Метод управления сетью роботов

Разработка метода управления сетью роботов

Магистрант:Кулаков Дмитрий Леонидович

Руководитель:Горин Сергей Викторович

Цель и задачи работы

Целью работы является разработка метода управления сетью роботов, требующего минимальных затрат энергииРешаемые задачи• Формализация требований к методу• Разработка системы управления группой роботов• Формализация требований к модели сети роботов• Разработка имитационной модели сети роботов для

проведения исследования• Проведение имитационного моделирования сети

роботов• Исследование затрат энергии, связанных с передачей

данных между участниками сети

2

Классификация задач системы

3

Задачи оператора Задачи группы

Задачи системы

Начало работы

Завершение работы

Групповое движение

Ждать определенное время

Поднять груз

Навестись на цель

Выстрелить ракетой в цель

Сделать фотографию

Опустить груз

Перебазироваться в точку K

Произвести съемки местности района

Произвести панорамную съемку

Поразить цель в точке

Переместить груз из точки А в точку Б

Пример декомпозиция задачи оператора

4

Задача оператора«Поразить цель в

точке A из точки B»

1. Движение группой в точку B

2. Навестись на цель в точке А

5. Завершение работы

4. Движение группой в

исходную точку

3. Выстрелите ракетой в цель

1.1. Движение группой в точку

облета

1.2. Движение группой в точку В

При наличии препятствия

Метод управления сетью роботовТребования

1. В системе только один управляющий центр

2. Оператор может осуществлять управление несколькими группами роботов

3. Роботы не равнозначны по набору функций между собой

4. Размер группы ограничен протоколом обмена информацией

5. Беспроводная среда взаимодействия

Ограничения

1. Группы не взаимодействуют между друг другом

2. Связь роботов «все ко всем»

3. Обмен информацией в сети происходит в открытом виде

4. В алгоритме «Вычисления координат следующего положения» препятствия и пропасти не рассматриваются

5. В процессе движения не должна прерываться связь между роботам

6. Роботу назначаются только те задачи, которые он способен выполнить

5

Схема

A1

Функционирование

сети

A2

Декомпозиция

задачи оператора

A3

Выполнение

задач группы

Результат

выполнения

задач

Алгоритмы

выполнения задачАлгоритм

работы сети

Алгоритм

декомпозиции

задачи оператора

Участники

сети

Групповые

задачи

Программа

Система датчиков,

Система управления

движением

Система дополнительных

операцийСетевая система

Задача

оператора

UID Сети

Сравнение стандартов беспроводных сетей

Bluetooth ZigBee Wi-Fi Wi-Fi Mesh

Стандарт IEEE 802.15.1 IEEE 802.15.4 IEEE 802.11 IEEE 802.11s

Назначение беспроводная связь между несколькими устройствами и связь периферии с компьютером

беспроводные сети датчиков

беспроводное расширение Ethernet

создание систем с автоматическим изучением топологии и конфигурацией беспроводных путей

Пропускная способность 1 Мбит/с(Bluetooth 4.0)

250 Кбит/с 54 Мбит/с(IEEE 802.11g)

как у Wi-Fi

Зона покрытия 100 мВт – 100 м2.5 мВт – 15 м1 мВт – до 5 м

В помещении:1 мВт – 10 м10 мВт – 80 м

В помещении100 – 200 м

как у Wi-Fi

Потребляемая мощность 1 – 2.5 мВт 1 мВт 50 – 100 мВт как у Wi-Fi

Максимальный размер 8 245 не ограничено как у Wi-Fi

Топология звезда звезда, дерево, ячеистая(требуется координатор)

