[論文レビュー] Decentralized Control of a Hexapod Robot Using a Wireless Time Synchronized Network

James C. Fang, Dinesh Parimi+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2018

Network Time Synchronization Technologies参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、無線で時間同期されたIEEE802.15.4e TSCHネットワークを用いた、ヘキサポッドロボットの分散型制御システムを提示する。2つの独立したOpenMoteコントローラーが別々のトライポッドを管理する。ネットワーク同期のグローバル時刻基準（ASN）を活用することで、歩行同期誤差は112マイクロ秒以内に制限され、ずれが生じず、無限に安定した移動が可能になる。

ABSTRACT

Robots and control systems rely upon precise timing of sensors and actuators in order to operate intelligently. We present a functioning hexapod robot that walks with a dual tripod gait; each tripod is actuated using its own local controller running on a separate wireless node. We compare and report the results of operating the robot using two different decentralized control schemes. With the first scheme, each controller relies on its own local clock to generate control signals for the tripod it controls. With the second scheme, each controller relies on a variable that is local to itself but that is necessarily the same across controllers as a by-product of their host nodes being part of a time synchronized IEEE802.15.4e network. The gait synchronization error (time difference between what both controllers believe is the start of the gait period) grows linearly when the controllers use their local clocks, but remains bounded to within 112 microseconds when the controllers use their nodes' time synchronized local variable.

研究の動機と目的

• 集中型配線に依存しない、無線で低消費電力なノードを用いた、頑健な分散型ヘキサポッドロボット制御を実現すること。
• 時 clocks のずれが歩行の非同期化やシステム障害を引き起こす可能性があるため、分散型ロボットシステムにおける時刻同期という重要な課題に取り組むこと。
• 分散型制御方式を2つ評価・比較すること：(1) 局所的なフリー走行時計を用いたもの、(2) ネットワーク同期時刻基準を用いたもの。
• TSCHとASNを用いたネットワークベースの時刻同期が、歩行連携とシステム安定性を著しく向上させることを示すこと。
• 単一ロボットの応用を超えた、スケーラブルで同期された分散型制御の実現可能性を検証すること。

提案手法

• ヘキサポッドロボット（Larry）の左・右トライポッドを別々の無線ノードで制御する2つのOpenMoteノードを配置し、それぞれが独立したコントローラーとして動作する。
• 2つの制御方式を実装した：(1) 局所的なフリー走行時計を用いた分散型オープンループ制御、(2) 時間同期されたIEEE802.15.4e TSCHネットワークからのASN（絶対スロット番号）を用いた分散型同期制御。
• OpenMote上でOpenWSNプロトコルスタックを実装し、マイクロ秒レベルの時刻同期を実現する超低消費電力で高信頼性の通信を可能にする。
• DAGrootモードを時間源の親ノードとし、子ノード（M1およびM2）がネットワーク通信により定期的にその時刻を再同期する。
• 高精度なタイミングリファレンスを用いて、M1とM2の歩行周期の開始時刻の差として歩行同期誤差を測定した。
• 同期の限界を評価するため、最悪の30秒間隔での通信条件下で400秒間の実行を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 集中型タイミングに依存しない、無線ノードを用いた分散型制御アーキテクチャが、ヘキサポッドロボットにおいて長期にわたり安定した歩行連携を達成できるか？
• RQ2 独立した局所的時計間のクロックずれが、分散型ロボットシステムにおいて時間経過とともに歩行同期にどのように影響するか？
• RQ3 時間同期された無線ネットワークを用いることで、独立した局所的時計と比較して、歩行同期誤差をどの程度低減できるか？
• RQ4 分散型ロボット制御システムにおいて、ネットワーク同期時刻基準を用いることで達成可能な歩行同期誤差の上限はどの程度か？
• RQ5 時刻同期更新の頻度を増やすことで、同期の上限をさらに低減できるか？

主な発見

• 独立した局所的時計（S1方式）を用いた場合、歩行同期誤差は-5 μs/sの割合で線形に増加し、400秒後には2 msを超える。
• ネットワーク同期制御（S2方式）を用いた場合、同じ400秒間で歩行同期誤差は±112マイクロ秒の範囲に制限された。
• S2方式ではM1とM2間の有効なクロックずれが約3 ppmにまで低下したのに対し、局所的時計方式では10 ppmであった。
• DAGrootとの通信間隔を30秒から10秒に短縮することで、同期の上限は112 μsから約30 μsに低下した。
• S2方式では無限に安定した動作が維持され、S1方式では約28時間後に180度の位相ずれが生じ、歩行ではなくしゃがみ姿勢になるという問題を回避できた。
• IEEE802.15.4e TSCHとOpenWSNのASN実装によるマイクロ秒レベルの時刻同期により、信頼性が高くスケーラブルな分散型制御がロボットシステムに可能になる。