一種基于ROS的機器人云平臺架構設計

陳 彬，黎曉東，尹作重

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

國內外現有的機器人云平臺架構并不統一，或多或少的還存在一定的局限性，造成了很多重復技術性研究。例如DAvinCi云計算平臺是機器人技術結合云計算優勢的一次重要嘗試，證明了在云端執行算法來構建大區域地圖的執行時間可以顯著縮短，極大地提升了機器人的性能。但其架構設計主要針對即時定位與地圖構建這一具體場景，通用性并不強。RoboEarth架構沒有考慮到在云中如何部署服務這個問題，如何提高資源的使用效率是該系統的難點。知識共享的機器人云平臺架構主要用于多機器人（包括異構）之間協作：包括知識共享合作、物理任務合作和計算任務合作。服務機器人云平臺總體架構用面向服務的架構（SOA）來構建機器人云服務，重在研究對云平臺服務的調度和管理。但SOA集成機制和集中式治理在系統需要擴展時預先確定了瓶頸，所以微服務架構似乎準備取代SOA作為占主導地位的產業架構。

本文按照以下三個部分展開：對機器人云平臺進行需求分析；提出一種基于ROS的機器人云平臺架構；總結與展望。

1 機器人云平臺需求分析

結合國內外現有的機器人云平臺架構，機器人云平臺架構設計需要從以下這些方面來考慮：

1）機器人云平臺用戶有哪些，需要提供哪些云服務。機器人云平臺適用對象有機器人生產廠家和機器人用戶：

對于機器人生產廠家來說，需要通過機器人云平臺云服務來實現產品的優化設計，達到經濟效益的增長的目的。應用數據分析、數據挖掘技術，主動生成產品分析報告和用戶畫像并推送給用戶，從而為用戶提供遠程數據監測、遠程控制與參數配置、遠程維護等通用服務。通過對機器人運行數據上傳到云平臺，對日志文件及系統故障剖析，在產品設計及運行上對機器人出現的常見故障進行技術性的改進。建立機器人大數據分析和故障預測模型，預測機器人何時會出現運行方面的問題，避免因為意外停機而造成機器人任務的終止。實現機器人產品設計優化，提供故障預測與診斷、全生命周期監控、遠程維護和健康管理服務等增值服務。

對于機器人用戶來說，需要利用機器人云平臺的提供的開發環境研究機器人的應用創新并進行實施驗證。通過使用機器人云平臺的大數據分析以及數據挖掘套件，研究機器人的應用創新。對機器人進行建模，提出機器人領域大數據解決方案，并進行實驗驗證。還要為用戶提供測試與調試、售后管理和預測性維護等專用 服務。

2）機器人云平臺如何實現虛擬化。云平臺即“平臺上云”，又稱為硬件虛擬化，是將很多臺計算機的物理硬件資源，予以抽象、轉換后呈現出來并可供分割、組合為一個或多個計算機配置環境[1]。由此，打破實體構造間的不能分割的妨礙，使用戶能夠比原來的配置更好的形式來使用這些計算機硬件資源[2～4]。虛擬化是完成硬件資源池化的一種方式，衍生出了很多種開源或商業的工具，例如vmware軟件中的exsi技術等。本文用OpenStack將機器人云平臺虛擬化，它是一個大規模可伸縮的完全分布式的，由Rackspace和NASA發起，Apache許可授權的開源云操作系統[5]。旨在幫助企業或個人能夠簡單的部署和大規模擴展云計算服務來滿足公共或私有云的需求。OpenStack是建立在各種虛擬化軟件上的管理服務總線，提供了大量的基于http/https的REST（Representational State Transfer）API[6]去管理計算資源。云主要為遠程環境中的終端用戶提供計算功能，在遠程環境中，實際的軟件作為服務運行在可靠的、可伸縮的服務器上，而不需要在每個用戶的計算機上部署。OpenStack為部署虛擬機（VMs）和其他實例提供了便利，這些實例處理管理云環境的不同任務。它提供了非常容易的水平擴展，這意味著可以方便地同時在云中運行更多的虛擬機，為更多用戶提供Iaas服務。

3）機器人與云平臺如何交互。統一的數據交換規范有利于實現云服務平臺與機器人快速對接，保證數據實時動態匹配，減少不兼容帶來的資源浪費等。機器人云平臺定義的接口只能處理特定格式的數據，輸入接口需要將異構數據轉換格式。早期是通過網關將機器人連接到廣域網，在處理上傳和下載數據時對數據格式進行轉換來實現機器人與云服務平臺的互聯互通。數據上傳下載前必須先進行預處理，但數據交換的魯棒性和實時性對從一種形式到另一種數據格式的轉換有很大的影響[7]。本文采用ROS通訊機制來實現機器人與云平臺之間的交互。

4）ROS功能軟件包如何快速部署與如何實現接口服務化的支持?，F代機器人控制系統通常邏輯上設計為基于組件的分布式系統，每個單元能夠抽象一些硬件部分或功能，并向其余系統公開一個標準接口。構建、運行和交付復雜的ROS應用程序和服務對于非專業人士來說可能是一項艱巨的任務。軟件行業初期，程序員大多編程不規范、代碼沒有模塊化，都有著可靠性不高、維護成本高和擴展性不好的問題。企業應用程序的不斷增長的復雜性，以及變更和進化管理帶來了SOA（面向服務）體系結構的興起。但SOA體系結構在系統的擴展性上存在瓶頸，微服務架構是將應用程序拆分為一些小服務部署在平臺中，正成為一種更為開發人員所接受的服務封裝方法。

