Wireless Network Architecture for Long range Teleoperation of an Autonomous System
Architecture reseau sans fil pour de la téléopération long distance d'un systeme embarqué
Résumé
Networked teleoperation (NT) is an emerging area of technology, where human assisted Master and remote Slave devices communicate over a communication network for the exchange of command and sensor feedback information. For long range mobile teleoperation, this information travels over different types of heterogeneous/hybrid networks interconnected together with a compulsory network segment over wireless to permit increased mobility. The independent design of control and network promotes the isolated objectives and the performance is degraded after an integration. It is also challenging if internet is used for teleoperation, instead of point to point communication. The mechanisms of QoS in one network protocol of the heterogeneous network needs mapping on any other network which is usually carried out with a multimedia point of view and not for the critical teleoperation data. The approach for networked teleoperation can be given a new dimension by adding quality of service (QoS) to different flows on need based priority and as a function of control and transparence criteria. This means to alter the network resources for teleoperation objective in order to transport the information to satisfy the end-to-end application needs. The network QoS perspective is important to consider in the co-design approach for teleoperation. However, the true meaning of end to end QoS must be defined for teleoperation. If we consider the QoS from the network point of view, it refers to the management of various flows or users as per their need and precedence. Whereas, from the teleoperation perspective, QoS is related to the quality of control (QoC) which includes stability, transparence and telepresence. Moreover, the human interface may have different requirements as per telepresence feeling which will result in varying network load. To control network QoS, we need to measure or estimate it. Therefore, classification of QoS is performed with a fuzzy inference system which is able to distinguish between varying levels of QoS. In addition, it is also a challenging task for online decision for reconfiguration of network and control performance. We have used supervised methods for classification and prediction of QoS to be used in the proposed approach. Thus, data communication networks treat control information as best effort most of the time. conclusion the communication used in teleoperation uses a dedicated network/communication. In short, a co-design approach is formulated to treat the network QoS as a function of teleoperation objectives which are related to the quality of transparence and control. Alternatively, the video flow is managed in order to effectively reduce the necessary throughput for instants when the network quality is not sufficient. We have considered two cases. First, without taking into account any network QoS mechanism (best effort flows only) and adapting application needs as per the teleoperation objectives. The second one considers a QoS oriented network in between the master and slave, where different priorities can be assigned to the teleoperation flows as per need. In the end, the proposed methodology is implemented on the NeCS-Car benchmark.
La téléopération en réseau est une thématique émergente, où un humain (le maître) communique avec un esclave commandé à distance à travers un réseau de communication, pour l'échange des données de commande et de mesure. Pour la téléopération longue distance, ces informations traversent divers réseaux hétérogènes ou hybrides interconnectés ensemble. Nous traitons également le cas où un segment sera sans fil, ce qui permet d'envisager que l'esclave soit mobile (véhicule télé-opéré par exemple). Une étude indépendante des aspects commande et des aspects réseau entraîne l'atteinte d'objectifs locaux, qui peuvent le cas échéant être ensuite fortement dégradés après l'intégration des deux aspects. L'utilisation de réseaux partagés, comme internet, en lieu et place d'une liaison dédiée (point à point, liaison virtuelle) est également un défi, en particulier dans le cas de la longue distance. Les mécanismes de qualité de service (QdS) d'un réseau, en particulier du réseau hétérogène, doivent pouvoir être traités par les autres réseaux ; ces points sont assez souvent traités avec un point de vue d'applications multimedia, plus rarement avec le point de vue de la téléopération critique. L'approche de téléopération en réseau peut profiter de ces mécanismes de qualité de service en utilisant des priorités ou des réservations de bandes passantes en fonction des critères de commande et de transparence. Cela peut entraîner une adaptation des ressources réseau en fonction des besoins des objectifs de téléopération afin de transporter l'information en satisfaisant les besoins bout en bout de l'application, cette notion devant être précisée. Lorsqu'on considère la QdS avec un point de vue réseau, elle consiste principalement à la gestion de flux de communication, en prenant en compte des paramètres de besoin et d'ordonnancement. Si l'on prend en compte le point de vue de la téléopération, la QdS entraîne des conséquences sur la qualité de commande (QdC) ce qui inclut la stabilité, la transparence et la téléprésence. De plus, l'interface humaine peut également avoir des besoins spécifiques en termes de téléprésence, ce qui peut entraîner des conséquences sur la répartition de la charge du réseau. Afin d'intégrer les deux approches de QdS et de QdC pour apporter une meilleure réponse au problème posé, nous proposons une approche de coconception avec d'une part une adaptation de la QdS aux besoins de la Qdc (qualité de la transparence) et d'autre part une adaptation de la Qdc (par exemple dégradation de la qualité du flux vidéo) à la disponibilité du réseau. Nous avons considéré deux cas de figures. Dans un premier temps, sans tenir compte des mécanismes de QdS du réseau (approche dite du meilleur effort ou best effort) et par l'adaptation au mieux de l'application, pour répondre aux besoins de la téléopération. La seconde approche considère un réseau orienté QdS entre le maître et l'esclave, où différentes priorités peuvent être attribuées aux flux nécessaires à la téléopération, en fonction des contextes. L'approche proposée est finalement mise en oeuvre sur NeCS-Car, la voiture téléopérée disponible au Laboratoire.
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