng)于遙操作機器人系統(tǒng)實時性的改進的TCP傳輸協(xié)議，使得擁塞控制算法和時延的關(guān)系更加密切，讓時延的變化能更快的反應(yīng)到網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸中去。

然后，可以將以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的時延的智能預(yù)測模塊加入到改進的TCP協(xié)議，使其擁有對時延的一般的預(yù)測功能，輔助新的擁塞控制算法，以期達(dá)到更高的應(yīng)用價值。

最后，在NS2網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境下，使用改進后的傳輸協(xié)議，建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，模擬遙操作機器人系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程，驗證新型協(xié)議的有效性;在實際環(huán)境中使用改進后的傳輸協(xié)議作為系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，從實用系統(tǒng)角度驗證協(xié)議的有效性。

五、預(yù)期成果和可能的創(chuàng)新點

在對時延在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中的特性分析、總結(jié)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計新的時間同步算法，得到更加精確地網(wǎng)絡(luò)時延，以此來改進TCP協(xié)議中現(xiàn)有的擁塞控制機制，并加入時延的智能預(yù)測模塊，以期得到更加適合網(wǎng)絡(luò)實時控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，實現(xiàn)時延抖動小、連續(xù)有序和可靠地數(shù)據(jù)傳輸。

其中，可能的創(chuàng)新點有：一種新的時間同步算法，能更加精確地測量網(wǎng)絡(luò)時延;增加了時延變量的擁塞控制機制，可以更快的將時延的變化反映到到數(shù)據(jù)的傳輸過程中;一個融入到改進后的傳輸協(xié)議的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時延智能預(yù)測模塊，可以提高其實用性和穩(wěn)定性。

六、論文工作計劃

論文工作的總體時間安排：

1、2011年9月，開題準(zhǔn)備工作，查找基于Internet的遙操作機器人系統(tǒng)傳輸時延的相關(guān)資料，了解國內(nèi)外的發(fā)展動態(tài)，對課題進行可行性分析，確定課題的最終研究方向及課題內(nèi)容。

2、2011年10月—2011年12月，進行深入分析，認(rèn)真學(xué)習(xí)與本研究課題相關(guān)的理論知識。3、2012年1月—2012年2月，進行相關(guān)系統(tǒng)的概要設(shè)計和實驗環(huán)境的搭建。

七、主要參考文獻

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