IBSS, BSS, ESS ячеистая, до 32 узлов переадресации

6

Диаграмма потока данных робота

7

Групповые

задачи

Система

датчиков

Сетевая

система

Система

управления

движением

Система

взаимодействия с

оператором

Система

дополнительных

операций

Участиники

сети

Декомпозиция

задачи

оператора

Выполнение

групповой

задачи

Работа

сети

Обновление

информации о

групповой

задачи

Групповая

задача

Сообщения

Данные

Состояние

групповой задачи

Групповые

задачи

Запросы

Запросы

Задача оператора

Сообщения

Результат выполненияИдентификаторы

задачи и сети

Ответы

Сообщения

Ответы

Состояние

групповой задачи

Управляющие

пакеты сети

Участники

сети

Управляющие

пакеты сети

Протокол прикладного уровня

Назначение

Передача сообщений для решения

Нижестоящий протокол

UDP

Адресация

Уникальные идентификаторы устройств

Формат сообщений

Словарь сообщений

• маячок инициализации сети

• запрос на подключение

• ответ на запрос подключения

• начала выполнения групповой задачи

• ответ на сообщение начала выполнения групповой задачи

• ошибка при выполнении задачи

• задача выполнена

• информация о местонахождении

8

Тип сообщения

Адрес отправителя

Адрес получателя

Идентификатор сети

Идентификатор задачи оператора

Данные

Имитационная модели сети роботов

9

Требования1. Максимальное количество узлов ограничено протоколом обмена информацией2. Должно учитываться время работы передатчика3. При передачи пакетов возможны коллизии4. Должен быть отражен алгоритм работы канального уровня IEEE 802.11 Wi-Fi5. Скорость передачи данных должна соответствовать стандарту IEEE 802.11 Wi-Fi6. Очередь задач группы не ограничена7. Очередь MAC-кадров не ограничена

Ограничения

1. Время работы узлов не учитывается2. Наличие шумов не учитывается3. Ослабление сигнала с ростом расстояния не учитывается

Входная информация

1. Количество роботов2. Общее расстояние передвижения3. В зависимости от типа задачи4. Время получения задачи каждым роботом5. Скорость движения6. Минимальное расстояние между роботами7. Параметры алгоритма «Вычисления координат следующего положения»8. Период рассылки маячка инициализации сети9. Период рассылки информации о движении (зависит от мин. расстояния)

Параметры модели

1. Размер очереди группы задач2. Времена работы узлов

Узел i

Узел 1 Узел 2 Узел N

Очередь задач

группы

Задача

группы

Беспроводная

среда

Оператор

Задача

оператора

Сообщения

Модель отправки сообщений

Входная информация

Стандарт Wi-Fi (используется IEEE 802.11G)

1. Скорость передачи

2. Время DIFS = SLOT × 2 + SIFS

3. Время CW: от 31 до 1023

Размер пакета

1. Размер пакета прикладного уровня

2. Размер UDP-датаграммы без данных

3. Размер IP-пакета без данных

4. Размер MAC-кадра без данных

Параметры модели

1. Размер очереди MAC-кадров

2. Время работы обработчика отправки сообщений прикладного уровня

3. Время работы обработчика отправки сообщений в среду

4. Время ожидания обработчика отправки сообщений в среду

5. Время передачи данных в среде

10

MAC-кадр, наличие

коллизии

Очередь

MAC-кадров

Среда

время

участн

ик

Обработчик отправки

сообщений в среду

MAC-кадр

MAC-кадр

Обработчик отправки

сообщений прикладного

уровня

Сообщение

прикладного

уровня

Обработчик приема

сообщенийMAC-кадр,

отрезок времени

передачи

Сообщение

прикладного

уровня

Алгоритмы передачи данныхАлгоритм отправки пакета

прикладного уровняАлгоритм отправки пакета

MAC-уровня

11

Начало

конец

Канал свободен?

Вычислить время доставки

для пакета

Добавить отрезок времени

отправки в список отрезков

времени отправки

Добавить в список событий

«Завершение отправки пакета

через заданное время»

Установить состояние «Ожидаю

отправки»

Ожидающий пакет = текущий пакет

Да

Нет

Начало

Состояние = работаюДобавить пакет в

очередь на отправку

Добавить в список

событий «Отправка

пакета через DIFS + dt

мкс»

конец

Обработчик

свободен?

