[논문]CAN 기반 휴머노이드 로봇의 실시간 데이터 통신 구현

권선구; 김병윤; 김진환; 허욱열

CAN 기반 휴머노이드 로봇의 실시간 데이터 통신 구현
Implementation of Real-Time Communication in CAN for a Humanoid Robot 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. D / D, 시스템 및 제어부문, v.55 no.1, 2006년, pp.24 - 30

권선구 (인하대학교 전기공학과) , 김병윤 (인하대학교 전기공학과) , 김진환 (인하공업전문대학 전기정보과학과) , 허욱열 (인하대학교 전자전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The Controller Area Network (CAN) is being widely used for real-time control application and small-scale distributed computer controller systems. When the stuff bits are generated by bit-stuffing mechanism in the CAN network, it causes jitter including variations in response time and delay In order to eliminate this jitter, stuff bits must be controlled to minimize the response time and to reduce the variation of data transmission time. This paper proposes the method to reduce the stuff bits by restriction of available identifier and bit mask using exclusive OR operation. This da manipulation method are pretty useful to the real-time control strategy with respect to performance. However, the CAN may exhibit unfair behavior under heavy traffic conditions. When there are both high and low priority messages ready for transmission, the proposed precedence priority filtering method allows one low priority message to be exchanged between any two adjacent higher priority messages. In this way, the length of each transmission delays is upper bounded. These procedures are implemented as local controllers for the ISHURO(Inha Semvung Humanoid Robot).

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

무엇보 다도 이들 방법은 우선순위가 높은 메시지의 빠른 전송을 보장하는 방법이므로 우선순위가 낮은 메시지는 계속적으로 전송이 저지되어 전송 지연시간이 길어지게 된다[3][12]. 본 논문에서는 동적 ID 할당 방식에 의한 불필요한 연산 시간과 전송 지연 문제를 위해 선행순위 필터링(PPF : Precedence Priority Filtering) 방법을 제안한다. 이를 통해 메시지 간의 전송 지연시간을 일정하게 하는 round-robin 방식을 구현하고 낮은 우선순위 메시지에 대해서도 공정한 전송기회를 부여하여 제어의 안정성을 보장할 수 있다.
본 논문에서는 실시간 제어 시스템에 유용한 CAN 프로토 콜을 휴머노이드 로봇의 네트워크로 활용 및 최적화하기 위해 주요한 특징을 살펴보았다. 네트워크의 안정성 보장 및 에러 검출을 위해 CAN 프로토콜에서 비트 스터핑 기능을 제공하고 있는데, 전송시간의 변동을 유발시키는 요인이 된다.
본 논문은 앞서 언급한 비트 스터핑에 의한 전송시간의 변동을 최소화하고, 스터프 비트를 제거함으로써 전송시간을 최소화하는 데이터 조작 방법을 제안한다. 우선 프레임 헤더 영역인 ID 필드에서 비트 스터핑을 방지하기 위해 ID 제한 방법을 적용한다.
방식이나 동적 ID 할당 방식보다는 지연의 변동을 일정하게 하고 지연시간을 최소화함으로써 네트 워크의 신뢰도를 향상시키는 것이 효과적이다. 즉 CAN에서 비트 스터핑(bit-stuffing)에 의해 발생하는 전송시간의 변화인 지터(jitter)를 제거해서 전송시간의 변동을 최소화할 뿐만 아니라 제어 모듈 간의 전송시간을 최소화하고자 한다. 스터프 비트(stuff bit) 발생을 제한하는 ID 제한 방법 및 비트 마스크(bit mask) 방법을 결합하여 데이터 조작(DM : Data Manipulation)!- 이용한 전송 방법을 제안하고, ID 필드 (field)와 데이터 필드(data field)에 적용했을 때의 전송시간 과 시간 특성에 대해 분석한다.
메시지 12는 빠른 전송 요청에도 불구하고 우선순위가 높은 메시지에 의해 전송이 지연되면서 다른 메시지에 비해 전송 지연시간이 훨씬 커진다. 총 전송 지연 시간은 동일하지만 낮은 우선순위 메시지의 불공정한 전송 기회로 인한 전송 지연의 편중 현상을 개선하고자 한다.

