[論文レビュー] Modeling the power consumption of a Wifibot and studying the role of communication cost in operation time

Dimitrios Zorbas, Tahiry Razafindralambo|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2015

Opportunistic and Delay-Tolerant Networks参考文献 21被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、Wifibotロボットのモーター動作モード（加速度あり・一定速度）における消費電力をモデル化し、加速度のエネルギーコストが一定速度と比較して最大66％も高いことを特定した。また、通信範囲を短縮するためにロボットをリレーデバイスとして使用する場合の運用時間延長効果を評価したが、組み込みシステムの消費電力が高いため、わずかな改善（0.5–4.5％）にとどまった。ただし、低消費電力システムを採用すれば、さらなる改善の可能性がある。

ABSTRACT

Mobile robots are becoming part of our every day living at home, work or entertainment. Due to their limited power capabilities, the development of new energy consumption models can lead to energy conservation and energy efficient designs. In this paper, we carry out a number of experiments and we focus on the motors power consumption of a specific robot called Wifibot. Based on the experimentation results, we build models for different speed and acceleration levels. We compare the motors power consumption to other robot running modes. We, also, create a simple robot network scenario and we investigate whether forwarding data through a closer node could lead to longer operation times. We assess the effect energy capacity, traveling distance and data rate on the operation time.

研究の動機と目的

• Wifibotのモーターのさまざまな速度および加速度状態における消費電力をモデル化し、加速度に伴うエネルギーコストを特定すること。
• モーター、組み込みシステム、プロセッサ、ネットワークインターフェース、カメラを含む主なロボット部品の消費電力を測定・比較すること。
• 通信範囲を短縮するためにロボットをリレーデバイスとして使用することで、エネルギー消費を低減し運用時間を延長できるかを評価すること。
• 通信コストを低減することで運用時間の延長が実現する一般的な条件を導出すること。

提案手法

• Wifibot V3を用いて、加速度および一定速度を含むさまざまなモーター動作モードにおける消費電力を測定する実世界実験を実施した。
• 速度および加速度レベルに基づいて、モーター消費電力の経験的モデルを構築した。
• 1台のロボットがリレーモードをとる2台のロボットネットワークシナリオをシミュレーションした。これにより通信範囲と消費電力を低減した。
• バッテリ容量、データレート、移動距離を考慮して、エネルギー節約と運用時間の向上を算出するためのエネルギー消費式（例：式10）を用いた。
• 初期エネルギー容量（50–450 kJ）、データビットレート（10–100 Mbit/sec）、移動距離（2–10 m）を変化させ、ネットワーク寿命に与える影響を評価した。
• 式（8）および（9）を用いて運用時間の改善を評価し、ロボットAまたはロボットBが先に停止する場合のケースを区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 加速度状態におけるモバイルロボットの総消費電力は、一定速度走行と比較してどのように変化するか？
• RQ2 一般的なモバイルロボットにおいて、組み込みシステムとモーターが占める総消費電力の割合はそれぞれどの程度か？
• RQ3 リレーロボットを用いて通信範囲を短縮することで、運用時間の延長に顕著な改善が得られるか？
• RQ4 通信コストを低減することで運用時間が延びる条件はどのようなものか？

主な発見

• Wifibotにおいて、加速度状態では一定速度走行と比較して総消費電力が最大66％まで増加することが判明し、加速度に伴うエネルギーコストの重大性が浮き彫りになった。
• 総消費電力のうち運動に要する電力はわずか25％にとどまるが、組み込みシステムは総消費電力の50％を占め、顕著なエネルギー損失要因であることが判明した。
• 通信範囲を短縮するためにリレーロボットを用いることで、運用時間の改善はわずか0.5％～4.5％にとどまり、実験条件では顕著な向上は得られなかった。
• リレーロボットの初期エネルギー容量が増加するにつれて運用時間は線形的に増加するため、高容量バッテリを搭載することでスケーラビリティが確保できることが示唆された。
• シミュレーション結果から、組み込みシステムの消費電力を半分に抑えたロボットを用いることで、運用時間に最大7.6％の改善が得られることを示した。これは、低消費電力ハードウェアを採用すればさらなる改善が期待できる可能性を示している。
• 本結果から、通信コストの低減は、Wifibotと比較して組み込みシステムの消費電力が著しく低い場合にのみ、運用時間の延長に有効であると示唆された。