計測自動制御学会東北支部

第 266 回研究集会 (2011.7.20)

資料番号 266-9

IP ネットワークを介した小形 DC モータのジッタバッファを用いた遠隔制御に関する検討
Consideration for Remote Control Using Jitter Buffer of a Small DC Motorthrough IP Network○三宅一弘*，松尾健史*，三浦 武*，田島克文*○Kazuhiro Miyake*，Kenshi Matsuo*，Takeshi Miura*，Katsubumi Tajima**秋田大学*Akita University
キーワード：遠隔制御(remote control)，DC モータ(DC motor)，
IP ネットワーク(IP network)，ジッタバッファ(jitter buffer)
連絡先：〒010-8502 秋田県秋田市手形学園町 1-1

秋田大学大学院 工学資源学研究科

松尾健史，Tel.：(018)889-2338，Fax.：(018)837-0406，E-mail：matsuo@ipc.akita-u.ac.jp

しかし，IP ネットワークは，遅延時間，遅1.はじめに延時間の揺らぎ（ジッタ），パケット損失がネ
現在，インターネットすなわち IP ネットワットワークの混雑状況，ネットワークの物理的ークは，広く普及し，インターネットの技術のな距離により起こる．そのため，制御性能を低発達には目覚ましいものがある．

下させる要因となる．

よって，我々の生活にも深く浸透し，電子メ

遅延時間の揺らぎの影響を抑える方法としールなど様々なアプリケーションに用いられて，文献 1)にはジッタバッファを用いる手法ている．

が提案されている．この手法は，ジッタバッフ

近年において，IP ネットワークを介した技

ァにデータを格納し，その後，ある程度前の格術が様々な分野で注目されている．そこで，モ納されたデータが取り出される．そうすることータ制御システムに IP ネットワークを用いたで，遅延時間を一定にすることができ，システ研究を行う．本研究では，モーションコントロムのむだ時間を一定にすることができる．

ールに用いられる DC モータを制御対象とす

IP ネットワークを介した DC モータの制御る．そこで，IP ネットワークを介して DC モーを行う場合，むだ時間の増加は，制御上好ましタの制御システムを構築し，実験を行う．

くない．また，どのくらい前の時間(以下，補-1-IP NetworkWR(s)

WE(s)



PIcontroller

V (s)e L1 sWM(s)DC motore  L2 s
図 1 IP ネットワークを介した DC モータ遠隔制御システムのブロック線図
Fig.1 Block diagram of remote control system for a DC motor through IP NetworkController

WE(s)IP NetworkV(s)PIcontroller

JitterbufferDAconverter

AmplifierDCmotorAD
converter

Low pass
filterTachogenerator

NetemWR(s) WM(s)Jitterbuffer
PC1PC2Router

図 2 IP ネットワークを介した DC モータ遠隔制御システムの構成図
Fig.2 Configuration of remote control system for a DC motor through IP Network
償時間)のデータを読み込めば，一定のむだ時用いる．また，代表的な分布である一様分布の間として扱えるか検討する必要がある．

遅延時間分布を用いて，IP ネットワーク介し

また，文献 2)では，このシステムを構築し，た DC モータ制御システムを構築し，文献 2)

ネットワークを模擬し，遅延揺らぎに基づいたで行った方法で実験を行う．そして，遅延時間補償時間を実験的に見つけた．さらに，文献の分布に対応した補償時間の検討を行い，ステ2)では，ジッタッバッファを用いることで，むップ応答波形のばらつきを抑えられるかを検だ時間を一定にできるため，むだ時間に対応し討する．

たゲインに自動調整する，ゲインスケジューリングを用いた DC モータの制御法の開発を行

2. 実験システムった．しかし，ある一つの遅延時間の分布でしか，補償時間の検討は行われていない．
通信遅延時間の分布は，文献 3)において，IP ネットワークを介して DC モータの制御指数分布に近似できるということが報告されを行うシステムを用いる．本研究における実験ている．また，文献 4)では，遅延時間の分布システムのブロック線図を図 1 に示す．ここで，は，ネットワークの負荷の状況によって正規分

