SOMR结构网络机器人的核心数据调度

文章编号 2 2 2ΣΟΜΡ结构网络机器人的核心数据调度Ξ刘作军 黄亚楼 苑晶 康叶伟南开大学软件学院天津 河北工业大学电气自动化学院天津摘要 在单操作者多智能体≥ 的网络机器人系统中 网络数据传输中的拥塞是瓶颈问题 作为操作者的核心计算机同时处理多个网络机器人的上传信息 并进行任务的协调与合作 起着全局调度的作用 其数据调度方式是多机器人系统工作效率的关键 本文目的即为解决≥ 的网络机器人系统中的数据调度方式问题 提出一种基于运筹学排队论的核心计算机数据优化调度方式 数学分析结果表明其数据传输效率高于≤≥ Ù≤⁄和令牌等方式关键词 网络机器人 调度 多智能体 运筹学中图分类号 ×° 文献标识码ΧΟΡΕΔΑΤΑΣΧΗΕΔΥΛΕΙΝΣΟΜΡΝΕΤΩΟΡΚΡΟΒΟΤΣΨΣΤΕΜ∏ 2 ∏ ≠ 2 ∏ ≠ ≠ 2ΧολλεγεοφΣοφτωαρε ΝανκαιΥνιϖερσιτψ ΤιανϕινΧολλεγεοφΕλεχτριχαλΑυτοματιον ΗεβειΥνιϖερσιτψοφΤεχηνολογψ ΤιανϕινΑβστραχτ 2 ∏ 2 × ≤° ∏ ≤° × ∏ √ ∏ ≥ ∏ ∏ ≤° × ∏ ∏ ≤≥ Ù≤⁄ 2Κεψωορδσ ∏ ∏ 21引言 Ιντροδυχτιον随着网络技术的发展 机器人应用的网络化研究也随之开展 以遥操作技术为代表的各种网络机器人技术的可行性已被证实 国外在此领域已经取得多项研究成果并得到推广 如澳大利亚西部大学的 ∏ . × 六自由度搬运机器人!伯克利大学的× 远程园丁机器人!卡耐基梅隆大学的÷ √ 机器人秘书等目前 所有网络机器人的共同特点之一是 其工作现场信息都是由摄像机通过网络向远程指令者或操作者进行传递 通常 机器人在工作现场利用视频捕捉卡采集≤≤⁄摄影机拍下的图像 根据精度的需要 将之转化为 ! !或 位等不同分辨率的位图图像 以 °∞ 等标准进行压缩编码后 通过网络进行远距离传输 在典型的≥ ∏ 2 单操作者多智能体的网络机器人系统中 网络上挂接的各底层机器人会将多组的大数据量信息同时通过互联网上传 作为操作者的核心计算机对这些图像信息进行识别和分析处理后 将相应的控制命令和协调信息等通过网络传递给工作现场的机器人 实现整个网络机器人系统的正常运行 如图 所示在宽带的光纤网上 这些信息以不同频率的光波同时进行传送 但当信息进入到所谓的最后 米时 仍需要将光信号转换为数字电信号后 通过电缆或其它导体传输给网络上作为操作者的核心第 卷第 期 年 月机器人ΡΟΒΟΤ∂Ξ基金项目 国家自然科学基金资助项目 合同号 中科院沈阳自动化所资助项目 合同号 收稿日期≤° 在这个过程中 来自不同网络机器人的多组信息之间会经常发生数据的冲突!堵塞!丢包等问题而来自多个网络机器人的大量视频数据使这些问题显得尤其突出 反映在作为操作者的核心控制计算机显示器上 连续的摄像就变成了一帧接一帧的跳跃图片 直接制约了网络机器人的控制效果和实时性 因为核心的计算机需要同时分析处理多个机器人的信息 并进行任务的协调与合作 起着全局调度的作用 其工作中的数据调度方式就成为多机器人系统工作效率的关键问题图 ≥ 网络机器人结构简图ƒ ≥ ∏ ∏ ≥2传统网络数据调度方式 Τραδιτιοναλνετωορκδατασχηεδυλε为了协调多个用户在使用网络介质和分配网络带宽中的冲突 常用的数据调度方式或介质访问方式主要有带有冲突检测的载波侦听多路存取≤≥ Ù≤⁄和令牌传递 2 两种 其中前者是互联网中所普遍使用的数据传输调度方式 2 1 ΧΣΜΑÙΧΔ方式为协调网络中各用户的冲突 需要使用π坚持≤≥ Ù≤⁄的网络控制方式 各用户的信息以帧为单位 以概率π轮流访问网络介质 总体上讲 这是一种分时的方案 但由于冲突和互让的存在 其网络利用效率又会远低于纯分时方案 例如 如果操作者同时监控Α!Β!