가설 설정

로봇 보행 데이터의 안정적인 전송을 보장하기 위해서는 CAN 프로토콜에 따른 데이터의 전송시간 분석이 필요하다 [12][13], CAN 메시지의 최악 전송시간 분석은 메시지 스케 줄링에 대한 고정된 우선순위에 대한 전송을 기반으로 하고 있다. 각각의 고정된 우선순위를 가지고 발생하는 메시지는 스트림(stream)의 집합으로 가정한다. CAN에서 스트림 sm을 전송하기 위한 최악 전송시간 Re과 큐잉 시간 qm은 다음과 같이 정의된다[3][10][13][14].
우선순위 기반 네트워크 제어에 있어서 메시지의 우선순위에 따라 그림 7과 같이 낮은 우선순위의 메시지에 전송 지연이 편중되는 현상이 발생한다. 주제어기와 하부의 12개의 지역제어기의 데이터 통신을 묘사하기 위해 메시지의 우선순위는 M1>M2>M3>M4>M5>->M11>M12 순으로 높다고 가정한다. 그림 7에서.

제안 방법

즉 CAN에서 비트 스터핑(bit-stuffing)에 의해 발생하는 전송시간의 변화인 지터(jitter)를 제거해서 전송시간의 변동을 최소화할 뿐만 아니라 제어 모듈 간의 전송시간을 최소화하고자 한다. 스터프 비트(stuff bit) 발생을 제한하는 ID 제한 방법 및 비트 마스크(bit mask) 방법을 결합하여 데이터 조작(DM : Data Manipulation)!- 이용한 전송 방법을 제안하고, ID 필드 (field)와 데이터 필드(data field)에 적용했을 때의 전송시간 과 시간 특성에 대해 분석한다.
또한 8byte 데이터 전송으로 인해 DLC는 OblOOO으로 고정되기 때문에 데이터 필드의 최상위 2비트가 '0'이 되면 스터프 비트가 발생되므로 이런 점까지 고려해야 한다. 그러나 스터프 비트를 방지하기 위해 실제 전송되는 데이터를 인위적으로 바꿀 수 없으므로 데이터 필드에서는 비트 마스크 방법을 제안한다.
이로 인해 데이터 필드의 최상위 비트에서도 스터핑 방지를 위한 제약 조 건이 발생한다. 그러나 인위적으로 데이터 필드를 수정할 수 없으므로 전송 데이터에 비트 마스크를 하고, 수신 후에 다시 비트 마스크를 하여 원래의 데이터를 복구하는 비트 마스크 방법을 제안한다. 제안된 데이터 조작 방법은 ID 제한 방법과 비트 마스크 방법을 결합한 것을 뜻한다.
또한 기존에 제안된 메시지 스케줄링 방식에 의한 ID 할당 방법들의 장 . 단점 을 보였고, 기존 방법의 한계를 극복하고 휴머노이드 로봇에 적합한 선행순위 필터링 방법을 제안하였다. 대기 열에 있는 낮은 우선순위 메시지의 전송을 보장하기 위해 우선순위가 순차적으로 낮아지도록 선행순위의 메시지 전송을 대기시키는 방법이다.
낮은 우선순위의 메시지에 대해서도 전송 기회를 보장하고, 전송 지연의 편중 현상을 개선할 수 있다. 따라서 제안한 방법을 통해 round-robin access를 구현하게 된다.
네트워크의 안정성 보장 및 에러 검출을 위해 CAN 프로토콜에서 비트 스터핑 기능을 제공하고 있는데, 전송시간의 변동을 유발시키는 요인이 된다. 먼저 스터프 비트를 제거하기 위해 ID 제한 방법과 비트 마스크 방법을 결합한 데이터 조작 방법을 제안하였다. 이를 통해 전송시간의 가변 요인을 제거하고 시스템에 의한 지연 조건만 반영되도록 신뢰도를 향상시켰다.
CAN의 데이터 필드에서는 연속되는 T이나 '0'을 제거하기 위해 비트 연산자를 이용하여 스터프 비트의 수를 줄인 다. 이를 위해 원래의 데이터 필드에 8byte XOR(exclusive OR) 연산을 통한 비트 마스크 방법으로 데이터 필드를 변환 한다. 그림 6은 일정한 비트 패턴을 원래의 데이터 필드와 XOR 시키는 비트 마스크의 과정을 나타낸다.
대기 열에 있는 낮은 우선순위 메시지의 전송을 보장하기 위해 우선순위가 순차적으로 낮아지도록 선행순위의 메시지 전송을 대기시키는 방법이다. 이를 통해 전송 지연시간을 일정하게 만들어주며 휴머노이드 로봇의 네트워크와 같이 안전성을 중시하는 데이터 특성을 반영할 수 있도록 하였다. 제안하는 방법은 단일 전송보다는 주기적인 데이터 처리를 해야 하는 제어 시스템에 보다 효율적이고, 휴머노이드 로봇과 비슷한 데이터 특성을 가진 시스템에 유용하게 적용할 수 있을 것이다.
먼저 스터프 비트를 제거하기 위해 ID 제한 방법과 비트 마스크 방법을 결합한 데이터 조작 방법을 제안하였다. 이를 통해 전송시간의 가변 요인을 제거하고 시스템에 의한 지연 조건만 반영되도록 신뢰도를 향상시켰다. 또한 기존에 제안된 메시지 스케줄링 방식에 의한 ID 할당 방법들의 장 .
그러나 인위적으로 데이터 필드를 수정할 수 없으므로 전송 데이터에 비트 마스크를 하고, 수신 후에 다시 비트 마스크를 하여 원래의 데이터를 복구하는 비트 마스크 방법을 제안한다. 제안된 데이터 조작 방법은 ID 제한 방법과 비트 마스크 방법을 결합한 것을 뜻한다.
선행순위 필터링 방법은 대기 열에서 선행순위를 가지는 높은 우선순위의 메시지를 필터링하여 순차적으로 낮은 우선순위를 가진 메시지가 전송되도록 하는 방법이다. 제안하는 방법 4 버스가 휴면(idle)인 상태에 대해서는 적용하지 않고, 메시지들이 대기 열에 진입한 경우에만 적용이 된다. 선행순위 필터링 방법을 적용한 후에 비트 마스크 방법이 실행된다.
추가적으로 휴머노이드 로봇의 주제어기와 하체 12개 지역 제어기의 네트워크 환경을 구현하기 위해 12개 메시지에 대해 실험하였다. 그림 12에 나타난 바와 같이 데이터 조작 방법은 메시지 전송이 많은 네트워크에서 유용하다.