WR(s)は目標回転速度[min-1]，WM(s)は DC モー布に近似できることが示されている．

タ の 回 転速 度 [min-1]， WE(s) は 目 標 回 転 速 度(WR(s)) と モ ー タ の 回 転 速 度 (WM(s)) と の 偏 差

そこで，本研究では，正規分布，指数分布を-2-

[min-1]，V(s)は DC モータへの印加電圧値(操作である．その仕様を表 1 に示す．タコジェネレ量)[V]となる．また，L1 及び L2 は，むだ時間ータの発生電圧係数は，3V/1000[min-1]のものである．

を使用した．慣性負荷は，2.5×10-5N・m・s2/rad

図 2 は，本研究で用いる実験システムの構成のものを装着して，実験を行った．

図である．システムの流れを以下に示す．
Personal Computer 1（以下 PC1）は，制御を行

表 1 DC モータの仕様

う コ ン ト ロ ー ラ 側 で あ る ． ま た ， Personal

Table1 Specification of a DC motor

Computer 2（以下 PC2）は，PC1 からの印加電Rated power

11 W

圧値をジッタバッファに格納し，一定時間経過

Rated voltage

24 V

すると，その値を DA 変換器に送り，変換されRated current

1.25 Aた値は，DC モータへ送られる．さらに，ADRated speed

3000 min-1

変換されたタコジェネレータからの情報を回転速度情報に計算し，PC1 へ送信する．PC1 に

3.ジッタバッファおいても，ジッタバッファに格納されたデータを一定時間経過すると読み込み，その値を PI

3.1 ジッタバッファの受信方式

制御器に送る．
実際の IP ネットワークを介して情報交換を

遅延時間の揺らぎが存在すると，遅延時間が行う場合，遅延時間，遅延時間の揺らぎ，パケ変動するため，パケットを送信してから，受信ット損失が発生する．このような問題は，物理するまでの時間が異なる．文献 1)では，ジッ的な距離，ネットワークの混雑度などにより発タバッファにパケット番号を基にデータを格生する．

納することで，揺らぎの影響を抑える方法が提本研究では，実際のネットワーク環境をエミ案されている．

ュレートするため，PC1 と PC2 の間のネットジッタバッファを用いた通信は，図 3 においワーク部は，ネットワークエミュレータとしてて示される．TD は制御システムのむだ時間，Router PC を介している．この Router PC には，TL は片道遅延時間，TB は補償時間とする．遅遅延時間[ms]，遅延時間の揺らぎ[ms]，パケッ延揺らぎが発生した場合，例えば，PC1 からト損失[%]が設定可能なソフトウェアとしてPC2 に送信する場合，パケット情報の入れ替わ5)Netem がインストールされている．さらに，りが発生する．ジッタバッファを用いる場合，Netem は分布も設定でき，通信状況は，設定し補償時間 TB の間データを格納し，むだ時間 TDた分布の特徴を持つ遅延分布となる．このため， 経過すると，ジッタバッファに格納したある程Netem は様々な通信状況を模擬できる．

度前のデータを読み込む．ある程度前の時間が，本研究では，制御器として PI 制御を用いる．
PI 制御器の伝達関数は，(1)式となる．
GPI ( s)  K P KIs

補償時間 TB である．図 3 の場合では，サンプリング時間 T が 1ms のため，むだ時間 TD 経過
すると，3ms 前に格納されたデータ 1 から順番(1)に読み込む．

