[논문 리뷰] On The Effects of The Variations In Network Characteristics In Cyber Physical Systems

Géza Szabó, Sándor Rácz외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 26.

Software-Defined Networks and 5GComputer Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 사이버-물리 시스템(CPS)에서 네트워크 유도 제어 지연을 시뮬레이션하기 위해 Gazebo 플러그인인 OurPlugin 2017을 제안한다. 이는 원격 로봇 제어에서 제어 품질(QoC) 메트릭의 현실적인 평가를 가능하게 한다. 플러그인은 제어 메시지와 상태 메시지에 대해 설정 가능한 지연을 도입하여, 지연 증가가 궤도 추적 정확도를 떨어뜨리고 약 10ms에서 불안정성을 유도함을 입증함으로써, CPS 연구에 실용성을 입증한다.

ABSTRACT

The popular robotic simulator, Gazebo, lacks the feature of simulating the effects of control latency that would make it a fully-fledged cyber-physical system (CPS) simulator. The CPS that we address to measure is a robotic arm (UR5) controlled remotely with velocity commands. The main goal is to measure Quality of Control (QoC) related KPIs during various network conditions in a simulated environment. We propose a Gazebo plugin to make the above measurement feasible by making Gazebo capable to delay internal control and status messages and also to interface with external network simulators to derive even more advanced network effects. Our preliminary evaluation shows that there is certainly an effect on the behavior of the robotic arm with the introduced network latency in line with our expectations, but a more detailed further study is needed.

연구 동기 및 목표

• Gazebo에서 네트워크 지연 시뮬레이션의 부재를 해결하여 실질적인 CPS 평가를 가능하게 한다.
• PID 오차 및 궤도 이탈과 같은 QoC KPI를 다양한 네트워크 조건 하에서 측정할 수 있도록 한다.
• 고급 네트워크 효과 모델링을 위해 외부 네트워크 시뮬레이터와의 통합을 가능하게 하기 위해 Gazebo의 기능을 확장한다.
• 연구 공동체가 CPS 내 로봇 제어에 대한 네트워크 영향을 연구할 수 있도록 모듈형이고 재사용 가능한 플러그인을 제공한다.
• 미래의 무선 네트워크 시뮬레이터 및 프rotocol 수준의 네트워크 행동 분석과의 통합을 위한 기반을 마련한다.

제안 방법

• 제어기와 로봇 액추атор 사이의 내부 제어 및 상태 메시지 흐름에 설정 가능한 지연을 주입하는 Gazebo 플러그인을 개발한다.
• ROS와 Gazebo에 플러그인을 통합하여, 속도 명령을 사용한 UR5 로봇 암의 원격 제어를 시뮬레이션한다.
• MoveIt을 사용해 궤도 계획을 수행하고, ur_modern_driver를 통해 로봇의 TCP/IP 포트(명령: 50001, 상태: 50003)에 인터페이스한다.
• 양방향 지연 주입(명령 전송 및 상태 피드백 모두)을 구현하여 실제 네트워크 비대칭성을 반영한다.
• rviz 및 ROS 도구를 사용해 궤도와 제어 신호를 시각화하여 다양한 지연 조건에서 계획된 동작과 실행된 동작를 비교한다.
• 누적된 속도 명령 이격과 여러 지연 수준(2ms, 5ms, 7ms, 10ms)에서의 궤도 추적 오차를 측정하여 QoC를 평가한다.

Figure 1: Target architecture to be realized with simulator

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도입된 네트워크 지연이 시뮬레이션에서 원격으로 제어되는 UR5 로봇 암의 궤도 추적 정확도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 2ms에서 10ms까지 변화하는 지연 수준이 CPS 내 속도 기반 제어 루프의 안정성과 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 비이상적인 네트워크 조건 하에서 플러그인의 시뮬레이션 동작이 기대되는 물리적 동역학과 제어 이론과 얼마나 일치하는가?
• RQ4 비결정적 계획 및 시뮬레이션 초기화가 다양한 지연 시나리오 간 QoC 메트릭의 재현 가능성과 비교 가능성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ5 플러그인이 외부 무선 네트워크 시뮬레이터와 효과적으로 통합되어 실제 무선 채널 효과를 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• 0ms에서 10ms로 증가하는 네트워크 지연은 계획된 궤도와 실행된 궤도 사이의 측정 가능한 점진적 이격을 유도하며, 10ms 조건에서는 1초 후에 그 이격 크기가 그림의 스케일을 초과하는 것으로 나타났다.
• 2ms 지연 조건은 참조(0ms) 조건과 비교해 속도 명령 이격 측면에서 가장 유사한 결과를 보였으며, 지연 증가에 따라 점진적 열화가 발생한다는 기대를 확인했다.
• 약 10ms 지연에서 시스템은 Gazebo의 내부 시뮬레이션 클록과 메시지 업데이트 주기 간 시간 불일치로 인해 불안정성의 징후를 보였다.
• 5ms 지연 조건은 처음 3초 동안 7ms 조건보다 성능이 뛰어났지만, 6초가 되자 누적 오차로 인해 5ms 케이스가 7ms 케이스보다 더 크게 발산하는 것으로 나타나 비선형적 오차 누적 현상을 보였다.
• rviz에서의 시각적 검토 결과 직선 카르테시안 궤도가 복잡한 관절 공간 운동을 유도하며, 색상으로 구분된 궤도 오버레이에서 지연 유도 오차가 명확하게 확인되었다.
• 궤도 계획 및 시뮬레이션 실행의 비결정적 성격으로 인해 초기화 파rameter의 철저한 동기화 및 제어 없이선 런 간 직접 비교가 어려웠다.

Figure 2: Gazebo architecture