[논문 리뷰] Decentralized Control of a Hexapod Robot Using a Wireless Time Synchronized Network

James C. Fang, Dinesh Parimi외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 23.

Network Time Synchronization Technologies참고 문헌 12인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 무선 시간 동기화 IEEE802.15.4e TSCH 네트워크를 사용하여 헥사포드 로봇에 대한 탈중앙화된 제어 시스템을 제안한다. 두 대의 독립적인 OpenMote 제어기가 각각 별도의 트라이포드를 관리한다. 네트워크 기반 동기화 전역 시간 기준(ASN)을 활용함으로써, 보행 동기화 오차는 112 마이크로초 이내로 제한되어 드리프트를 방지하고 무한정 안정적인 이동을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 중앙 집중식 배선에 의존하지 않고, 무선 및 저전력 노드를 사용하여 헥사포드 로봇의 강력한 탈중앙화 제어를 가능하게 하기 위해.
• 시계 드리프트가 보행 비동기화와 시스템 장애를 초래할 수 있는 탈중앙화된 로봇 시스템에서 시간 동기화 문제를 해결하기 위해.
• 지역 자유 주기 시계를 사용하는 제어 방식과 네트워크 기반 동기화 시간 기준을 사용하는 제어 방식을 비교 평가하기 위해.
• TSCH 및 ASN을 통한 네트워크 기반 시간 동기화가 보행 조율 및 시스템 안정성 향상에 크게 기여함을 입증하기 위해.
• 단일 로봇 응용을 초월하여 확장 가능하고 동기화된 탈중앙화 제어 시스템의 실현 가능성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 헥사포드 로봇(Larry)의 왼쪽 및 오른쪽 트라이포드를 각각 별도의 무선 노드에서 작동하는 두 대의 OpenMote 노드로 제어하기 위해 배치하였다.
• 두 가지 제어 방식을 구현: (1) 자유 주기 시계를 사용하는 탈중앙화 오픈 루프 제어, (2) 시간 동기화된 IEEE802.15.4e TSCH 네트워크에서의 ASN(Absolute Slot Number)을 사용하는 탈중앙화 동기화 제어.
• OpenMote에서 OpenWSN 프로토콜 스택을 사용하여 마이크로초 수준의 시간 동기화를 실현하는 초저전력 고신뢰성 통신을 구현하였다.
• DAGroot 노드를 시간 원천 부모로 설정하여, 자식 노드(M1 및 M2)가 네트워크 통신을 통해 주기적으로 시계를 재동기화하도록 하였다.
• 고정밀 시간 기준을 사용하여 M1 및 M2에서 보행 주기 시작 시점 간의 시간 차이를 측정함으로써 보행 동기화 오차를 측정하였다.
• 최악의 조건인 30초 간격의 통신을 가정하여 400초 동안 성능을 평가함으로써 동기화 한계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중앙 집중식 타이밍 없이 무선 노드를 사용하는 탈중앙화 제어 아키텍처가 헥사포드 로봇에서 장기적인 안정적 보행 조율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 독립적인 지역 시계 간의 시계 드리프트가 탈중앙화된 로봇 시스템에서 시간이 지남에 따라 보행 동기화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 시간 동기화된 무선 네트워크를 사용할 경우, 독립적인 지역 시계 대비 보행 동기화 오차를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 탈중앙화된 로봇 제어 시스템에서 네트워크 기반 시간 기준을 사용할 경우 보행 동기화 오차의 도달 가능한 한계는 무엇인가?
• RQ5 시간 동기화 업데이트 빈도를 높임으로써 동기화 한계를 추가로 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 독립적인 지역 시계를 사용한 경우(Scheme S1), 보행 동기화 오차는 매초 -5 μs의 비율로 선형 증가하여 400초 후에 2 ms를 초과하였다.
• 네트워크 기반 동기화 제어를 사용한 경우(Scheme S2), 동일한 400초 동안 보행 동기화 오차는 ±112 마이크로초 이내로 제한되었다.
• S2 조건에서 M1 및 M2 간의 효과적 시계 드리프트는 약 3 ppm로 감소하였으며, 이는 지역 시계 방식 대비 10 ppm에 비해 크게 향상된 수준이다.
• DAGroot와의 통신 간격을 30초에서 10초로 단축함으로써 동기화 한계는 112 μs에서 약 30 μs로 감소하였다.
• S2 조건에서는 시스템이 무한정 안정적으로 유지되며, S1 조건에서는 약 28시간 후에 180도 위상 드리프트가 발생하여 걷는 대신 앉는 동작을 하게 되는 문제를 방지할 수 있었다.
• IEEE802.15.4e TSCH와 OpenWSN의 ASN 구현을 통한 마이크로초 수준의 시간 동기화가 로봇 시스템에 대한 신뢰할 수 있고 확장 가능한 탈중앙화 제어를 가능하게 한다.