Internet protocol based networking of mobile robots [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Florian Zeiger

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• Publié par: julius-maximilians-universitat_wurzburg
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 38
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 16 Mo

Extrait

Institut für Informatik
Lehrstuhl für Robotik und Telematik
Prof. Dr. K. Schilling
Würzburger Forschungsberichte
in Robotik und Telematik
Uni Wuerzburg Research Notes
in Robotics and Telematics
Florian Zeiger
Internet Protocol
based networking
of mobile robots
Band 4Die Schriftenreihe
wird vom Lehrstuhl für Informatik VII: Robotik und
Telematik der Universität Würzburg herausgegeben und
präsentiert innovative Forschung aus den Bereichen der
Robotik und der Telematik.
Die Kombination fortgeschrittener Informationsverar-
beitungsmethoden mit Verfahren der Regelungstechnik
eröffnet hier interessante Forschungs- und Anwendungs-
perspektiven. Es werden dabei folgende interdisziplinäre
Aufgabenschwerpunkte bearbeitet:
Robotik und Mechatronik: Kombination von Informa-Ÿ
tik, Elektronik, Mechanik, Sensorik, Regelungs- und
Steuerungstechnik, um Roboter adaptiv und flexibel
ihrer Arbeitsumgebung anzupassen.
Telematik: Integration von Telekommunikation, Infor-Ÿ
matik und Steuerungstechnik, um Dienstleistungen
an entfernten Standorten zu erbringen.
Anwendungsschwerpunkte sind u.a. mobile Roboter, Tele-
Robotik, Raumfahrtsysteme und Medizin-Robotik.
Lehrstuhl Informatik VII
Robotik und Telematik
Am Hubland
D-97074 Wuerzburg
Tel.: +49 (0) 931 - 31 - 86678
Fax: +49 (0) 931 - 31 - 86679
[e-mail]
http://www7.informatik.uni-wuerzburg.de
Dieses Dokument wird bereitgestellt
durch den Online-Publikationsserver der
Universität Würzburg.
Universitätsbibliothek Würzburg
Am Hubland
D-97074 Würzburg
Tel.: +49 (0) 931 - 31 - 85917
Fax: +49 (0) 931 - 31 - 85970
Zitation dieser [e-mail]
http://www.opus-bayern.de/uni-
wuerzburg/ ZEIGER, F. (2010). Internet Protocol based networking
of mobile robots. Schriftenreihe Würzburger
ISSN (Internet): 1868-7474
Forschungsberichte in Robotik und Telematik, Band 4. ISSN (Print): 1868-7466
Würzburg: Universität Würzburg.eISBN: 978-3-923959-59-4Internet Protocol based Networking
of Mobile Robots
Dissertation zur Erlangung des
naturwissenschaftlichen Doktorgrades
der Bayerischen Julius–Maximilians–Universität Würzburg
vorgelegt von
Florian Zeiger
aus
Würzburg
Würzburg 2011Eingereicht am: 07.04.2010
bei der Fakultät für Mathematik und Informatik
1. Gutachter: Prof. Dr. Klaus. Schilling
2. Gutachter: Prof. Seong-Lyun Kim, PhD
Tag der mündlichen Prüfung: 01.02.2011Danksagung
Die vorliegende Arbeit ist das Ergebnis aus 6 Jahren Forschung im Bereich der
Fernsteuerung und Vernetzung von mobilen Robotern. Natürlich wäre die Arbeit
in dieser Form nicht ohne die Unterstützung, die ich von Familie, Freunden und
Kollegen erfahren habe möglich gewesen.
Zuerst bedanke ich mich bei meiner Frau Melanie, die mich immer unterstützt
und mir den Rücken frei hält. Sie musste während der Erstellung der Arbeit viele
einsame Abende verbringen.
Auch meinem Doktorvater Professor Dr. Klaus Schilling danke ich für die
Möglichkeit an seinem Lehrstuhl eine Promotion durchzuführen. Zum einen
konnte ich als langjähriger Mitarbeiter des Lehrstuhls an vielen spannenden Pro-
jekten, wie z.B. UWE-1 und EU-India, mitarbeiten, zum anderen konnte ich
mich aktiv in der Aufbauphase des "Zentrum für Telematik e.V." einbringen. So
war es mir möglich durch meine Arbeit viel Erfahrung in nationalen und inter-
nationalen Forschungsprojekten zu sammeln. Meinem Zweitgutachter Professor
Seong-Lyun Kim danke ich, dass er sich die Zeit genommen hat und sich mit
meiner Arbeit beschäftigt hat, um ein Gutachten zu erstellen. Meinen Prüfern
Professor Dr. Rainer Kolla und Professor Dr.-Ing. Phuoc Tran-Gia danke ich
dafür, dass sie gerne als Prüfer zu meiner Disputation bereit standen und eine
problemlose und rasche Terminfindung unterstützten.
Meinem guten Freund Markus Sauer danke ich ebenfalls. Während unserer
langen Zeit als Kollegen hat sich eine tiefe Freundschaft entwickelt und ich danke
ihm für die vielen gemeinsamen Abende, Urlaube, Diskussionen und Ratschläge
privater als auch fachlicher Art. Auch haben wir viele gemeinsame Forschungsar-
beiten durchgeführt und konnten gemeinsam an der Gründung des "Zentrum für
Telematik e.V." mitwirken.