성능/효과

그림 11은 데이터 조작 방법을 적용하여 단일 메시지를 전송할 때의 CANH-CANL의 버스 신호 변화를 측정한 실험 결과이고, 메시지의 SOF부터 ACK 비트까지의 신호를 측정한 파형이다. 결과적으로 데이터 조작 방법은 121US에서 102P s로 19µs만큼 전송시간을 단축시킬 수 있음을 보여준다. 그림 11 (a)와 (c)는 최악 조건에서 ID 제한 방법만을 적용했을 때의 결과를 보여주고, 스터프 비트를 3개 제거하여 121ps에서 118ns까지 3us의 이득을 얻을 수 있다.
통산 방법에 있어서도 병렬 방식은 전송 속도의 이점은 있으나 접속 회로는 복잡해진다. 결국 분산 제어 구조로 제어기를 모듈화하고, 개별 제어 모듈 간의 데이터 통신에 직렬 방식인 CAN 프로토콜이 적합하다.
더불어 우선순위 기반의 전송 중재 메커니즘에 의해 낮은 우선순위를 가진 메시지는 높은 우선순위의 메시지에 비해 상대적으로 액세스 시간 Am이 증가하고, 전송 지연 W가 증가하게 된다. 제안하는 선행 순위 필터링 방법을 통해 낮은 우선순위 메시지의 전송 기회를 보장하여 액세스 시간을 균등하게 배분하고 개별 메시지들의 평균 전송 지연 0가 일정하게 한다. 즉 모든 메시지들의 액세스 시간이 균일하게 함으로써 메시지별 최악 전송시간 Rm의 편차를 줄인다.
하나의 메시지 전송에서 얻어지는 전송시간의 단축 효과가 누적되어 다량의 메시지를 전송할 때 효율적이다. 짧은 연산 시간에 비해 메시지의 전송시간을 단축시키는 효과가 크고, 전송시간의 지터를 최소화하여 네트워크의 신뢰성을 보장할 수 있다. 더불어 전송시간의 단축을 통해 제어 주기의 제약 조건 속에서 많은 데이터를 전송해야하는 제어 시스템에서 샘플링 시간 및 제어 주기를 단축하여 제어 성능을 향상시킬 수 있다.

