異構(gòu)無人平臺軟件框架的研究綜述

李墈婧，葉亞峰，張 寧

(中國航天科工集團第二研究院 七〇六所，北京 100854)

0 引 言

由于無人技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出了無人機[1，2]、無人車[3，4]、機器人[5，6]等種類繁多、功能復(fù)雜的無人平臺，針對無人搜索跟蹤目標[7]、災(zāi)難救援[8-11]等復(fù)雜任務(wù)場景，單一平臺獲取信息量有限且發(fā)生故障影響較大，需要多源異構(gòu)無人平臺實時交互，共享偵測數(shù)據(jù)和狀態(tài)，完成任務(wù)的協(xié)同規(guī)劃。因此需要研究異構(gòu)平臺框架，從而實現(xiàn)不同平臺之間的互聯(lián)互通、智能協(xié)同。

智能汽車作為機器人時代的技術(shù)旗艦，對無人平臺的發(fā)展提供了牽引性思考，在“智能化、網(wǎng)聯(lián)化”的變革趨勢下，已經(jīng)逐步達成了“軟件定義汽車”的共識。傳統(tǒng)的基于分布式的電子電氣架構(gòu)[12]，使得各系統(tǒng)軟硬件之間高度嵌套，系統(tǒng)升級難度較大。在集中式電子電氣架構(gòu)[13]下，設(shè)計面向服務(wù)的軟件架構(gòu)，服務(wù)的部署不再依賴于特定平臺，通過標準化接口設(shè)計，實現(xiàn)軟件的松耦合、易于擴展。

對無人平臺的設(shè)計，目前以硬件為主，按需求定制設(shè)計的研發(fā)模式，在架構(gòu)靈活性、系統(tǒng)資源共享性、功能域融合性等方面存在不足，難以實現(xiàn)異構(gòu)無人智能平臺的統(tǒng)一升級、統(tǒng)一控制、統(tǒng)一管理。因此本文以開放式、綜合集成的無人平臺通用軟件框架為出發(fā)點，對無人平臺軟件框架的當(dāng)前研究情況進行了深入的回顧，歸納總結(jié)各種智能汽車領(lǐng)域軟件框架的特點及關(guān)鍵技術(shù)，并給出發(fā)展建議。

1 無人平臺軟件框架的研究現(xiàn)狀

1.1 云端架構(gòu)賦能機器人

國外對于云端架構(gòu)賦能機器人的研究比較早，并提出機器人云平臺概念，將機器人數(shù)據(jù)處理、智能計算等復(fù)雜的任務(wù)交給云平臺，從而完成復(fù)雜的任務(wù)。

文獻[14]針對配送機器人在對復(fù)雜環(huán)境和臨時任務(wù)，超出自身計算能力的問題，提出了一種基于微服務(wù)的快遞機器人云平臺，其架構(gòu)如圖1所示，該平臺將復(fù)雜的任務(wù)拆分成多個服務(wù)，并基于Kubernetes、Docker、Jenkins等組件在云平臺實現(xiàn)自動編排和部署，將傳統(tǒng)機器人應(yīng)用云遷移，并對新型app的開發(fā)，提升了機器人的服務(wù)能力。文中搭建了實際的交付環(huán)境，將泊車任務(wù)拆分成車道檢測，標志識別和運動控制等多個微服務(wù)，在實際的場景中驗證架構(gòu)的可行性，與其它平臺相比，該平臺可實現(xiàn)應(yīng)用程序的快速開發(fā)和部署。

圖1 基于微服務(wù)的機器人云平臺架構(gòu)

除此之外，還有開源云機器人平臺Rapyuta，該框架通過在云中提供安全的可定制的計算環(huán)境來減輕機器人的計算負擔(dān)；Cloud Networked Robotics云平臺通過抽象機器人設(shè)備并利用這些設(shè)備以連續(xù)、無縫的方式解決了支持各地日常活動的問題，方便機器人系統(tǒng)的開發(fā)，使機器人獲得更豐富的功能等。

文獻[15]提出了一種基于ROS的機器人云平臺架構(gòu)，如圖2所示，該架構(gòu)在現(xiàn)有的機器人云平臺架構(gòu)的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，按功能劃分了基礎(chǔ)層、平臺層和服務(wù)層，基于ROS進行二次開發(fā)部署機器人通用組件，利用OpenStack將機器人云平臺虛擬化，根據(jù)微服務(wù)結(jié)構(gòu)特點將復(fù)雜的任務(wù)拆分成一系列微小的服務(wù)實現(xiàn)平臺云服務(wù)的封裝，該框架避免重復(fù)構(gòu)建開發(fā)環(huán)境、部署機器人軟件的問題，具有松耦合的特點。

