[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一种基于无线时间同步IEEE802.15.4e TSCH网络的六足机器人去中心化控制系统，其中两个独立的OpenMote控制器分别管理左右三脚架。通过利用网络同步的全局时间基准（ASN），步态同步误差被限制在112微秒以内，防止漂移并实现无限期的稳定运动。

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.

研究动机与目标

• 通过无线低功耗节点实现六足机器人的鲁棒去中心化控制，消除对集中式布线的依赖。
• 解决去中心化机器人系统中时间同步的关键挑战，因为时钟漂移可能导致步态不同步和系统故障。
• 评估并比较两种去中心化控制方案：一种使用本地自由运行时钟，另一种使用网络同步的时间基准。
• 证明通过TSCH和ASN实现的基于网络的时间同步能显著提升步态协调性和系统稳定性。
• 验证可扩展、同步的去中心化控制在单机器人应用之外的可行性。

提出的方法

• 部署两个OpenMote节点作为六足机器人（Larry）左右三脚架的独立控制器，每个控制器运行在独立的无线节点上。
• 实现两种控制方案：(1) 使用自由运行本地时钟的去中心化开环控制；(2) 使用时间同步IEEE802.15.4e TSCH网络提供的ASN（绝对时隙号）的去中心化同步控制。
• 在OpenMotes上使用OpenWSN协议栈，实现微秒级时间同步的超低功耗、高可靠性通信。
• 将DAGroot节点设为时间源父节点，子节点（M1和M2）通过网络通信定期重新同步其时钟。
• 使用高精度时间参考测量M1和M2上步态周期开始时间的时间差，作为步态同步误差的度量。
• 在最坏情况30秒通信间隔下，对400秒运行周期内的性能进行评估，以确定同步界限。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用无线节点的去中心化控制架构能否在无集中定时的情况下实现六足机器人的稳定长期步态协调？
• RQ2 在去中心化机器人系统中，独立本地时钟之间的时钟漂移如何随时间影响步态同步？
• RQ3 与独立本地时钟相比，时间同步无线网络在多大程度上能减少步态同步误差？
• RQ4 在去中心化机器人控制系统中使用网络同步时间基准时，步态同步误差的可实现界限是多少？
• RQ5 通过提高与DAGroot的时间同步更新频率，是否可以进一步降低同步界限？

主要发现

• 在使用独立本地时钟（方案S1）时，步态同步误差以-5 μs/s的速率线性增加，400秒后超过2 ms。
• 在使用网络同步控制（方案S2）时，步态同步误差在相同400秒周期内始终保持在±112微秒以内。
• 在S2下，M1与M2之间的有效时钟漂移降低至约3 ppm，而本地时钟方案下为10 ppm。
• 将与DAGroot的通信间隔从30秒减少到10秒，使同步界限从112 μs降低至约30 μs。
• 在S2下系统可无限期保持稳定，避免了在S1下约28小时后因180度相位漂移导致机器人下蹲而非行走的故障。
• 通过IEEE802.15.4e TSCH和OpenWSN的ASN实现的微秒级时间同步，可实现可靠且可扩展的去中心化机器人控制。