2 基于ROS機器人云平臺系統架構

本文提出一種基于ROS的機器人云服務平臺架構，根據功能層次分為基礎層、平臺層和服務層三個層次，如圖1所示。

2.1 基礎層

基礎層是為機器人云平臺提供基礎設施資源的物理硬件層次，包括服務器、存儲和網絡資源等。云是基于存儲在由網絡工程師運營的數據中心中的物理計算硬件（服務器，節點，PDU，刀片，管理程序，冷卻設備等）?；A層可基于公有云IaaS層，也可自建私有云，為用戶提供Iaas服務，所要解決的是IT資源的虛擬化和自動化管理問題。

公有云是云提供商用大量服務器虛擬化后組成的基礎設施，作為計價服務提供給客戶。云提供商提供即用即付的彈性資源如CPU，內存，磁盤和網絡帶寬，用戶能低成本獲得所需的硬件資源，按需租用相應的計算能力、存儲容量和網絡帶寬，而且省去了硬件運維方面的成本[8～10]，大大降低了用戶在購買硬件上的花費。云提供商給用戶按需提供硬件資源，可用于開發、運行和測試機器人應用程序。私有云是用戶自己構建云，可以滿足硬件的彈性定制。

基于R O S 的機器人云服務平臺基礎層采用OpenStack開源云平管理系統將物理服務器、存儲設備以及網絡資源進行整合并虛擬化，從而完成資源的動態分配和實現平臺的水平擴展達到硬件的定制和靈活管理的目的，為整個機器人云平臺提供Iaas服務。

2.2 平臺層

平臺層是用于促進用戶應用開發、部署的中間件云服務，為機器人軟件程序提供開發、測試和運行環境的層次。機器人開發者使用云的平臺層來創建應用程序，構建軟件和Web工具。

基于ROS的機器人云平臺預裝平臺通用組件和機器人通用組件，提供在云計算環境中開發、測試、運行和管理應用服務所需的基本功能。組件是一種可以動態地從網絡中添加或刪除的軟件對象，它通過一種中立的、獨立于編程語言的內部接口提供服務。

1）平臺通用組件

平臺層以平臺軟件為核心，提供動態負載、并行調度、數據檢索、數據挖掘等通用組件。

2）機器人通用組件

平臺層在ROS軟件框架的基礎上將ROS代碼進行二次開發部署成機器人通用組件。ROS封裝好了機器人的底層硬件，提供了一系列接口，并且自帶一系列開箱即用的默認軟件功能包，包括機器人仿真和可視化工具、自主建圖與定位導航算法、軌跡生成算法、反饋控制律、設備運動學、進程間通信支持、運動估計算法、3D點云解釋、坐標轉換tf庫、機器視覺開源庫OpenCV和OpenNI等，以及使用Dijkstra和*算法實現ALCL定位和最短路徑規劃等流行機器人控制算法[11]?；赗OS代碼模塊化、軟件復用性高和擴展性強的特點，可以利用GitHub中共享的代碼進行二次開發打包部署在平臺層。平臺層基于ROS開發人臉、表情識別，場景識別與理解，定位與導航，語音交互，行為識別、動作體感交互和機器人自主推理、決策與規劃等軟件組件。

在機器人軟件開發過程中，開發人員都要浪費很多時間重復構建開發環境，造成了很多重復技術性研究。開發、測試好機器人應用程序后，將機器人應用程序部署在平臺上既困難又耗時，大大浪費人力成本。所以平臺層還提供用于開發機器人應用程序的集成開發環境。

2.3 服務層

服務層是將資源抽象和虛擬化封裝成服務部署在云平臺上，以提供軟件的模式（例如提供SDK或API）的方式為用戶提供服務，是 云的最頂層。它們允許在多租戶環境中交付軟件和業務流程。用戶使用存儲在位于世界各地的數據中心的Web服務器中的任何基于云的軟件時，都是在訪問服務層。由服務提供商負責在機器人云平臺上部署軟件并維護好版本，用戶只需接入互聯網，就能隨時隨地使用部署在云上的應用服務。Github就是SaaS的一個很好的例子，它們隱藏了軟件的基本細節，只是提供了一個在系統上工作的Web界面。在幕后，可以輕松更改軟件版本。

通過對機器人進行資源服務化封裝，在平臺中構建機器人的云端數字孿生，為業務應用提供抽象世界與現實世界的聯接，提供不同層次的機器人云服務。機器人生產廠家可基于機器人云平臺，開發符合自身需要的監控、分析系統，為市場售后、研發等環節提供指引。提供機器人全生命周期監控、遠程控制與參數配置、遠程數據監測、數據追溯、健康狀況分析、健康管理、遠程維護等服務。機器人用戶將機器人接入云平臺，使用所提供的平臺服務。機器人云平臺主要為機器人用戶提供數據查詢、可視化交互、預測性維護、測試與調試等云服務。通過Web界面在機器人云平臺中做仿真測試，方便可視化。

3 結語

本文提出的基于ROS的機器人云服務平臺架構根據功能層次分為基礎層、平臺層和服務層三個層次，能夠為搭建機器人云平臺提供參考；機器人云平臺能夠解決機器人開發人員在開發過程中需要重復構建開發環境和部署機器人軟件服務的問題，為機器人程序的開發提供便利。