Χ三个网络机器人 各机器人上传的视频数据在到达核心计算机时的网络传输时间分配如图 所示 可见其时间片的浪费大大降低了网络使用效率假设在单独使用核心计算机网络时 机器人Α需要 个网络总线周期传递其视频或其它信息 而Β和Χ则因摄像机数目或图像精度的原因分别需要 和 个网络总线周期 如果是在没有因冲突和互让导致时间浪费的最理想的纯分时方式下 则核心计算机的数据处理如图 所示 在前半部分中 三个机器人的信息各占 Ù 的网络时间 Α的数据传递完毕后 Β和Χ各占 Ù 最后Χ独享网络图 π坚持≤≥ Ù≤⁄中的网络时间分配与数据调度ƒ ⁄ ∏π2 ≤≥ Ù≤⁄图 理想≤≥ Ù≤⁄ 分时 方式的数据调度ƒ ⁄ ∏ ≤≥ Ù≤⁄由图可知 在此轮网络机器人系统的控制监视循环中 总体消耗的时间资源为 如果考虑到π坚持≤≥ Ù≤⁄中的使用效率π Ε ν π π ν则当π为 Ù 时 总体实际消耗为 远远大于而且随着网络机器人数目的增加 其相差的比例就会越悬殊2 2 Τοκεν−πασσινγ令牌传递× 2 方式没有≤≥ Ù≤⁄中的时间浪费问题 如图 所示图 令牌传递方式的数据调度ƒ ⁄ ∏ 2机 器 人 年 月各个网络机器人通过循环传递令牌来进行网络时间的分配和数据调度 获得令牌的机器人独占网络 信息传递结束后 将令牌以预定的顺序传递给下一个机器人 采用固定的令牌传递次序 在不同的情况下所消耗的时间资源是不同的 同前例 当传递次序为 ! !≤或≤! ! 时所消耗的时间资源分别是 和 相差令牌方式虽然不存在网络的使用冲突 但由于其传递令牌的次序问题 仍然会造成其它机器人因没有获得令牌而长时间等待的问题3优化数据调度方式 Οπτιμυμδατασχηεδυλε3 1理论分析结合≤⁄ Ù≤⁄和令牌传递两种方式的优点 并根据运筹学的排队论原理 本文从/要者优先!快者优先0的角度提出了一种网络机器人上传数据的优化调度方式 可以大大克服普通方式的不足 提高系统的总体效率 首先 根据各网络机器人在任务中的角色或所传输信息的重要性为其标定不同级别的优先权 优先权高的机器人可优先享用核心计算机的信息处理服务 其次 在同等优先权条件下 信息量少的网络机器人优先享用核心计算机的服务 根据以上这种优化的数据调度方式 可以使紧急的信息优先获得处理 而/快者优先0的数据调度方式则能够大大提高系统的总体效率 以图 所示为例 假设具有同等优先级的机器人 与 要上传数据 其在单独传输时分别需要 和 个网络周期 并且 在 开始上传数据后的第 个周期开始上传 如图 所示 本文所提的新的核心计算机数据调度方式在总体效率上远高于其它两种方式图 三种数据调度方式的不同ƒ ⁄ ∏ 3 2具体方案为实现前面所述数据调度的优化 首先需要对网络机器人所发送的数据和核心机器人的网关内部做相应的处理 在此类数据的上传前 先向核心机器人的网关发送一组包含可识别特殊标记的短信息 例如一组 位二进制数字的身份密码 使核心计算机网关能够识别这些信息的/身份0 其次 设置标识各网络机器人优先级别和信息重要性级别的标志 例如一组 位二进制数字 从最高级的 到最低级的 共分 个级别 根据网络机器人的智能化程度及其现场信息的自分析能力 可以为其设置多个级别设置权限 使机器人能够根据信息的重要程度进行灵活的处理 提高整个系统的全局效率 最后 根据信息的数据长度进行分段 也设置一组标志 例如从最短的 到最长的 共分 个级别 使短信息最先得到传输和处理这样 ≥ 网络机器人的核心计算机或者是其所处局域网的智能化网关 就可根据这组 位的二进制数的前 位识别此类信息 然后通过对其后 位数据信息进行比较 使得优先级高的或者等优先级数值小的信息优先传输和处理 根据此方式 就能使得原来无序的信息数据流得到调整和控制 减少网络的拥塞 从而大大提高了整个多机器人系统的工作效率 实现更好的总体控制效果4数学分析 Ματηεματιχσαναλψσεσ如果按照前面所提的方式 在网络遥操作多智能体机器人系统核心计算机的任务调度中 