5G网络下移动机器人的图像和指令传输用于远程操作

论文标题

**英文标题：**Image and Command Transmission Over the 5G Network for Teleoperation of Mobile Robots
**中文标题：**5G网络下移动机器人的图像和指令传输用于远程操作

作者信息

Thiago B. Levin¹,², João Miguel Oliveira¹,², Ricardo B. Sousa¹,², Manuel F. Silva²,³, Bruno S. Parreira⁴, Héber Miguel Sobreira¹, Hélio Sousa Mendonça¹,²
¹CRIIS – Centre for Robotics in Industry and Intelligent Systems, INESC TEC – Institute for Systems and Computer Engineering, Technology and Science, Portugal
²Faculty of Engineering, University of Porto (FEUP), Portugal
³ISEP, Polytechnic of Porto, Portugal
⁴NOS SGPS, Portugal

论文出处

本文发表于2024年第七届伊比利亚机器人会议（7th Iberian Robotics Conference, ROBOT）。DOI: 10.1109/ROBOT61475.2024.10797434。

摘要

本文提出了一种基于5G网络的移动机器人远程操作网络架构，旨在利用5G技术的低延迟和高可靠性特性实现工业环境中移动机器人的远程控制。研究重点在于评估网络和端到端（E2E）延迟，实验结果表明，所提出的架构能够实现平均347.19毫秒的E2E延迟，满足工业场景中移动机器人的远程操作需求。

一、引言

随着物流、零售、仓储、汽车、航空航天、农业和医疗等行业对自动化需求的增加，自主移动机器人（AMR）被广泛应用于材料运输、交付流程和安全监控等任务中。尽管自主系统取得了显著进展，但在某些复杂任务（如托盘对接、集装箱和卡车装卸等）中，仍需要人类专业知识的介入。因此，远程操作和移动地面机器人的远程控制在工业环境中显得尤为重要。远程操作系统需要控制机制来实现对自主车辆的远程操作，但这些机制受到时变控制输入延迟和间歇性通信的影响。5G网络的推出为解决这些问题提供了新的可能性，尤其是其增强型移动宽带（eMBB）、超可靠低延迟通信（uRLLC）和大规模机器类通信（mMTC）特性。本文提出了一种基于5G非独立组网（NSA）标准的网络架构，使用商用通信设备实现工业环境中移动机器人的远程操作。

二、相关工作

本文回顾了远程操作系统的相关研究，重点关注不同通信介质（如蓝牙、无线局域网和移动网络）在远程操作中的应用。蓝牙通信因其低成本和低功耗而被广泛使用，但其范围和带宽有限。无线局域网（WLAN）提供了更广泛的覆盖范围和更高的带宽，但可能受到网络拥堵的影响。移动网络（如3G/4G）则提供了更广泛的覆盖范围和更高的安全性，但其性能取决于网络塔的接近程度、用户数量和车辆速度。5G网络的发展为远程操作提供了新的机遇，其低延迟和高可靠性的特性使其成为工业自动化和远程应用的理想选择。然而，5G网络的实际应用效果取决于互联网服务提供商（ISP）对5G标准的采用程度以及通信设备的兼容性。

三、远程操作系统架构

本文提出的远程操作系统架构基于5G网络，使用商用通信设备实现工业环境中移动机器人的远程操作。系统架构包括两台摄像头（用于提供机器人周围环境的视觉反馈）、一个远程操作员计算机（用于运行视频播放和指令传输应用程序）以及一个5G NSA网络拓扑。所有通信均通过5G网络进行。

1. 5G非独立组网（NSA）移动网络

实验使用的网络基础设施基于5G NSA标准，采用2.6 GHz和3.5 GHz频段的4G LTE和5G技术。网络由小型基站组成，通过以太网连接，为机器人和操作员系统提供增强型连接。机器人使用Teltonika RUTX50工业路由器连接到5G NSA网络，而操作员系统则通过Teltonika TRB500 5G网关连接到网络。

2. 指令传输

系统采用MQTT协议进行指令传输，因其轻量级、低带宽使用和良好的工业场景兼容性。操作员通过发布/订阅模式将速度指令发送到机器人，机器人通过订阅MQTT主题来接收指令并执行。实验中选择了Mosquitto作为MQTT代理服务器，因其在低延迟方面的表现优于其他代理服务器（如EMQX和VerneMQ）。

3. 视频流传输

视频流传输采用RTSP和WebRTC两种协议进行比较。RTSP是一种基于RTP的流媒体传输协议，而WebRTC则支持点对点通信，无需中间服务器，从而降低延迟。实验中使用了Tapo C310 IP摄像头，支持H.264编码和1920×1080分辨率的视频流。结果表明，WebRTC在延迟和稳定性方面优于RTSP，成为远程操作系统的首选视频流协议。

四、测试与结果

实验使用了Flowbotic GoMouse AMR400移动机器人，并对其进行了网络延迟和端到端延迟的评估。

1. MQTT代理服务器性能

实验比较了Mosquitto、EMQX和VerneMQ三种MQTT代理服务器的性能。结果表明，Mosquitto在所有服务质量（QoS）级别下均表现出最低的平均延迟，因此被选为远程操作系统的MQTT代理服务器。

2. 网络延迟

使用MTR工具对网络基础设施的延迟和抖动进行了24小时的测试。结果显示，网络延迟在38毫秒到50毫秒之间，抖动在9毫秒到10毫秒之间，表明网络性能稳定，适合远程操作。

3. 端到端（E2E）延迟

E2E延迟测试通过发送指令并测量从操作员计算机到机器人执行指令的总延迟。实验结果表明，WebRTC协议的中位延迟为347.19毫秒，远低于RTSP协议的981.98毫秒。虽然该延迟超过了某些高速场景下的170毫秒阈值，但在工业环境中，AMR的最大线速度通常为1到2米/秒，因此该延迟被认为是可接受的。