WIRELESS CONTROL OF AMULTIHOP MOBILE ROBOT SQUAD

Author : MIKAEL POHJOLA, SHEKAR NETHI, RIKU JÄNTTI, HELSINKI UNIVERSITY

Speaker:黃俊傑

IEEE Wireless Communications • February 2009 Volume: 16 , Issue: 1 

OUTLINE

INTRODUCTION

COMMUNICATION CONSTRAINED CONTROL

PID-CONTROLLER TUNING FOR DELAY JITTERS

STATE ESTIMATION WITH REGULAR CONTROL

ROUTING PROTOCOLS AND PRIORITIZATION

SIMULATIONS SCENARIO

RESULTS & CONCLUSIONS

INTRODUCTION

每個機器人可以自主控制其運動，機器人之間的合作需要他們的訊息交換，機器人是由該組的一個領導者，接收這些控制消息後，控制隊伍的行動。

一個有效率的路由協議是能夠建立和保持拓撲結構的變化，根據節點和目的地之間的路徑，但保持較低資源。

路由和控制算法。系統綜合控制平台和交流合作模擬器上模擬和評估。算法的性能進行評估，在這種情況下移動機器人控制系統。

PiccSIM無線控制系統的模擬。  NS-2，和一個動態系統模型與控制算法 Simulink模擬網絡模擬。

COMMUNICATION CONSTRAINED CONTROL 無線控制中，控制器是位於距離從控制過程，控制（ U）和測量（ y）的數據包必須被送到了一個不可靠的網絡，在圖 1。

從控制的角度，這種通訊沒有考慮到在傳統的控制理論的損失和延遲。

Figure 1. Networked control loop for jitter tuned PID controller (top), and for Kalman filter (estimation) with regular PID controller(bottom).

在模擬的控制環路的穩定性的，連續的封包遺失，使得模擬難以控制和控制系統不穩定。

存在兩個主要的控制方法，在圖 1的PID控制器或使用狀態回授控制器。

另一種方法是使用預估，例如使用卡爾曼濾波器。

PID-CONTROLLER TUNING FOR DELAY JITTERS 延遲抖動，可能造成造成網絡控制迴路不穩定。

不同的時間延遲的穩定控制系統，可以證明由抖動界線定理。抖動幅度定義額外的延遲量控制系統，可以使系統較為穩定，抖動幅度稱為 δmax。

無論是通信延遲、額外的延遲抖動或是封包丟棄，使控制器等待下一次測量的數據包。

這裡使用一個 PID控制器整定方法，埃里克森的方法是不同的延遲控制系統。

STATE ESTIMATION WITH REGULAR CONTROL 另一種方法是使用估計量，估計在由網絡引起的數據包丟棄  -在我們的模擬情況下，機器人的位置控制過程的輸出。

例如卡爾曼濾波器由於其方便的形式預測和更新階段。對於網絡的測量，它還可以容納不同的延誤或部分缺少的數據。

ROUTING PROTOCOLS AND PRIORITIZATION 要找到一個路徑從一個節點到目的節點的距離，考慮環境的差異和動態和溝通。

一個有效率的路由協議是能夠建立和保持拓撲結構的變化，根據節點和目的地之間的路徑，但保持較低資源的需求。

我們評估了三個不同的路由協議：一條路徑，多路徑，一個廣播型協議。

ad hoc on-demand distance vector (AODV) 基於距離向量算法，它試圖找到最短距離的路徑，主要是一個來源和目的節點之間的單一路線。

Localized Multiple Next-hop Routing (LMNR ) 這是一個為無迴路和鏈接不相交多路徑AODV擴展協議。使每個節點的成本為基礎的多個可用路徑選擇。

Sink Initiated Routing Protocol (SIRP) 類似 LMNR ，該系統採用了集中的地方領導者發送廣播消息的方法。

的網絡範圍內的路由請求每次發生鏈接故障， SIRP限制範圍內網絡給領導者，這種方法減少了訊息的數量。

SIMULATIONS SCENARIO

每個機器人 GPS定位，並發送位置信息給領導者。然後計算出所需的路徑和發送控制訊號，同時考慮到碰撞和所需的最終隊形

無線模組具 15公尺，每個機器人可以多跳通訊。錯誤的封包的模式，對控制系統的穩定性有很大的影響。

模擬使用萊斯傳播模型。機器人的速度被限制為小於 1.5米 /秒。

25機器人小隊的四個隊形的變化，如圖 2所示。

Figure 2. Formations in simulation. The leader node is indicated by L. Robots start initially from the same location (center). The four formations are looped two times.

在模擬測試，單路徑（ AODV）和多路徑（ LMNR和 SIRP）路由協議的抖動界線調整的 PID控制器，和卡爾曼濾波器與常規 PID控制器。

我們評估了所有的三個不同的路由協議和模擬不同的通信間隔兩種控制結構： H =1秒， H =2秒， H =4秒，為機器人控制器和控制器機器人，產生各自的總包率， 50， 25， 12.5 pkts/ s。

RESULTS & CONCLUSIONS

比較好的是抖動界線調整。缺點是額外的計算複雜性。

使用 PiccSIM與無線移動機器人情況下進行評估網絡和控制設計選擇。模擬結果表明，與預期相反。

AODV協議的執行也比較多路徑路由和廣播式路由數量較少的鏈接斷裂。只有在高流動性的情況下，這一結論是有效的。

使用估計和定期控制器抖動界線調整控制器（表 3），增加計算成本費用。

最後，優先級提高整體控制系統的性能，延長幾跳的循環控制，減少通信延遲。優先次序的情況下，需要不同的控制迴路不同數目的躍點溝通，取得了良好的整體控制性能。

Figure 3. Packet delay for single-path routing as a function of hops. Decreasein end-to-end delay when using prioritization indicated with arrow.

AODV協議在表 1的結果表明優於 LMNR和SIRP。這表明，機器人和通道模式的特點不斷的流動性緩解在 LMNR/ SIRP多個路徑的優勢，同樣增加了成本控制。 SIRP未能適應迅速變化的網絡拓撲結構相比，如AODV和 LMNR的。這表明使用頻率較高的SIRP廣播包，導致網絡擁塞。

Table 1. Network performance averaged over all the simulations.

在輕型網絡的性能， AODV 協議是比LMNR更好， SIRP表現最差，雖然其路徑負擔是最低的。這也反映在表 2中，其中的成本是不同的路由協議和通信間隔的控制性能。成本控制與通信的時間間隔較長的增加，因為改變的形成需要較長的時間。

Table 2. Control cost (average ISE) for differentrouting protocols and communication intervals.

表 3中優先級的效果，被視為控制成本是為控制使用的優先次序結構。該表還顯示了一個較小的成本與常規控制器比抖動界線調整控制器的成本估計為。這主要是因為網絡感知控制器比常規控制器的失諧。估計，然而，顯著提高了計算複雜度的 PID控制器相比。

Table 3. Control cost (average ISE) for different control structures with and without packet prioritization.