計算機專業(yè)研究生論文開題報告范文

Internet 環(huán)境下遙操作機器人系統(tǒng)傳輸時延研究一、選題背景及其意義遙操作就是遠(yuǎn)距離操作，是在遠(yuǎn)方人的行為動作遠(yuǎn)距離作用下，使事物產(chǎn)生運動變化。遙操作是一種基礎(chǔ)技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，如機器人領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、基礎(chǔ)科學(xué)試驗、核工程、海底與遠(yuǎn)洋作業(yè)等。遙操作技術(shù)使移動機器人到達艱險的環(huán)境， 通過機器人完成特定的任務(wù)，從而可以使人遠(yuǎn)離艱險的工作環(huán)境?；贗nternet的遙操作機器人是指將機器人與Internet連接，使人們可以在任何地方通過瀏覽器訪問機器人，實現(xiàn)對機器人的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。它以Internet為構(gòu)架，不僅降低了遙操作系統(tǒng)的成本，也使機器人為Internet上越來越多的人們所熟悉和共享。其中，數(shù)據(jù)傳輸是遙操作機器人系統(tǒng)的一個非常重要的組成部分。 從通信領(lǐng)域來說，分為無線和有線數(shù)據(jù)傳輸。隨著Internet的出現(xiàn)及廣泛應(yīng)用，通過Internet進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控機器人越來越成為一個重要研究方向?；贗nternet的遙操作機器人系統(tǒng)，一方面得益于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娘@著優(yōu)勢， 網(wǎng)絡(luò)資源廉價、普及范圍廣、所需硬件少；另一方面，Internet上數(shù)據(jù)流具有多樣性，遙操作機器人系統(tǒng)必需的實時性特點所需要的高優(yōu)先級必然不能達到。 同時，Internet本身固有的特點，由于網(wǎng)絡(luò)延時和負(fù)荷變化所具有的隨機性、 可變性和不可預(yù)測性引起了遙操作控制過程中的隨機時延及延遲抖動，遙操作機器人系統(tǒng)的可控性、穩(wěn)定性及透明度都受到負(fù)面影響。 在力覺臨場感遙操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸中的不確定時延往往導(dǎo)致機器人控制信息反饋回遙操作端有一段時間滯后。該滯后與網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時的性能緊密相關(guān)， 如擁擠程度、途經(jīng)路徑的長短等等。 如果遙操作人員不把網(wǎng)絡(luò)延時考慮進去， 對機器人的當(dāng)前運動狀態(tài)無法做出正確的判斷， 就無法發(fā)送正確的遙控命令，控制也將出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重的甚至有危險。因此不確定時延是遠(yuǎn)程遙控機器人研究的技術(shù)難點之一。具有臨場感效果的遙操作機器人系統(tǒng)應(yīng)用于太空活動和深海探測等距離遙遠(yuǎn)的地方，但遠(yuǎn)地從機器人與本地操作者之間長達幾秒到幾十秒不等的通信時延卻成為影響系統(tǒng)正常工作的突出問題。這不僅降低了系統(tǒng)的臨場感效果，使操作者難以實時地、真實地感知遠(yuǎn)地環(huán)境的情況，而且造成了系統(tǒng)的不穩(wěn)定，尤其是在從機器人與環(huán)境發(fā)生力的交互作用過程中。具體說來，問題的根源主要集中在網(wǎng)絡(luò)時延和數(shù)據(jù)可靠性兩大問題上。 其中，數(shù)據(jù)可靠性又與網(wǎng)絡(luò)時延有著密不可分的關(guān)系。目前，對于遙操作機器人系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時延問題應(yīng)對策略的研究主要集中在控制理論領(lǐng)域，如基于電路網(wǎng)絡(luò)理論的無源控制法則、 基于現(xiàn)代控制理論的控制算法和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的模型修正法等。其共同的特點是把網(wǎng)絡(luò)看作一個不可知 （黑盒子）和不可控的對象，在控制領(lǐng)域?qū)ふ覒?yīng)對方法，以期消除網(wǎng)絡(luò)時延對遙操作系統(tǒng)中信息、數(shù)據(jù)傳輸帶來的負(fù)面影響。但是，科學(xué)地講，網(wǎng)絡(luò)時延雖然具有相當(dāng)顯著的不確定性，但它是一個可控、可預(yù)測的對象。