KP は比例ゲイン，KI は積分ゲインを表す．

こうすることで，遅延時間の揺らぎによるパケ

本研究において制御対象とした DC モータットの入れ替わりを防ぐことができる．

は，山洋電気社製 DC サーボモータ R301T-011-3-Network

PC1の RTT(Round Trip Time)情報を基に統計的に表PC2し，システムに設定することで，むだ時間 TD

1
Jitter Buffer

TTLを一定とした．ここで，RTT は往復遅延時間を2T表す．RTT は，PC1 から送信された情報が PC2・・・・

1T3T

3・・・・

1 2 3・・・・

14T

Tを経由して PC1 までと届くまでの時間である．
片道遅延時間 TL は，
RTT 情報の中央値 RTTM

TBを 1/2 倍したものである．補償時間 TB は，遅T

5T

1 2 36TB は，それぞれ(4)式，(5)式で表す．本研究でTも，以上の方法を用いる．

・・・・

3 LoadTime

1 2 3 4 5 6・・・・の乗算で求める．片道遅延時間 TL，補償時間T・・・・1 2 3 4 52 Load

7

延時間の揺らぎの標準偏差 σ と任意の値 X と・・・・

51 LoadTTimeTDRTTM
2(3)TB  X(4)TL 

図 3 ジッタバッファを用いた通信
Fig.3 Communication with jitter buffer
3.2 適切なジッタバッファの求め方
文献 1)で提案されたジッタバッファを用いて，文献 2)で行った遅延時間の変動を補償する方法を分布図で示したものを図 4 に示す．文献 2)の方法は，図 4 で着色された部分の揺らぎの影響による遅延時間の変動に対応できる．
TD は制御システムのむだ時間，TL は片道遅延時間，TB は補償時間とする．補償時間 TB は，むだ時間 TD から片道遅延時間 TL の値を減算した値である．よって，制御システムのむだ時間
図 4 遅延時間の補償TD は，(2)式で表すことができる．

TD  TL  TB

Fig.4 Compensation of Delay time(2)(2)式によって，図 3 のむだ時間 TD を一定にすることができる．

4.実験

しかし,（2)式より，補償時間 TB の値を大きくすると，むだ時間 TD の値は，大きくなって4.1 通信状況の確認しまうため，制御システム上好ましくない．そ

予備実験として，様々な通信状況を再現するたのため，文献 2)では，補償時間 TB の適した値めに，Netem に分布を設定し，本研究で用いるの検討が行われた．

実験システムで取得できる RTT(Round Trip

また，文献 2)では，片道遅延時間 TL，補償時Time)分布の確認を行う．Netem に設定する分

間 TB は，制御前の 1000 回分すなわち，1 秒間布を以下に示す．
-4-図 5 正規分布に従って変動する通信遅延の分布 図 6 指数分布に従って変動する通信遅延の分布
Fig.5 Distribution of communication delay thatFig.6 Distribution of communication delay thatchanges according to exponential distributionchanges according to normal distribution

図 7 一様分布に従って変動する通信遅延の分布
Fig.7 Distribution of communication delay thatchanges according to uniform distribution①正規分布

合の片道分の遅延時間の分布の結果を図 5 か②指数分布

ら図 7 に示す．図 5 から図 7 より，①から③③一様分布の分布の特徴を持つ，遅延時間の分布が確認できた．

文献 4)において，ネットワークの負荷によって，遅延時間の分布は，ネットワークの負4.2 通信状況に対応した補償時間の検討

荷の状況によって，変化することが示されている．本研究では①，②の分布を用いる．ま図 5 から図 7 より，本研究で用いる実験シた，代表的な分布である③も用いる．

ステムでもネットワーク通信状況を再現可

実験条件として，取得する RTT 分布は，制能なことが確認できた．

御前の 1000 回分の RTT 情報を基に作成する．

実験条件として，DC モータの目標回転速Netem の遅延時間と遅延時間の揺らぎの設定

度を 1500[min-1]，PI 制御器の KP を 0.0007，は，片道分のみとした．これは，RTT を基にKI を 0.004 とし，サンプリング時間を 1[ms]片道遅延時間を求めることは困難だからでとした．ネットワークの設定として，分布は，ある．遅延時間は 50[ms]とし，遅延時間の揺①から③の分布を用いる．また，それぞれのらぎの標準偏差は 5[ms]，15[ms]，25[ms]とし分布で表 2 に示される条件で 10 回測定を行た．PC1 で取得された，①から③の分布の場

う． (4)式の X を 0.6，0.8，1.0，1.2 とした場
-5-

合，どの値で最もステップ応答波形のばらつ値を用いた場合，各分布におけるステップ応きがなくなるかを検討した．

答波形のばらつきを抑えることができた．

図 8 は，(a) X = 0.6 の場合，(b) X = 0.8 の場
表 2 実験条件

合，(c) X = 1.0 の場合，(d) X = 1.2 の場合における，遅延時間の揺らぎの標準偏差 σ=25ms，Table2 Condition of the experiment

