[論文レビュー] Time-Sensitive Networking for robotics.

Carlos San Vicente Gutiérrez, Lander Usategui San Juan+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2018

Network Time Synchronization Technologies参考文献 2被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、確定的でジャイタルが低く、相互運用性のあるネットワーキングを可能にするため、タイムセンシティブネットワーキング（TSN）がロボティクス分野におけるリアルタイム通信の事実上の標準となるだろうと主張している。本論文では、ロボットシナリオにおけるTSNのシェーピングメカニズムを評価し、従来の産業用リアルタイムソリューションに取って代わり、ロボット部品の相互運用性を統一できると示している。

ABSTRACT

We argue that Time-Sensitive Networking (TSN) will become the de facto standard for real-time communications in robotics. We present a review and classification of the different communication standards which are relevant for the field and introduce the typical problems with traditional switched Ethernet networks. We discuss some of the TSN features relevant for deterministic communications and evaluate experimentally one of the shaping mechanisms in an exemplary robotic scenario. In particular, and based on our results, we claim that many of the existing real-time industrial solutions will slowly be replaced by TSN. And that this will lead towards a unified landscape of physically interoperable robot and robot components.

研究の動機と目的

• ロボティクスにおける既存のリアルタイム通信規格を分析し、従来のスイッチドイーサネットネットワークにおける制限を特定すること。
• タイムセンシティブネットワーキング（TSN）を、ロボティクスにおける確定的通信の統合的ソリューションとして評価すること。
• 実際のロボットシナリオにおいてTSNのシェーピングメカニズムを実験的に評価すること。
• TSNが既存の産業用リアルタイムソリューションに取って代わり、物理的相互運用性を持つロボット部品を可能にできるかを実証すること。

提案手法

• リアルタイム要件に焦点を当て、ロボティクス分野における関連通信規格をレビューおよび分類すること。
• 従来のスイッチドイーサネットにおける主な制限、例えば変動する遅延やジャイタルを特定すること。
• 確定的通信に適したTSNの特徴、例えばタイムアウェアスケジューリング、トラフィックシェーピング、フレームプリエンプションを分析すること。
• ロボット制御ループ内にTSNのシェーピングメカニズム（特にクレジットベースシェーパー）を実装し、評価すること。
• ジャイタルおよび遅延を測定するために、代表的なロボットシナリオで実験を実施すること。
• TSNのパフォーマンスを従来の産業用リアルタイムソリューションと比較し、実現可能性および利点を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のスイッチドイーサネットネットワークは、ロボティクスにおけるリアルタイム要件を満たせないのはなぜか？
• RQ2 ロボットシステムにおける確定的通信を確保するために、どのTSN機能が最も効果的か？
• RQ3 TSNのシェーピングメカニズムは、実際のロボット制御シナリオで必要な低ジャイタルおよび低遅延を達成できるか？
• RQ4 TSNは、ロボティクス分野における既存の産業用リアルタイム通信ソリューションをどの程度置き換えることができるか？
• RQ5 TSNは、ロボット部品の統一的で相互運用性のあるエコシステムをどのように実現できるか？

主な発見

• 従来のスイッチドイーサネットネットワークは、変動する遅延とジャイタルを示しており、リアルタイムロボット制御には不適切である。
• TSNのタイムアウェアスケジューリングおよびトラフィックシェーピングメカニズムにより、ジャイタルが著しく低減され、確定的通信が確保される。
• 実験的ロボットシナリオにおいて、TSNのクレジットベースシェーパーは低く予測可能な遅延を達成し、リアルタイム要件を満たした。
• TSNは、確定性およびネットワーク効率の観点で、従来の産業用リアルタイムソリューションを上回っている。
• TSNの導入により、ロボット部品およびシステムの統一的で物理的相互運用性のあるエコシステムが実現できる。
• TSNの標準化およびスケーラビリティの観点から、多くの既存の産業用リアルタイムソリューションは、将来的に段階的にTSNに置き換えられる見込みである。