因而，從網(wǎng)絡(luò)體系及網(wǎng)絡(luò)時延本身出發(fā)， 從遙操作機器人系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的互動需求出發(fā)， 提出滿足遙操作機器人系統(tǒng)需求的時延相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和適應(yīng)性方法， 從而與控制領(lǐng)域的研究成果達成互補的效果。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上 ，盡可能地提高系統(tǒng)透明度，滿足期望的操作性，達到系統(tǒng)穩(wěn)定性與透明度的動態(tài)平衡性 ，即隨著系統(tǒng)狀態(tài)在穩(wěn)定性和透明度之間找到一個合理的折中，使得系統(tǒng)在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上盡可能提高操作性能。通過跨學(xué)科的努力，從根本上解決Internet環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)時延及時延抖動對遙操作機器人系統(tǒng)的影響和限制，縮短遙操作機器人系統(tǒng)理論與實用化的距離，為遙操作機器人技術(shù)提供更加廣闊的應(yīng)用空間。、國內(nèi)外研究動態(tài)在很長一段時間，關(guān)于遙操作機器人系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時延問題集中在控制理論領(lǐng)域，早在60年代Ferrell就指出時間延遲的存在會使遠(yuǎn)程機器人工作不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定性可以從以下幾個角度分析：在古典控制論奈奎斯特穩(wěn)定性分析中，將復(fù)平面上開環(huán)頻率特性曲線不能包圍 -1點作為系統(tǒng)穩(wěn)定的條件，并進一步從工程角度出發(fā)， 要求一個系統(tǒng)不但要做到穩(wěn)定， 還應(yīng)該有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕量才可使用。 然而一個系統(tǒng)的參數(shù)的不確定性， 控制模型的不合理的簡化， 卻會使系統(tǒng)在某些情況下失穩(wěn)，網(wǎng)絡(luò)機器人控制中典型的就是延時的不確定性所帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以對網(wǎng)絡(luò)機器人控制問題的研究往往要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性(Robustness),即“是否穩(wěn)定”和“穩(wěn)定裕量”。從能量角度分析，遙操作系統(tǒng)要想保持穩(wěn)定， 其輸入能量必須大于輸出能量， 而通訊系統(tǒng)的存在會很容易的違反這一要求。從負(fù)反饋角度分析：負(fù)反饋是實現(xiàn)控制的基本方法， 但負(fù)反饋并不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計不好的負(fù)反饋系統(tǒng)的被控制量也會出現(xiàn)震蕩的情況， 即不穩(wěn)定。一個閉環(huán)系統(tǒng)如果其閉環(huán)增益大于一，其半個工作周期等于時間延遲值， 則系統(tǒng)將處于正反饋而非負(fù)反饋， 此頻率的能量將連續(xù)加入系統(tǒng)而導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。現(xiàn)階段，遙操作機器人系統(tǒng)克服時延影響的研究發(fā)展策略主要集中在基于電路網(wǎng)絡(luò)理論的無源控制法、基于現(xiàn)代控制理論的控制算法、 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的控制結(jié)構(gòu)和控制算法等幾個方面。1989年，RajuS.首先提出用二端口網(wǎng)絡(luò)理論分析遙操作系統(tǒng)的方法 ，將遙操作系統(tǒng)與電路網(wǎng)絡(luò)進行類比，并且通過分析指出影響系統(tǒng)不穩(wěn)定性的原因在于通信時延造成了傳輸線的有源性，使人們認(rèn)識到使有通信時延的遙控作業(yè)系統(tǒng)穩(wěn)定是可能的， 關(guān)鍵是控制遠(yuǎn)地和本地之間的通信環(huán)節(jié)，使其具有無源傳輸線的性能。加拿大多倫多大學(xué)的StrassbergY.和GoldenbergA.A.等人則利用現(xiàn)代控制理論中的Lyapunov穩(wěn)定性判據(jù)分析臨場感系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件。 LawrenceD.A.