Да

Нет

Алгоритм завершения передачи данных

12

Начало

конец

Я закончил

отправку?

Доставка

подтверждена?

Очередь на

отправку пуста?

Состояние =

свободен

Взять из очереди

первый пакет и

добавить событие

его отправки через

DIFS


событий «Отправка

пакета через DIFS +

rand() мкс»

Я ожидаю

отправки?

Снять состояние «Ожидаю

отправки»


событий «Отправка пакета

через DIFS + rand() мкс»

Да

Нет

Нет

Да

Нет

Пакет корректный

и я – получатель?

Передать пакет на

дальнейшую обработку

Да

Нет

Да

Нет

Да

Статистика работы модели

Количество участников 3 10

Скорость передвижения 1 м/с

Дистанция передвижения 200 м

Минимальное расстояние между роботами 3 м

Таймер рассылки маячка инициализации сети 100 мс

Таймер рассылки уведомлений о движении 1 с

Скорость передачи данных 6 Мбит/с

Время DIFS 50 мкс

Произвольное время попытки повторной передачи от 31 до 1023 мкс


Конечное время системы ~290с ~306с

Всего пакетов 937 3469

Битых пакетов 18 (1.92%) 136 (3.92%)

Общий трафик ~219 КБ ~799КБ

Общее время занятости среды передачи

~284 мс ~1 с

13

Входные данные Статистика системы


Всего пакетов отправлено 312 414

Битых пакетов 7 (2.24%) 43 (10.39%)

Исходящий трафик, байт 74 931 96 336

Некорректный трафик, байт 1 001 (1.34%) 8 796 (9.13%)

Время передачи, мкс 95 283 122 551

Время приема, мкс 188 537 904 110

Время ожидания, мкс 290 164 032 305 457 657

Статистика одного робота

Энергозатраты участника на передачу данных

14

Входные данные



Минимальное расстояние между роботами 3 м

Таймер рассылки маячка инициализации сети 100 мс

Таймер рассылки уведомлений о движении 1 с




0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

Эн

ерго

затр

ты,

мВ

т∙с

Количество участников

Зависимость энергозатрат от количества роботов

Среднее по полю Nsend, мВт*с

Среднее по полю Nreceive, мВт*с

Среднее по полю Nwait, мВт*с

Среднее по полю Ntotal, мВт*с

Режим передачи, мВт 825

Режим приема, мВт 412,5

Режим ожидания, мВт 0,1122

Потребляемая мощность

Результат

Определено доп. ограничение применимости метода:количество участников ограничено алгоритмом движения

Энергозатраты участника на передачу данных

15

Входные данные



Количество роботов 5




0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Эн

ерго

затр

аты

, м

Вт∙

с

Минимальное расстояние между участниками, м

Зависимость энергозатрат от минимального расстояния между

роботами

Среднее по полю Nsend, мВт*с

Среднее по полю Nreceive, мВт*с

Среднее по полю Nwait, мВт*с

Среднее по полю Ntotal, мВт*с

Режим передачи, мВт 825

Режим приема, мВт 412,5

Режим ожидания, мВт 0,1122

Потребляемая мощность

Результат

Определено доп. ограничение применимости метода:мин. расстояние между роботами ограничено алгоритмом движения

Заключение

В результате выполнения работы был разработан метод управления сетью роботов, требующий минимальных затрат энергии и полностью удовлетворяющий предъявляемым к нему требованиям.

• Требования к методу были формализованы

• Система управления группой роботов была разработана

• Требования к модели сети роботов были формализованы

• Имитационная модель сети роботов была разработана

• Имитационного моделирования сети роботов было проведено

• Исследование затрат энергии, связанных с передачей данных между участниками сети, было выполнено

16

Метод управления сетью роботов

Science