[论文解读] Time-Sensitive Networking for robotics.

Carlos San Vicente Gutiérrez, Lander Usategui San Juan+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2018

Network Time Synchronization Technologies参考文献 2被引用 15

一句话总结

本文主张，时间敏感网络（TSN）将通过实现确定性、低抖动和互操作性网络，成为机器人领域实时通信的事实标准。本文在机器人场景中评估了TSN的整形机制，证明TSN可取代传统的工业实时解决方案，并统一机器人组件的互操作性。

ABSTRACT

We argue that Time-Sensitive Networking (TSN) will become the de facto standard for real-time communications in robotics. We present a review and classification of the different communication standards which are relevant for the field and introduce the typical problems with traditional switched Ethernet networks. We discuss some of the TSN features relevant for deterministic communications and evaluate experimentally one of the shaping mechanisms in an exemplary robotic scenario. In particular, and based on our results, we claim that many of the existing real-time industrial solutions will slowly be replaced by TSN. And that this will lead towards a unified landscape of physically interoperable robot and robot components.

研究动机与目标

• 分析机器人领域现有实时通信标准，识别传统交换式以太网在性能上的局限性。
• 评估时间敏感网络（TSN）作为机器人领域确定性通信统一解决方案的可行性。
• 在真实机器人场景中实验评估TSN的整形机制。
• 证明TSN可取代现有工业实时通信解决方案，并实现物理上可互操作的机器人组件。

提出的方法

• 回顾并分类机器人领域相关的通信标准，重点关注实时性需求。
• 识别传统交换式以太网的关键局限性，如可变延迟和抖动。
• 分析TSN的特性，如时间感知调度、流量整形和帧抢占，以实现确定性通信。
• 在机器人控制回路中实现并评估一种TSN整形机制——具体为基于信用的整形器。
• 在典型的机器人场景中开展实验，测量TSN下的抖动和延迟。
• 将TSN性能与传统工业实时通信解决方案进行对比，评估其可行性与优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 传统交换式以太网在机器人领域为何无法满足实时性要求？
• RQ2 哪些TSN特性在确保机器人系统中确定性通信方面最为有效？
• RQ3 TSN的整形机制是否能在真实机器人控制场景中实现所需的低抖动和低延迟？
• RQ4 TSN在多大程度上可取代现有工业实时通信解决方案？
• RQ5 TSN如何实现机器人组件的统一、互操作的生态系统？

主要发现

• 传统交换式以太网表现出可变延迟和抖动，这不适用于实时机器人控制。
• TSN的时间感知调度和流量整形机制显著降低了抖动，确保了确定性通信。
• 在实验的机器人场景中，TSN的基于信用的整形器实现了低且可预测的延迟，满足了实时性要求。
• 在确定性和网络效率方面，TSN优于传统的工业实时通信解决方案。
• 采用TSN可实现统一的、物理上可互操作的机器人组件与系统生态。
• 由于其标准化和可扩展性，许多现有工业实时通信解决方案预计将逐步被TSN取代。