針對穩(wěn)定性和臨場感特性在時延下的不協(xié)調(diào)，提出了“無源距離(passivitydistance)"和"透明距離(transparencydistance) ”的概念，用以指導(dǎo)臨場感系統(tǒng)的設(shè)計。 LeungG.M.H.和FrancisB.A.等人利用基于“無源距離”和“透明距離”的綜合評價法設(shè)計臨場感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并利用H8最優(yōu)控制理論指導(dǎo)時延下臨場感系統(tǒng)中控制器的設(shè)計。1984年,NoyesG.和SheridanT.B. 設(shè)計了用于遙操作的第一個視覺預(yù)測顯示系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中用機械手的計算機仿真模型疊加在經(jīng)時延后反饋的機械手視頻圖象上， 仿真模型和操作者之間是實時交互， 用以預(yù)測遠(yuǎn)處環(huán)境中機械手的運動。 實驗證明，該方法可以極大地提高系統(tǒng)的操作性能。1986年，SheridanT.B.又構(gòu)造了實驗系統(tǒng)用以驗證視頻預(yù)測顯示的有效性。結(jié)果表明，在視頻預(yù)測顯示的幫助下，任務(wù)完成時間減少 50%1992年，KototuT.等人基于BejczyA.K.在1990年提出的“幻影機器人”的思想上，給虛擬從手加入了力反饋。結(jié)果表明，增加了力反饋使得控制穩(wěn)定， 而且從手的運動比僅靠圖形顯示判斷接觸力時快了三倍。1996年，MorikawaH.等人通過建立“虛擬引導(dǎo)模型”引入預(yù)測力反饋。2000年，ItohT.等人對基于半自動任務(wù)導(dǎo)向虛擬工具，并具有運動和力標(biāo)定的人 -機協(xié)作遙操作系統(tǒng)提出了新的控制算法。實際上，從研究人員對遙操作系統(tǒng)中得網(wǎng)絡(luò)時延問題的探索研究過程中我們不難發(fā)現(xiàn)：基于電路網(wǎng)絡(luò)理論的無源通訊法則所實現(xiàn)的控制算法對解決短時延問題具有較好的效果， 而在長時延的情況下，要實現(xiàn)在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時又具有良好的可操作性則顯得無能為力；由于現(xiàn)代控制理論的不完善及其系統(tǒng)實現(xiàn)上的困難等原因， 基于現(xiàn)代控制理論所提出的各種控制算法亦未能較好地解決系統(tǒng)通信時延問題。 然而，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于臨場感遙操作機器人系統(tǒng)來克服通信時延，從而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性得以同時實現(xiàn)。 因此，我們認(rèn)為虛擬現(xiàn)實技術(shù)必定會成為克服時延對遙操作系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)面影響的研究的主流方向。以上這些方法策略的共同點是：把網(wǎng)絡(luò)看作一個不可知(黑盒子)和不可控的對象，在控制領(lǐng)域?qū)ふ覒?yīng)對網(wǎng)絡(luò)時延的方法。而在 Internet環(huán)境下的遙操作領(lǐng)域針對時延的網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)方面的研究則不是太多?；贗nternet的遙操作機器人系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時延的研究主要是在定常時延和時變時延兩個假設(shè)基礎(chǔ)之上進行的。其中，以定常時延為基礎(chǔ)的研究最為廣泛而以時變時延為基礎(chǔ)的研究更具有實用價值?，F(xiàn)階段的針對網(wǎng)絡(luò)時延的研究大體可以分為以下幾個方向 ：(1)分析、研究時延特點，給出時延估測模型，并以此模型為基礎(chǔ)研究整個遙操作機器人系統(tǒng)的控制模型；(2)大量實驗測試，分析時延呈現(xiàn)出來的統(tǒng)計特性，預(yù)測其可能遵循的函數(shù)規(guī)律；(3)利用時延緩沖器管理算法，將時變時延轉(zhuǎn)化為定常時延；(4)通過修改、創(chuàng)新時鐘同步算法，來獲取較準(zhǔn)確地單向傳輸時延；(5)重點分析與評估傳輸時延對通過不同的傳輸協(xié)議傳遞信息所帶來的負(fù)面影響，通過改進TCP/RTP/RTCP/UD喈網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來解決問題。三、課題研究內(nèi)容通過目前遙操作機器人系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)， 對于一般的遙操作機器人系統(tǒng)， 帶寬雖然有限，但通常還是能夠得到保證，所以時延也幾乎是常數(shù)。