Презентация к магистерской диссертации на тему: "Разработка метода управления сетью роботов", 2015 год. В результате: - разработан метод управления сетью роботов требующий минимальных затрат энергии; - разработана имитационная модель сети роботов; - проведено имитационное моделирование сети роботов; - выполнено исследование энергозатрат, связанное с передачей данных между участниками сети.

1. Разработка метода
управления сетью роботов
Магистрант:
Кулаков Дмитрий Леонидович
Руководитель:
Горин Сергей Викторович

2. Цель и задачи работы
Целью работы является разработка метода управления
сетью роботов, требующего минимальных затрат энергии
Решаемые 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

3. 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

4. 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

5. Метод управления сетью роботов
Требования
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 задач
Алгоритм
работы сети
Алгоритм
декомпозиции
задачи оператора
Участники
сети
Групповые
задачи
Программа
Система датчиков,
Система управления
движением
Система дополнительных
операцийСетевая система
Задача
оператора
UID Сети

6. 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 м
2.5 мВт – 15 м
1 мВт – до 5 м
В помещении:
1 мВт – 10 м
10 мВт – 80 м
В помещении
100 – 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

7. 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 выполнения
Идентификаторы
задачи и сети
Ответы
Сообщения
Ответы
Состояние
групповой задачи
Управляющие
пакеты сети
Участники
сети
Управляющие
пакеты сети

8. 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

9. Имитационная модели сети роботов
9
Требования
1. Максимальное количество узлов ограничено протоколом обмена информацией
2. Должно учитываться время работы передатчика
3. При передачи пакетов возможны коллизии
4. Должен быть отражен алгоритм работы канального уровня IEEE 802.11 Wi-Fi
5. Скорость передачи данных должна соответствовать стандарту IEEE 802.11 Wi-Fi
6. Очередь задач группы не ограничена
7. Очередь MAC-кадров не ограничена
Ограничения
1. Время работы узлов не учитывается
2. Наличие шумов не учитывается
3. Ослабление сигнала с ростом расстояния не учитывается
Входная информация
1. Количество роботов
2. Общее расстояние передвижения
3. В зависимости от типа задачи
4. Время получения задачи каждым роботом
5. Скорость движения
6. Минимальное расстояние между роботами
7. Параметры алгоритма «Вычисления координат следующего положения»
8. Период рассылки маячка инициализации сети
9. Период рассылки информации о движении
(зависит от мин. расстояния)
Параметры модели
1. Размер очереди группы задач
2. Времена работы узлов
Узел i
Узел 1 Узел 2 Узел N
Очередь задач
группы
Задача
группы
Беспроводная
среда
Оператор
Задача
оператора
Сообщения

10. 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
участник
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

11. Алгоритмы передачи данных
Алгоритм отправки пакета
прикладного уровня
Алгоритм 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 = работаю
Добавить пакет в
очередь на отправку
Добавить в список
событий «Отправка
пакета через DIFS + dt
мкс»
конец
Обработчик
свободен?
Да
Нет

12. 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
Добавить в список
событий «Отправка
пакета через DIFS +
rand() мкс»
Я ожидаю
отправки?
Снять состояние «Ожидаю
отправки»
Добавить в список
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

13. 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
Количество участников 3 10
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
Количество участников 3 10
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

14. Энергозатраты участника на
передачу данных
14
Входные данные
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 1 Мбит/с
Время DIFS 50 мкс
Произвольное время попытки повторной передачи от 31 до 1023 мкс
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
Энергозатрты,мВт∙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

15. Энергозатраты участника на
передачу данных
15
Входные данные
Скорость передвижения 1 м/с
Дистанция передвижения 1000 м
Количество роботов 5
Скорость передачи данных 1 Мбит/с
Время DIFS 50 мкс
Произвольное время попытки повторной передачи от 31 до 1023 мкс
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
Энергозатраты,мВт∙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

16. 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