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基于机器人操作系统的分布式智能系统的开发

集成自主机器人系统所需的众多功能,如传感器、执行器、导航和路径规划。

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网络化机器人系统越来越普遍。除了工业机器人现在牢牢地扎根于制造业之外,在物流、医疗技术,甚至无人驾驶飞行器(UAV)和无人潜航器(UUV)等领域的应用也在开发中。

一般来说,机器人系统仍然由基于静态计划任务的PLC集中控制。这意味着各个系统的自主程度很低,如果中央控制器出现故障,整个系统就会停止。

然而,如果这些系统打算在未知环境中运行,或者必须以上下文相关的方式相互协作,则必须实现复杂的算法,理想情况下是直接在机器人本身的控制系统中实现。这使得机器人能够以较低的延迟响应,独立于与中央控制器通信的可靠性。

由于这些系统通常是安全关键的,在与人类合作的机器人的情况下,故障和故障通常会导致高额的经济损失,甚至对操作人员造成危险的情况。

为了防止这种情况,有必要考虑各个系统之间或系统与操作员之间的相互作用和耦合。这些可以是物理性质的,例如用于移动大型、重型负载的协作,或者系统之间的耦合可以由(通常是无线)通信系统组成。


图1:根据分布式系统的任务,系统之间的通信有不同的物理属性和需求。

导致不良行为的场景可能变得如此复杂,以至于安全操作只有通过系统的、基于模型的开发才能实现,例如航空和太空旅行以及汽车行业中已经建立的机电系统。

机器人操作系统(ROS)使这一过程成为可能。

ROS为集成自主系统所需的众多功能提供了一个环境,例如传感器、执行器、导航和路径规划。

这个开源解决方案的开发者社区为机器人系统的快速系统开发提供了大量完整的模块。大型机器人制造商现在也为系统开发提供ROS模块[1]。

作为中间件,ROS支持进程(在ROS中为节点)之间基于协议的数据交换,而不管这些交换是在虚拟级别上实现的(例如在模拟中)还是链接到物理硬件。还支持作为物理分布式系统的实现,在这种情况下,ROS在多个计算平台上并行运行。

这使得端到端、基于模型的模块开发成为可能,例如传感器数据分析或执行器控制。ROS还提供了在不同编程语言中实现相应算法的能力,例如用于快速和简单创建原型的Python或用于高性能和低延迟的c++。除此之外,ROS还提供了到Gazebo (http://gazebosim.org/),可用于模拟机器人系统及其环境的运动学。使用功能模拟接口(Functional Mock-up Interface, FMI)标准,还可以将多物理系统模拟与各种已建立的工具(如Modelica)集成在一起。

新版本的ROS还可以在对实时能力有明确要求的嵌入式硬件上运行。这使得首先在模拟中开发并经过虚拟验证的节点可以直接移植到适合生产使用的微电子平台上,例如带有FPGA加速卡[2]的微控制器。

这种硬件/软件系统可以有效地使用硬件在环环境进行验证。这些都可以通过ROS体系结构轻松地从完整的系统模拟中获得,无论是对于单个机器人系统还是协作系统。为了实现这一点,ROS可以在机器人控制处理器上运行的节点与模拟执行器、传感器和环境的其他节点之间建立通信。

复杂的分布式系统的端到端、有方法的开发过程可以以这种方式实现。例如:学习网络物理代理系统,它们相互进行物理交互,并交换信息,以实现分布式方法,例如联邦学习,以及强化学习等集中式训练方法。

移动系统特别利用无线通信来实现这一目的。即使使用现代宽带无线标准,这也需要考虑基于协议的无线通信的特殊属性。其中包括传输速度(延迟)的一定程度的不确定性,以及由于不断变化的网络特征而引起的可能的通信故障。在系统设计过程中,应尽早考虑到这些影响。因此,目前的工作重点是如何将这种通信系统的特点和缺陷集成到系统开发[3]中。

参考文献

[1]张良,梅里菲德,R,德盖,A, &杨,G.-Z。(2017)。为世界上的机器人提供动力——ROS的十年。机器人技术,2(11)。https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar1868

[2] Moreac E型、E·M。贝瑞,F。,海勒,D & Diguet, j。(2020)。基于FPGA动态部分重构的硬件在环仿真在ros无人机计算机视觉中的应用。2020年快速系统原型(RSP)国际研讨会,1-7。https://doi.org/10.1109/RSP51120.2020.9244863

[3] D. Baumann, F. Mager, U. Wetzker, L. Thiele, M. Zimmerling和S. Trimpe,“智能制造的无线控制:最新方法和开放挑战”,在IEEE论文集,第109卷,no. 1。4, pp. 441-467, 2021年4月,doi:https://doi.org/10.1109/JPROC.2020.3032633Titel anhand柴油DOI在Citavi-Projekt übernehmen



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