正規分布を用いた場合のステップ応答波形

遅延時間[ms]遅延時間の揺らぎのを示す．

標準偏差 σ[ms]図 8 より，(c) 揺らぎの標準偏差 1.0 倍の場

5合，ステップ応答波形のばらつきを抑えられ5015ていることを確認できた．

25以上の方法で，指数分布，一様分布も同様に検討した結果を表 3 に示す．

表 3 実験結果

表 3 の結果を用いて各分布の検討を行った結Table3 Result of the experiment

果は，図 9 から図 11 に示される．このとき，分布X(e)は遅延時間の揺らぎの標準偏差 5ms，(f)は正規分布

1.0

指数分布

0.8

一様分布

1.2

遅延時間の揺らぎの標準偏差 15ms，(g)は遅延時間の揺らぎの標準偏差 25ms である．
通信状況に対応した補償時間 TB を検討し

2500

2500

2000

2000
motor speed [min-1]

motor speed [min-1]

た結果，図 9 から図 11 より，表 3 の X の1500
1000
50000

500

1000

1500

2000

2500

1500
1000
500
03000

0500

1000

time [ms]

2500

2500

2000

2000

1500
1000
500

500

1000

1500

2000

2500

3000

(b) X=0.8

motor speed [min-1]

motor speed [min-1](a) X=0.6001500

time [ms]

2000

2500

1500
1000
500
03000

time [ms]

0500

1000

1500

2000

time [ms](c) X=1.0(d) X=1.2

図 8 σ=25ms の場合，正規分布におけるステップ応答波形
Fig.8 Case σ=25ms, step response when normal distribution-6-2500

3000

2500

2000

2000

motor speed [min-1]

motor speed [min-1]

2500

1500
1000
50000

500

1000

1500

2000

2500

1500
1000
5000

3000

0500

1000

time [ms]

1500

2000

2500

3000

2500

3000

time [ms](e) σ=5ms(f) σ=15ms
2500

motor speed [min-1]

2000
1500
1000
500
00500

1000

1500

2000

2500

3000

time [ms](g) σ=25ms
図 9 X=1.0 の場合，正規分布におけるステップ応答波形

2500

2000

2000

motor speed [min-1]

2500

1500
1000
500
005001000

1500

2000

2500

1500
1000
50000

3000

500

1000

time [ms]

1500

2000

time [ms](e) σ=5ms(f) σ=15ms
2500
2000

motor speed [min-1]

motor speed [min-1]

Fig.9 Case X=1.0, step response when normal distribution

1500
1000
500
00500

1000

1500

2000

2500

3000

time [ms](g) σ=25ms
図 10 X=0.8 の場合，指数分布におけるステップ応答波形
Fig.10 Case X=0.8, step response when exponential distribution-7-2500

2000

2000

motor speed [min-1]

motor speed [min-1]

2500

1500
1000
500
00500

1000

1500

2000

2500

1500
1000
500
0

3000

0500

time [ms]

1000

1500

2000

25003000time [ms](e) σ=5ms(f) σ=5ms

2500

motor speed [min-1]

2000
1500
1000
500005001000

1500

2000

2500

3000

time [ms](g) σ=5ms
図 11 X=1.2 の場合，一様分布におけるステップ応答波形
Fig.11 Case X=1.2, step response when uniform distribution
DC モータの遠隔制御法に関する研究，秋5.おわりに

田大学修士論文，24/78 (2011)
本研究では，通信状況に対応した補償時間3)

Y. Tipsuwan, and M.-Y. Chow: Gain

TB を検討した結果，遅延時間の影響によるス

Scheduler Middleware: A Methodology to

テップ応答波形のばらつきを抑えることがで

Enable Exiting Controllers for Networked

きた．補償時間 TB は，遅延時間の揺らぎの標

Control and Teleoperation-PartⅠ: Networked

準偏差 σ に X の値を乗算した場合，X=1.0 付近

Control, IEEE Transactions on Industrialの値で，遅延時間の影響を抑えられた．

E lectron ics , 51 -6 , 12 18 /1 227 (2 004 )

しかし，図 8 の(d)より，検討した値よりも4)

亀井 陽一郎，平沼 賢次，田伏 正佳，高大きく設定すると，ステップ応答波形がばらつ

橋 伸弥，河野 通夫：インターネットを介くことを確認した．

した遠隔制御のための基礎実験，情報処理学会論文誌，45-3，838/841 (2004)

参考文献
1)

5)

加藤 敦，西 宏章，大西 公平：ジッタバ
ッファを用いたネットワークバイラテラ
ル 制 御 シ ス テ ム ， 電 学 論 D ， 126-12 ，1737/1738 (2006)2)

今野 祐介：IP ネットワークを介した小形-8-

Netem：http://linuxfoundation.org/pint/5212