圖2 基于ROS的機器人云服務(wù)平臺架構(gòu)

文獻[16]提出了一種基于微服務(wù)的服務(wù)機器人云服務(wù)設(shè)計方法，該方法主要設(shè)計了服務(wù)機器人虛擬模型、微服務(wù)庫、用于交互的接口協(xié)議，其框架如圖3所示。該框架中將服務(wù)型機器人運動學(xué)模型、動力學(xué)模型、傳感器模型、環(huán)境模型等虛擬模型到云端的映射，解決了異構(gòu)兼容性問題；微服務(wù)庫采用Docker容器，將復(fù)雜的服務(wù)功能封裝為微小的服務(wù)，當(dāng)服務(wù)機器人調(diào)用云端服務(wù)時，云服務(wù)根據(jù)云端微服務(wù)列表，進行串行服務(wù)，鏈接成功能應(yīng)用；接口協(xié)議實現(xiàn)服務(wù)機器人與云平臺之間數(shù)據(jù)交互，根據(jù)云服務(wù)的需求動態(tài)的構(gòu)建服務(wù)實例，為云服務(wù)的高效運行提供了支撐。

圖3 基于微服務(wù)的云服務(wù)架構(gòu)

文獻[17]針對多機器人云平臺在實際應(yīng)用中存在的協(xié)議適配通用性差、硬件資源泛化程度低等問題，提出了一種基于微服務(wù)的智能云服務(wù)平臺架構(gòu)，其框架如圖4所示。協(xié)議適配層利用數(shù)據(jù)交換協(xié)議實現(xiàn)多種機器人設(shè)備的快速接入，解決了異構(gòu)平臺兼容性問題；資源虛擬化層根據(jù)服務(wù)型機器人和工業(yè)機器人不同體系，定義機器人相應(yīng)的信息模型，通過統(tǒng)一的本體建模描述機器人資源，實現(xiàn)各類機器人信息模型在云端的統(tǒng)一映射；智能服務(wù)層實現(xiàn)用戶與多機器人云平臺之間的友好交互；微服務(wù)層由多個輕量化、功能獨立、可動態(tài)重組的多個服務(wù)單元組成，用于支撐構(gòu)建業(yè)務(wù)應(yīng)用。

圖4 基于微服務(wù)的多機器人資源云服務(wù)平臺架構(gòu)

文獻[18]針對異構(gòu)無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)場景、作戰(zhàn)能力的差異和約束，搭載的傳感系統(tǒng)、計算控制單元在復(fù)雜的任務(wù)中無法高效作戰(zhàn)的問題，提出了一種基于異構(gòu)平臺適配器實現(xiàn)互操作協(xié)議，連接有人/無人平臺，對于不具備自主分析和智能計算的邊緣節(jié)點，可通過適配接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄哂休^強算力的云平臺，其框架如圖5所示，文中搭建了華為MDC300的云節(jié)點和瑞芯微RK3399的邊緣節(jié)點的實驗環(huán)境，驗證了架構(gòu)的可行性。

圖5 多無人平臺協(xié)同應(yīng)用的計算架構(gòu)

除此之外，國內(nèi)達闥科技公司研發(fā)的云端機器人操作系統(tǒng)HARIX OS海睿，基于“云-網(wǎng)-端”協(xié)同技術(shù)，可以為人工智能行業(yè)和機器人行業(yè)從業(yè)者，開發(fā)應(yīng)用提供訓(xùn)練實驗平臺；清華大學(xué)提出了一種機器人云中心(robot cloud center，RCC)框架和機器人即服務(wù)(robot as a service，RaaS)的概念等。

綜上所述，云端機器人架構(gòu)大概分為3類：第一類是專注于云端引擎，通過網(wǎng)絡(luò)訪問云端服務(wù)器獲取機器人特定功能；第二類是專注于共享網(wǎng)絡(luò)知識庫，對客戶端開放接口，增加了機器人之間的協(xié)同；第三類強調(diào)普適性，即采用容器化部署為機器人在云端創(chuàng)建計算環(huán)境。

1.2 云服務(wù)平臺的優(yōu)勢

相對于機器人單體設(shè)計，構(gòu)建機器人云服務(wù)平臺的優(yōu)勢有：復(fù)雜計算和數(shù)據(jù)處理能力、快速部署能力、應(yīng)用快速生成能力、屏蔽底層異構(gòu)設(shè)備能力。