Während meines Studiums konnte ich bei Praktika, Diplomarbeit und meiner
Arbeit als studentische Hilfskraft sehr viel von Dr. Dirk Staehle, Prof. Dr.
Michael Menth und Dr. Kenji Leibnitz lernen und danke ihnen dafür, dass sie
iDanksagung
mich dem Arbeiten in Forschung und Lehre näher brachten.
Dr. Rastin Pries danke ich zum einen für die fachlichen Diskussionen und
Rückmeldungen, zum anderen auch als einen sehr guten Freund mit dem ich
schon mehrere tausend Ski-Kilometer zurückgelegt habe.
Bei meinen Praktikanten, Studienarbeitern und Diplomanden Bernhard
Herbst, Marco Schmidt, Jens Bardutzky, Christian Herrmann, Daniel Eck,
Christian Selbach, Nikolaus Krämer, Thomas Fentzahn und Benjamin Ruderisch
möchte ich mich für ihren Einsatz und die Projektarbeit recht herzlich bedanken.
Oft konnten unsere gemeinsamen Forschungsarbeiten auch auf anerkannten in-
ternationalen Konferenzen publiziert werden. Viele dieser ehemaligen Studenten
sind mittlerweile zu Kollegen geworden und tragen zu einem sehr guten Team-
work am Lehrstuhl und am "Zentrum für Telematik e.V." bei.
Für die sehr kompetente fachliche Zusammenarbeit, das sehr gute Arbeits-
klima im Kollegenkreis und die immer vorhandene Hilfsbereitschaft im Team
möchte ich mich bei meinen Kollegen am "Zentrum für Telematik e.V."
Maximilian Drentschew, Markus Krauß, Eberhard von Deuster, Ulrike Walter,
bei den Kollegen am Lehrstuhl Marco Schmidt, Christian Herrmann, Daniel Eck,
Robin Heß, Heidi Frankenberger, Edith Reuter, Anette Zillenbiller, und auch bei
den ehemaligen Kollegen Lothar Stolz, Dr. Frauke Driewer, Dr. Peter Hokayem,
Professor Dušan Stipanovic´, Dr. Lei Ma, Dr. Martin Hess und Rajesh Shankar
bedanken. Rajesh hat mich sehr bei meiner Arbeit im EU-India Projekt unter-
stützt und ich danke ihm auch für die vielen Eindrücke und Erfahrungen, die ich
in Indien gewinnen konnte.
Meinen Freunden Dr. Robert Henjes, Dr. Andreas Binzenhöfer, Dr. Tobias
Hoßfeld und Dr. Simon Oechsner möchte ich für die zahlreichen Abende mit
fachlichen und auch nicht so fachlichen Diskussionen und die vielen Freizeitak-
tivitäten die wir zusammen bestritten haben danken.
Natürlich trug auch mein privates Umfeld zum erfolgreichen Abschluss der
Promotion bei und ich möchte mich bei meinen Eltern und meiner ganzen Familie
für die jahrelange Unterstützung bedanken.
iiContents
1 Introduction 1
1.1 Contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Teleoperation of Robotic Systems via Internet 7
2.1 Enabling Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Local Area Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2 Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3 Telerobotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.4 Tele-Laboratories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Remote Learning Units of Mobile Robots . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 Architecture of the Hardware Segment . . . . . . . . . . 18
2.2.2 Robot Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.3 Mobile Robot Tele-Education Experiments in Würzburg 25
2.2.4 Integration of World Wide Distributed Remote Experiments 28
2.3 Control of Quanser SRV02 Experiment over the Internet . . . . 36
2.3.1 Theory and Mathematical Background . . . . . . . . . . 37
2.3.2 Implementation of the Controller . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.3 A Discrete-Time System with Time Delay . . . . . . . . 44
2.3.4 Experiment Setup and Evaluation . . . . . . . . . . . . 47
2.4 Discussion of the Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3 Ad-Hoc Networks of Mobile Robots 55
3.1 Enabling Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.1 Wireless Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.2 Wireless Local Area Networks (WLAN) . . . . . . . . . 59
3.1.3 Wireless Mobile Ad-Hoc Networks and Ad-Hoc Routing 63
3.1.4 Evaluation of Ad-Hoc Routing Protocols . . . . . . . . 78
iiiContents
3.1.5 Networked Robotics and Ad-Hoc Networks of Mobile
Robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2 Ad-Hoc Routing Protocols for Mobile Robot Teleoperation . . . 85
3.2.1 Test Setup and Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.2.2 Performance of Ad-Hoc Routing Protocols with Default
Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2.3 Protocol Parameter Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.2.4 Multi-hop Communication . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.3 Appl