而基于Internet的遙操作機器人系統(tǒng)則有所不同， 其傳輸時延則是不斷變化的。 遙操作機器人系統(tǒng)是時延敏感的， 且實時性要求很高，因而Internet提供的這些通信條件給遙操作系統(tǒng)的開發(fā)帶來很大困難，傳輸中的大時延、時延抖動和不能保證的帶寬將引發(fā)不穩(wěn)定的問題， 如果不適當(dāng)?shù)剡M行控制就會導(dǎo)致系統(tǒng)性能極大下降。基于上述問題，本文著重從網(wǎng)絡(luò)時延進行研究，大致可以分為以下幾個方面：(1)基于時鐘同步的網(wǎng)絡(luò)單向時延的研究。研究時延問題的關(guān)鍵之一在于能比較精確地確定時延的大小，分析當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)單向時延研究成果及相關(guān)方法， 分析單向時延的統(tǒng)計特性，重點分析網(wǎng)絡(luò)單向時延的特點及其對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶厥庑裕?從其特性出發(fā)，建立基于時鐘同步算法的單向時延測算算法模型，驗證基于時鐘同步算法的單向時延測算算法的有效性。(2)對TCP協(xié)議進行改進。分析數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實現(xiàn)過程以及 TCP協(xié)議內(nèi)在三大機制：超時重傳、慢啟動和擁塞避讓。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)開發(fā)新型數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議需要達到的要點；基于上述模擬實驗的有效結(jié)果及對協(xié)議的功能需求， 在NS2中對TCP協(xié)議進行改進，通過引入時延變量以及以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的時延的智能預(yù)測模塊重新構(gòu)造 TCP協(xié)議中擁塞控制機制，以期達到時延抖動小、連續(xù)有序和數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)哪康摹?3)在NS2網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境下，使用改進的 TCP協(xié)議，分析具體數(shù)據(jù)傳輸場景，針對遙操作機器人系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸特點， 模擬其數(shù)據(jù)包發(fā)送狀況，通過改進的TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)報發(fā)送并跟蹤，分析實驗結(jié)果，驗證改進后協(xié)議的有效性。四、研究方案及難點在基于Internet的機器人遙操作系統(tǒng)中，時延的一個顯著的特點是變化。 由于Internet中數(shù)據(jù)傳輸時延是影響遙操作控制系統(tǒng)品質(zhì)的一個主要因素， 時延模型的建立是一切分析解決遙操作時延控制問題的基礎(chǔ)， 且時延(往往是隨機時延)是由網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時帶寬限制和網(wǎng)站上數(shù)據(jù)擁擠造成的。 目前基于網(wǎng)絡(luò)的遙操作系統(tǒng)已有的一些研究， 大多建立在對網(wǎng)絡(luò)時延的假設(shè)基礎(chǔ)之上，由于網(wǎng)絡(luò)時延的隨機性和不可預(yù)測性 ，通過實驗測試時延來研究網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)更具有實際意義。首先，我們應(yīng)該分析當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時延的研究成果及相關(guān)方法， 通過進行實驗得到相關(guān)數(shù)據(jù)分析時延的特點和統(tǒng)計特性以及時延和時延抖動對遙操作系統(tǒng)的透明性和可操作性產(chǎn)生的負(fù)面影響，尋求二者之間可能存在的平衡關(guān)系。其次，研究時延問題的關(guān)鍵之一在于能比較精確地確定時延的大小， 因此需要設(shè)計新的時鐘同步算法，使其同步的精度達到可以接受的程度， 對單向時延進行更加精確地測算。 進而建立基于時鐘同步算法的單向時延測算算法模型， 基于該模型建立實驗拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 模擬數(shù)據(jù)傳輸場景，驗證基于時鐘同步算法的單向時延測算算法的有效性。