Implementation and Analysis of LAN Gateway for Humanoid

Abstract

Humanoids need multiple sensors and actuators to reproduce human motor and cognitive abilities. These sensors collect information about the surrounding environment, and in the process generate and transmit vast amounts of data. To smoothly process such a huge amount of data, a fast and stable local area network (LAN) is required inside the humanoid. This thesis proposes two zone-based humanoid networks (ZHNs) for optimizing LAN inside humanoid. The first ZHN employs Ethernet frames to transmit all sensor and command data, allowing a payload of up to 1460 bytes for internet protocol version four (IPv4). The second ZHN transmits small-sized command data using controller area network (CAN) messages, while other sensor data is transmitted using Ethernet frames. A CAN-Ethernet gateway is designed, which includes a mapping table storing destination addresses and MAC addresses of the gateways, indexed by CAN bus IDs. This mapping table facilitates the conversion between CAN messages and Ethernet frames. Simulators are implemented and simulations are performed to compare the performance of the two ZHNs. The ZHN utilizing both CAN and Ethernet protocols exhibited an end-to-end (E2E) delay ranging from 123 μs to a maximum of 1499 μs, whereas the ZHN utilizing only the Ethernet protocol had a lower delay. Thus, in optimizing the internal LAN of humanoids, an Ethernet-based ZHN demonstrates superior performance in terms of E2E delays. |휴머노이드는 인간의 운동능력과 인지능력을 재현하기 위해 다수의 센서와 액추에이터가 필요하다. 이들 센서는 주변환경 정보를 수집하며 그 과정에서 방대한 양의 데이터를 생성하고 전송한다. 이런 방대한 양의 데이터를 원활하게 처리하기 위해 휴머노이드 내부에는 신속하고 안정적인 근거리 통신망 (LAN)이 필요하다. 본 논문은 휴머노이드 내부 LAN 최적화를 위해 두 가지의 zone-based humanoid network (ZHN)을 제안한다. 첫 번째 ZHN은 모든 센서와 명령 데이터를 Ethernet 프레임으로 전송하는 방식으로 internet protocol version four (IPv4)의 경우 페이로드에 최대 1460바이트의 데이터를 담을 수 있다. 두 번째 ZHN은 데이터의 크기가 작은 모든 명령 데이터는 CAN 메시지로, 다른 센서 데이터들은 Ethernet 프레임으로 전송한다. CAN-Ethernet 게이트웨이는 CAN 버스 ID를 인덱스로 각 인덱스에 해당하는 목적지 주소, 게이트웨이들의 MAC 주소들을 리스트 형태로 저장하는 매핑 테이블을 설계한다. 이 매핑 테이블을 통해 CAN 메시지와 Ethernet 프레임 간의 변환이 이루어진다. 두 ZHN의 성능 비교를 위해 시뮬레이터들을 구현하고 시뮬레이션을 수행한다. CAN과 Ethernet 프로토콜을 동시에 사용하는 ZHN이 Ethernet 프로토콜만 사용하는 ZHN에 비해 end-to-end (E2E) 지연 시간이 최소 123 μs에서 최대 1499 μs로 길었다. 따라서, 휴머노이드 내부 LAN의 최적화를 위해서는 Ethernet 기반의 ZHN이 지연 시간 측면에서 더 우수한 성능을 보인다.