[论文解读] Time Synchronization in modular collaborative robots

Carlos San Vicente Gutiérrez, Lander Usategui San Juan+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2018

Modular Robots and Swarm Intelligence被引用 8

一句话总结

本文提出了 M-cobots，一种新型模块化协作机器人，通过在时间敏感网络（TSN）上使用 IEEE 1588 精确时间协议（PTP），实现了亚微秒级时钟同步。该系统在 90% 网络负载下仍能实现 100 µs 的 ROS 2.0 消息时间戳精度和毫秒级端到端延迟，为实时机器人应用提供了精确且与供应商无关的同步机制。

ABSTRACT

A new generation of robot systems which are modular, flexible and safe for human-robot interaction are needed. Existing cobots seem to meet only the later and require a modular approach to improve their reconfigurability and interoperability. We propose a new sub-class of cobots named M-cobots which tackle these problems. In particular, we discuss the relevance of synchronization for these systems, analyze it and demonstrate how with a properly configured M-cobot, we are able to obtain a) distributed sub-microsecond clock synchronization accuracy among modules, b) timestamping accuracy of ROS 2.0 messages under 100 microseconds and c) millisecond-level end-to-end communication latencies, even when disturbed with networking overloads of up to 90% of the network capacity.

研究动机与目标

• 解决现有协作机器人（cobots）在模块化、互操作性和精确同步方面的不足。
• 通过本征模块化和标准化时间同步，实现机器人模块的与供应商无关的集成。
• 克服分布式机器人系统中因同步问题导致运动控制、传感器融合和实时通信性能下降的挑战。
• 在高网络负载条件下，展示模块化机器人系统中稳健、低延迟的通信性能。
• 基于 PTP 和 ROS 2 等开放标准，建立可扩展、可重构且互操作的机器人系统基础。

提出的方法

• 将 IEEE 1588 精确时间协议（PTP）作为分布式机器人模块间的核心同步机制。
• 将 PTP 与时间敏感网络（TSN）集成，以确保确定性、低抖动的通信和精确的定时分发。
• 利用 ROS 2.0 的时钟和时间抽象层，实现低开销的精确消息时间戳。
• 通过使用实时 Linux 和符合 TSN 的网络接口，配置软硬件栈，以支持亚微秒级同步。
• 应用被动同步技术，估算并补偿传感器和执行器信号中由硬件和软件引起的延迟。
• 在受控的网络过载（最高达 90% 容量）条件下评估系统性能，以测试其鲁棒性和延迟稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于开放标准，模块化协作机器人架构能否在分布式模块间实现亚微秒级时钟同步？
• RQ2 基于 PTP 的同步在分布式机器人系统中，对 ROS 2.0 消息时间戳精度的提升程度如何？
• RQ3 网络拥塞如何影响具备 PTP 同步的模块化机器人系统的端到端通信延迟？
• RQ4 在高网络负载（最高达 90%）下，所提出系统能否维持毫秒级的端到端延迟？
• RQ5 硬件和软件延迟补偿对同步精度和系统性能的影响如何？

主要发现

• M-cobot 系统通过在 TSN 上使用 IEEE 1588 PTP，在所有模块间实现了亚微秒级精度的分布式时钟同步。
• ROS 2.0 消息时间戳精度保持在 100 微秒以内，实现了传感器和控制数据的精确时间关联。
• 即使网络利用率高达 90%，端到端通信延迟仍保持在毫秒级别，表现出对拥塞的高鲁棒性。
• 通过合理配置 PTP 和 TSN，系统成功缓解了网络过载的影响，保持了实时性能。
• 在运动控制和传感器融合等对时间精度要求高的任务中，同步精度表现稳健。
• PTP 与 ROS 2 及 TSN 的集成，实现了与供应商无关、可互操作且可重构的机器人架构，适用于工业应用。