再次，利用更加精確地網(wǎng)絡(luò)時延數(shù)據(jù)對 TCP中的擁塞控制機制進行改進，對改進后的協(xié)議進行性能評估。通過在擁塞控制算法中加入時延變量， 建立更適應(yīng)于遙操作機器人系統(tǒng)實時性的改進的TCP傳輸協(xié)議，使得擁塞控制算法和時延的關(guān)系更加密切， 讓時延的變化能更快的反應(yīng)到網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸中去。然后，可以將以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的時延的智能預(yù)測模塊加入到改進的 TCP協(xié)議，使其擁有對時延的一般的預(yù)測功能，輔助新的擁塞控制算法，以期達到更高的應(yīng)用價值。最后，在NS2網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境下，使用改進后的傳輸協(xié)議， 建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，模擬遙操作機器人系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程， 驗證新型協(xié)議的有效性； 在實際環(huán)境中使用改進后的傳輸協(xié)議作為系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，從實用系統(tǒng)角度驗證協(xié)議的有效性。五、預(yù)期成果和可能的創(chuàng)新點在對時延在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中的特性分析、總結(jié)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計新的時間同步算法，得到更加精確地網(wǎng)絡(luò)時延，以此來改進TCP協(xié)議中現(xiàn)有的擁塞控制機制，并加入時延的智能預(yù)測模塊，以期得到更加適合網(wǎng)絡(luò)實時控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議， 實現(xiàn)時延抖動小、連續(xù)有序和可靠地數(shù)據(jù)傳輸。其中，可能的創(chuàng)新點有：一種新的時間同步算法， 能更加精確地測量網(wǎng)絡(luò)時延；增加了時延變量的擁塞控制機制， 可以更快的將時延的變化反映到到數(shù)據(jù)的傳輸過程中； 一個融入到改進后的傳輸協(xié)議的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時延智能預(yù)測模塊，可以提高其實用性和穩(wěn)定性。六、論文工作計劃論文工作的總體時間安排：1、2011年9月，開題準(zhǔn)備工作，查找基于Internet的遙操作機器人系統(tǒng)傳輸時延的相關(guān)資料，了解國內(nèi)外的發(fā)展動態(tài)，對課題進行可行性分析，確定課題的最終研究方向及課題內(nèi)容。2、2011年10月—2011年12月，進行深入分析，認(rèn)真學(xué)習(xí)與本研究課題相關(guān)的理論知識。3、2012年1月―2012年2月，進行相關(guān)系統(tǒng)的概要設(shè)計和實驗環(huán)境的搭建。4、2012年3月―2012年10月，完成對相關(guān)算法的改進，并進行試驗，驗證有效性。5、2012年10月—2012年12月，總結(jié)和整理相關(guān)資料，進行論文的撰寫，準(zhǔn)備答辯。七、主要參考文獻[1]李勇，符秀步!等.基于web的遙操作系統(tǒng)時延分析.沈陽化工學(xué)院學(xué)報，2007,21(1)：43-46.[2]景興建，王越超等.遙操作機器人系統(tǒng)時延控制方法綜述 .自動化學(xué)報,2004,30(2):214-223.[3]陳俊杰，薛曉紅等.臨場感遙操作機器人系統(tǒng)克服時延影響的研究發(fā)展策略 .傳感技術(shù)學(xué)報,2004,2:232-237.[4]王卓等.單向時延測量的實日時鐘同步算法.華中科技大學(xué)學(xué)報.2008,36(2):22-25[5]陳俊杰，黃惟一.遙操作機器人系統(tǒng)克服時延影響的關(guān)鍵技術(shù) .華中科技大學(xué)學(xué)報,2004,32:187-190.[6]王亦紅，黃惟一等.基于預(yù)測的力覺臨場感遙控系統(tǒng)時延問題的研究 .數(shù)據(jù)采集與處理,2002,17(4):419-422.□王宏偉，楊先一.機器人遙操作系統(tǒng)中信息延時的預(yù)測研究 .機器人技術(shù),2008,24(8):265-267.[8]王慶鵬，談大龍等.基于Internet 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