一种基于硬件时间同步的时延控制方法技术

本发明专利技术提出一种基于硬件时间同步的时延控制方法，包括，同步实体无人车的ubuntu系统和仿真软件的windows系统的时间；在windows系统中的控制模块中创建ROS子节点，通过向实体无人车上的ROS主节点提交注册信息和话题订阅信息建立连接；将windows系统的时间戳和ubuntu系统的时间戳通过传输链路中的ROS节点进行传输；计算windows系统和ubuntu系统之间的时延时间；对实体无人车的运行数据进行实时采集；在控制模块中利用时延时间对实体无人车的自主控制算法进行设计；将运行数据发送回控制模块中，实现实体无人车的闭环运动控制。实现实体无人车的闭环运动控制。实现实体无人车的闭环运动控制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于硬件时间同步的时延控制方法


[0001]本专利技术属于无人系统的控制领域。

技术介绍

[0002]传统的无人控制系统中通常将感知、规划、控制等内容全部集中到无人系统的个体上，通过单个个体实现对环境的感知。在环境感知的基础上，每个个体对自身做出路径规划，之后通过轨迹跟踪控制实现对路径的追踪完成个体任务。由于感知、规划等功能通常需要巨大的算力，这样的无人控制系统会导致无人系统个体的硬件成本升高。为了解决这个问题，随着通信网络、控制理论等的发展以及技术的进步，越来越多的方法中将现有的无人控制系统功能拆分，将控制器、执行器部署到不同设备中，实现跨平台的无人系统控制。
[0003]跨平台的无人系统能够在长距离下执行任务，灵活可靠，并且应用范围广，然而，不同平台信息传输时的时间延迟（如输入时延、通信时延和状态时延等）通常是不可避免的。控制系统中时延的存在总会造成许多不利影响，如性能下降，甚至会影响系统的稳定性。目前现有的时延控制方法通常是使用估计出的时延进行控制器的设计，这种算法估计、软件同步的方式通常会与真实时延之间有较大的估计误差。因此，为了进一步消除时延的影响，使用硬件同步的方式对不同平台进行了时间同步，并在时间同步完成后，通过传送时间戳的方式计算出了不同系统间的通信时延，随后根据时延信息设计了控制律，从而提高了无人控制系统的稳定性。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0005]为此，本专利技术的目的在于提出一种基于硬件时间同步的时延控制方法，用于通过时间同步方法对不同系统间存在的通信时延进行计算，随后考虑了具有时延的控制系统，并将其运用到了无人车控制中。
[0006]为达上述目的，本专利技术第一方面实施例提出了一种基于硬件时间同步的时延控制方法，包括：基于NTP网络时间协议，同步实体无人车的ubuntu系统和仿真软件的windows系统的时间，将所述ubuntu系统配置为NTP服务器，将所述windows系统配置为NTP客户端；在所述windows系统中的控制模块中创建ROS子节点，通过向所述实体无人车上的ROS主节点提交注册信息和话题订阅信息建立连接；采用话题通信机制，将所述windows系统的时间戳和所述ubuntu系统的时间戳通过传输链路中的ROS节点进行传输；基于时间同步，计算所述windows系统和所述ubuntu系统之间的时延时间；通过包括激光雷达和里程计的传感器对所述实体无人车的运行数据进行实时采集，所述运行数据包括所述实体无人车的位置、姿态；在所述控制模块中利用所述时延时间对所述实体无人车的自主控制算法进行设计；将所述运行数据发送回所述控制模块中，实现所述实体无人车的闭环运动控制。
[0007]另外，根据本专利技术上述实施例的一种基于硬件时间同步的时延控制方法还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述基于NTP网络时间协议，同步实体无人车的ubuntu系统和仿真软件的windows系统的时间，包括：在ubuntu系统中安装ntp软件包；打开所述ntp软件包中自带的配置文件进行编辑，包括采用本机作为NTP服务器，对配置文件进行相应的修改；添加限制访问权限，允许连接本服务器网络的客户端访问ntp服务器，进行时间同步；在ubuntu端启动ntp进程，等待客户端的时间同步；在windows系统中，选择以管理员身份运行命令提示符，启动w32time服务；在windows系统中，打开控制面板中的日期和时间选项，选择Internet时间中的更改设置，在更改设置中手动输入NTP服务器，随后单击更新。
[0008]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述将所述windows系统的时间戳和所述ubuntu系统的时间戳通过传输链路中的ROS节点进行传输，包括：在ubuntu系统中建立ROS 主节点作为两个系统间的信息交互的管理节点，在windows系统的控制模块中建立ROS子节点，通过各个所述ROS子节点向所述ROS 主节点提交注册信息和话题订阅信息实现两个系统间的信息交互。
[0009]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述基于时间同步，计算所述windows系统和所述ubuntu系统之间的时延时间，包括：通过所述实体无人车的ubuntu系统中ros自带的读取时间的函数读取ubuntu系统时间，并将所述ubuntu系统时间跟随所述实体无人车的实时运行数据通过ROS节点传输到windows系统中；在所述windows系统的simulink软件接收到实体无人车传来的数据后，读取所述windows系统时间，并将所述windows系统时间与ubuntu系统时间相减，得出所述windows系统和所述ubuntu系统之间的时延时间。