根据网络上各机器人任务的重要性和紧迫性设定不同的优先级 就可以从整体合作角度使最重要和最紧急的任务被最先执行 其效果是无需再附加说明的 下面在不考虑任务优先级或者说同等优先级的情况下 将本文所提出的时间分配方案作为排队论的典型问题来进行数学分析4 1系统的数学模型描述实体到达模式 以上传信息为实体 采用随机的泊松分布描述在 τ τ σ 时间内到达的实体数Κ的概率Π Ν τ σ Ν τ ΚΚΚ其中Ν τ 代表在 τ 区间内到达的实体个数 Κ为到达速率 在上述条件下 到达时间间隔Α服从指数分布 其密度函数为第 卷第 期刘作军等 ≥ 结构网络机器人的核心数据调度φ Α Κ ¬ ΚΑΑ¬ ΑÙΑ即顾客到达时间间隔Αι服从均值为Α分钟的指数分布服务模式 服务员 即作为操作者的核心计算机 为每个顾客 即各个智能体机器人 所服务的时间Σι服从均值为Β分钟的指数分布φ σΒ¬ σÙΒ系统硬件的最低条件应能保证Β小于Α 因为根据信息处理的原则 数据处理应于其它数据送达之前完成 否则会造成信息积压和数据堵塞 在排队论中 这被定义为服务台的利用率Θ 即Θ 平均服务时间平均到达时间间隔根据常规 本文可设定服务时间Σ小于下一条信息的传输时间 另外 核心≤° 的指令反馈信息相对于上传数据通常都要短很多 其传输时间可忽略服务规则 本文主要比较优化的快者优先的优化方案!≤≥ Ù≤⁄方式和令牌方式三种服务规则4 2 性能评价指标稳态平均延误时间δδ νψ]ΕνιΔιÙν式中Δι为第ι个实体的延误时间 ν是接受服务的实体数 平均延误时间就是实体在队列中的平均等待时间实体通过系统的稳态平均滞留时间ΩΩ νψ]ΕνιΩιÙν νψ]ΕνιΔι Σι Ùν式中Ωι为第ι个实体的通过系统的滞留时间 Σι为该实体接受服务的时间稳态平均队长ΘΘΤψ]ΘΤΘ τ τÙΤ式中Θ τ 为τ时刻的队列长度 Τ为系统运行时间 系统中稳态平均实体数ΛΛΤψ]ΘΤΛ τ τÙΤΤψ]ΘΤ≈Θ τ Σ τ τÙΤ式中Λ τ 为τ时刻系统中的实体数 Σ τ 为τ时刻正在接受服务的实体数4 3 结果比较以新方式的各项参数定为 分别和另外两种方式进行比较 则各指标的相对值如表 所示表1 三种方式的效果比较Ταβλε1 Χοντραστοφτηρεεμαννερσ±• ≤≥ Ù≤⁄ × 2可见 本文所提出的核心计算机任务调度方式具有高于其它方式的性能5 结论 Χονχλυσιον≥ 单操作者多智能体机器人系统具有广泛的实际应用价值 例如 机器人足球比赛!军用机器人部队等都属于这一类问题 而多用户视频信息等现场数据的采集能否实现高精度和高速度的传输 则是技术的关键 本文从运筹学的排队论原理 提出的优化方式大大提高了系统的工作效率 减轻了网络上因数据传输的冲突所引起的阻塞 从而在很大程度上解决了核心计算机在数据调度上的瓶颈问题 因此 从提高网络机器人系统总体效率的目的考虑 设计一种具有数据智能调度的网关 或者在局域网代理服务器中设置相关的数据调度程序 使之为网络机器人系统中的单控制者或操作者进行数据的优化调配 是有必要的参考文献 Ρεφερενχεσ≈ 陈宁 谈大龙 一种基于± ≥的网络机器人遥操作系统结构≈× •≤ ≤ ° ≈≤ 上海≈ 张建光 常一志 网络机器人遥操作实现研究≈应用科技 28≈ 吴国钊 傅雪东 裴海龙 基于 ×∞ ∞×的机器人实时跟踪系统≈ 华南理工大学学报 21≈ ≥ ≤ ∂ ∏ 2¬ ∏ ≈ ≤∞∞ ° ≈≤ ≤ ∏≈ ∏ ∏ ∏ ÷∏ √ ∏≈ ∏≈ 钱讼迪 运筹学≈ 北京 清华大学出版社≈ 宋宇 孙茂相 网络环境下基于的多机器人协调与路径规划≈ 机器人 22≈ × ∏ ≥ ≤ ∏ ∞ ≈≤× ∏ √ °∏ ∏≈ 汤宇松 刘景泰 卢桂章 利用远程网络技术的机器人遥操作系统分析≈ 机器人 22作者简介刘作军 2 男 博士生 研究领域 智能机器人控制 黄亚楼 2 男 教授 博士生导师 研究领域 智能机器人 智能信息处理机 器 人 年 月。