[论文解读] 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 8

一句话总结

本文对 Wifibot 机器人的不同电机运行模式（包括加速和匀速）下的功耗进行了建模，量化了加速带来的显著能耗成本——相比匀速运行最高高出 66%。此外，评估了使用机器人作为中继以缩短通信范围是否可延长运行时间，发现由于嵌入式系统功耗较高，仅带来微小改善（0.5–4.5%），尽管在低功耗系统中存在潜在增益。

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.

研究动机与目标

• 对 Wifibot 电机在不同速度和加速度下的功耗进行建模，识别加速的能耗成本。
• 测量并比较机器人主要组件的功耗，包括电机、嵌入式系统、处理器、网络接口和摄像头。
• 评估通过使用机器人作为中继并缩短通信范围，是否可降低能耗并延长运行时间。
• 推导出通信成本降低可带来更长机器人运行时间的一般性条件。

提出的方法

• 在 Wifibot V3 上开展真实世界实验，测量不同电机运行模式（包括加速和匀速）下的功耗。
• 基于速度和加速度水平，建立电机功耗的实验模型。
• 模拟双机器人网络场景，其中一个机器人作为中继以减少通信范围和功耗。
• 使用能耗公式（例如公式 10）根据电池容量、数据速率和行驶距离，计算能耗节省和运行时间提升。
• 改变参数，如初始能量容量（50–450 kJ）、数据比特率（10–100 Mbit/sec）和行驶距离（2–10 m），以评估对网络寿命的影响。
• 使用公式 (8) 和 (9) 评估寿命提升，区分机器人 A 或 B 先耗尽的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 与匀速运动相比，加速对移动机器人总功耗有何影响？
• RQ2 在典型移动机器人中，嵌入式系统与电机消耗的总功耗占比分别是多少？
• RQ3 通过使用中继机器人缩短通信范围，能否带来可测量的运行时间改善？
• RQ4 在何种条件下，降低通信成本可导致更长的机器人运行时间？

主要发现

• 与匀速运动相比，加速使 Wifibot 的总功耗最高增加 66%，凸显其显著的能耗成本。
• 仅有 25% 的总功耗用于运动；嵌入式系统本身消耗了 50% 的总功耗，表明存在重大能耗瓶颈。
• 通过中继机器人缩短通信范围，仅带来微小的运行时间改善，测试场景中改善范围为 0.5% 至 4.5%。
• 运行时间随中继机器人初始能量容量的增加呈线性增长，表明在使用更高容量电池时具备可扩展性。
• 仿真结果表明，当使用嵌入式系统功耗减半的机器人时，运行时间最多可提升 7.6%，表明在低功耗硬件下存在潜在增益。
• 结果表明，仅当嵌入式系统功耗显著低于 Wifibot 时，通信成本降低才具有实际效益。