[0010]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述将所述运行数据发送回所述控制模块中，实现所述实体无人车的闭环运动控制，包括：根据所述实体无人车实时位置与目标位置的误差和通信时延计算控制量。
[0011]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，还包括：定义移动机器人系统的运动学模型为：，
[0012]式中，为系统状态，其中为位置，为角度，控制输入,其中为线速度，为角速度；
[0013]对所述移动机器人系统进行线性化：，
[0014]其中，为线性化后的系统矩阵；
[0015]对于线性化后的系统，设计带有时延的控制器为：，
[0016]其中为所述移动机器人系统往返总时延。
[0017]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，还包括：S201:对自主控制算法进行初始化，将初始速度控制量和windows系统时间通过ROS节点发给实体无人车，计算输入时延；S202:将所述输入时延、所述实体无人车的实时运行数据和ubuntu系统时间通过所述ROS节点发回所述控制模块，通过所述控制模块计算往返总时延；根据所述总时延和所述实时运行数据以及线性化后的所述移动机器人系统参数通过所述自主控制算法计算速度控制量；S203:通过所述控制模块将此时windows系统时间和所述速度控制量通过所述ROS节点发给所述实体无人车，通过所述实体无人车计算输入时延；S204:不断重复S202和S203，直到所述实体无人车已运行到目的地。
[0018]为达上述目的，本专利技术第二方面实施例提出了一种基于硬件时间同步的时延控制装置，包括以下模块：同步模块，用于基于NTP网络时间协议，同步实体无人车的ubuntu系统和仿真软件的windows系统的时间，将所述ubuntu系统配置为NTP服务器，将所述windows系统配置为NTP客户端；传输模块，用于在所述windows系统中的控制模块中创建ROS子节点，通过向所述实体无人车上的ROS主节点提交注册信息和话题订阅信息建立连接；采用话题通信机制，将所述windows系统的时间戳和所述ubuntu系统的时间戳通过传输链路中的ROS节点进行传输；计算模块，用于基于时间同步，计算所述windows系统和所述ubuntu系统之间的时延时间；采集模块，用于通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于硬件时间同步的时延控制方法，其特征在于，包括以下步骤：基于NTP网络时间协议，同步实体无人车的ubuntu系统和仿真软件的windows系统的时间，将所述ubuntu系统配置为NTP服务器，将所述windows系统配置为NTP客户端；在所述windows系统中的控制模块中创建ROS子节点，通过向所述实体无人车上的ROS主节点提交注册信息和话题订阅信息建立连接；采用话题通信机制，将所述windows系统的时间戳和所述ubuntu系统的时间戳通过传输链路中的ROS节点进行传输；基于时间同步，计算所述windows系统和所述ubuntu系统之间的时延时间；通过包括激光雷达和里程计的传感器对所述实体无人车的运行数据进行实时采集，所述运行数据包括所述实体无人车的位置、姿态；在所述控制模块中利用所述时延时间对所述实体无人车的自主控制算法进行设计；将所述运行数据发送回所述控制模块中，实现所述实体无人车的闭环运动控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于NTP网络时间协议，同步实体无人车的ubuntu系统和仿真软件的windows系统的时间，包括：在ubuntu系统中安装ntp软件包；打开所述ntp软件包中自带的配置文件进行编辑，包括采用本机作为NTP服务器，对配置文件进行相应的修改；添加限制访问权限，允许连接本服务器网络的客户端访问ntp服务器，进行时间同步；在ubuntu端启动ntp进程，等待客户端的时间同步；在windows系统中，选择以管理员身份运行命令提示符，启动w32time服务；在windows系统中，打开控制面板中的日期和时间选项，选择Internet时间中的更改设置，在更改设置中手动输入NTP服务器，随后单击更新。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述windows系统的时间戳和所述ubuntu系统的时间戳通过传输链路中的ROS节点进行传输，包括：在ubuntu系统中建立ROS 主节点作为两个系统间的信息交互的管理节点，在windows系统的控制模块中建立ROS子节点，通过各个所述ROS子节点向所述ROS 主节点提交注册信息和话题订阅信息实现两个系统间的信息交互。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于时间同步，计算所述windows系统和所述ubuntu系统之间的时延时间，包括：通过所述实体无人车的ubuntu系统中ros自带的读取时间的函数读取ubuntu系统时间，并将所述ubuntu系统时间跟随所述实体无人车的实时运行数据通过ROS节点传输到windows系统中；在所述windows系统的simulink软件接收到实体无人车传来的数据后，读取所述windows系统时间，并将所述windows系统时间与ubuntu系统时间相减，得出所述windows系统和所述ubuntu系统之间的时延时间。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金会，邵之玥，孟焕，李思杭，魏嘉桐，张亚凯，吕千一，赵凯，蔡吉山，黄肖兵，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：