후속연구

이를 통해 전송 지연시간을 일정하게 만들어주며 휴머노이드 로봇의 네트워크와 같이 안전성을 중시하는 데이터 특성을 반영할 수 있도록 하였다. 제안하는 방법은 단일 전송보다는 주기적인 데이터 처리를 해야 하는 제어 시스템에 보다 효율적이고, 휴머노이드 로봇과 비슷한 데이터 특성을 가진 시스템에 유용하게 적용할 수 있을 것이다.

참고문헌 (19)

전종만, 김대원, '메시지 지연시간을 고려한 CAN 기반 피드백 제어시스템의 응답특성 분석', 대한전기학회 논문지, 제51D권, 5호, pp. 190-196, 2002

원문보기 상세보기
이병훈, 김홍렬, 김대원, 'CAN 기반 실시간 시스템을 위한 학장된 EDS알고리즘 개발', 대한전기학회 논문지, 제51D권, 7호, pp. 294-301, 2002

원문보기 상세보기
K.W. Tindell, H. Hansson and A.J. Wellings, 'Analysing real-time communications: controller area network (CAN)', in Proceeding of Real-Time Systems Symposium, pp. 259-263, 1994
G.C. Walsh and Y. Hong, 'Scheduling of networked control systems', IEEE Control Systems Magazine, vol. 21, No.1, pp. 57-65, 2001

상세보기
CAN Specification version 2.0, BOSCH, pp. 42-44, sep, 1991
N.C. Audsley, A. Burns and A.J. Wellings, 'Deadline monotone scheduling theory and application', lFAC J. Contr. Eng. Practice, vol.1, No.1, pp. 71-78, 1993

상세보기
M.D. Natale, 'Scheduling the CAN bus with earliest deadline techniques', in Proceeding of Real-Time Systems Symposium, pp. 259-268, 2000
K.M. Zuberi and K.G. Shin, 'Non-preemptive scheduling of messages on controller area network for real-time control applications', in Proceeding of Real-Time Technology and Applications Symposium, pp. 240-249, 1995
K.M. Zuberi and K.G. Shin, 'Design and implementation of efficient message scheduling for controller area network', IEEE Transactions on Computers, vol. 49, No.2, pp. 182-188, 2000

상세보기
S. Punnekkat, H. Hansson and C. Norstrom, 'Response time analysis under errors for CAN', in Proceeding of Real-Time Technology and Applications Symposium, pp. 258-265, 2000
L.M. Pinho and F. Vasques, 'Reliable real-time communication in CAN networks', IEEE Transactions on Computers, vol. 52, No. 12, PP. 1594-1607, 2003

상세보기
K.W. Tindell, A. Burns and A. Welling, 'Calculating Controller Area Network(CAN) Message Response Time', Control Engineering Practice, vol. 3, No.8, pp. 1163-1169, 1995

상세보기
S.H. Hong and W.H. Kim, 'Bandwidth allocation scheme in CAN protocol', in lEE Proceeding of Control Theory and Applications, vol. 147, No. 1, pp. 37-44, 2000

상세보기
T. Nolte, H. Hansson and C. Norstrom, 'Probabilistic worst-case response-time analysis for the controller area network', in Proceeding of Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium, pp. 200-207, 2003
B. Kao and H. Garcia-Molina, 'Deadline Assignment in a Distributed Soft Real-Time System,' IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, vol. 8, No. 12, pp. 1268-1274, 1997

상세보기
K.G. Shin, 'Real-time communications in a computer-controlled workcell', IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 7, No.1, pp. 105-113, 1991

상세보기
구자봉, 허욱렬, 김진걸, 김병륜, 'CAN내장 휴머노이드 로봇에 대한 진보된 우선순위 적용', 대한전기학회논문지, 제 53D권, 10호, pp. 714-719, 2004

원문보기 상세보기
최호식, 이장명, 'CAN 네트워크상의 효율적인 대역 할당을 위한 분산 선행대기 열 기법', 제어 자동화 시스템 공학 논문지, 제 10권, 11호, pp. 1058-1064, 2004

원문보기 상세보기
CANopen Application Layer and Communication Profile, CiA Draft Standard DS301, Rev. 4.01, June 2000

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증