(1)復(fù)雜計算和數(shù)據(jù)處理能力

隨著應(yīng)用場景的不斷復(fù)雜和數(shù)據(jù)的累計，對機器人本體的計算能力的要求不斷提高，相對于CPU、NPU和FPGA有較強的并行計算和數(shù)據(jù)處理能力。機器人本體的計算能力有限，將復(fù)雜的智能計算和數(shù)據(jù)處理卸載到計算能力強大的云端，可以提高機器人系統(tǒng)的性能。

(2)快速部署能力

將復(fù)雜的單體任務(wù)拆分成一組支持獨立開發(fā)、測試、運行的微服務(wù)，具有相互獨立、松耦合的特點，避免了重復(fù)構(gòu)建開發(fā)環(huán)境、應(yīng)用部署的問題，提高機器人快速部署的能力。如地圖構(gòu)建服務(wù)可以拆分成數(shù)據(jù)傳輸、機器人模型、傳感器模型、算法模型、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等多個微服務(wù)；路徑跟蹤云服務(wù)可以拆分成航向控制、速度控制、加速度控制、機器人運動學(xué)模型等多個微服務(wù)。

(3)應(yīng)用快速生成能力

以微服務(wù)的形式開發(fā)和測試應(yīng)用程序，通過功能解耦的方式，將一個復(fù)雜的任務(wù)分解成一組微服務(wù)組件，是快速生成應(yīng)用的關(guān)鍵。機器人通用組件包括自主建圖與定位導(dǎo)航算法、軌跡生成算法、坐標轉(zhuǎn)換算法、目標識別算法、圖像檢測算法、機器人控制、機器人運動學(xué)模型、機器人動力學(xué)模型等，可以實現(xiàn)目標檢測、目標跟隨等基本的應(yīng)用。機器人云平臺微服務(wù)池支持更新和擴充，通過添加服務(wù)組件，快速生成新的功能應(yīng)用，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景和功能需求。

(4)屏蔽底層兼容異構(gòu)設(shè)備能力

機器人云平臺擁有強大的硬件資源，可以提供數(shù)據(jù)存儲、智能計算和數(shù)據(jù)處理，但機器人的設(shè)備廠商和通信方式不盡相同，需要進行數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一或轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)機器人云服務(wù)平臺的互聯(lián)互通。

機器人操作系統(tǒng)(ROS)[19]提供一種機器人通信和消息傳遞的標準，可以實現(xiàn)節(jié)點之間的相互通信。隨著機器人技術(shù)和人工智能的不斷發(fā)展，針對“多域異構(gòu)資源重生、雜亂機器人的自主行為控制、集群智能”等機器人操作系統(tǒng)所面臨問題的分析，軍事科學(xué)院團隊結(jié)合技能趨勢和實際需要基于多態(tài)智能集群機器人操作系統(tǒng)micROS[20]基礎(chǔ)上，提出了面向群體智能的可持續(xù)的平行學(xué)習(xí)框架。與計算機操作系統(tǒng)不同的是，micROS可以實現(xiàn)資源和行為的重生，在互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)集體智能。通過設(shè)計角色抽象和語義情景抽象，從而解決了群體機器人自主協(xié)同的關(guān)鍵問題。

2 智能汽車領(lǐng)域軟件框架

無人領(lǐng)域的重要發(fā)展節(jié)點出現(xiàn)在了智能汽車領(lǐng)域，尤其是針對無人駕駛應(yīng)用場景，各車企(特斯拉、比亞迪等)以及主流高新技術(shù)企業(yè)(百度、華為等)紛紛開展針對智能汽車領(lǐng)域的軟件框架設(shè)計，以軟件為核心定義汽車的功能，通過規(guī)范化設(shè)計，來屏蔽各類底層平臺、傳感器差異性的影響，實現(xiàn)真正的軟硬解耦。

2.1 軟件定義汽車

特斯拉的自動駕駛Autopilot[21]軟件架構(gòu)如圖6所示，主要特點有：①操作系統(tǒng)基于Linux內(nèi)核進行研發(fā)，設(shè)計全棧AI架構(gòu)，形成“感知-定位-融合-決策-規(guī)劃-控制”整套方案；②電子電氣架構(gòu)從域控制逐步轉(zhuǎn)向集中式架構(gòu)，減少了ECU控制模塊的數(shù)量，算力集中到中央單元，便于后續(xù)遠程升級；③基于自研芯片F(xiàn)SD，充分利用云端算力及資源，收集用戶數(shù)據(jù)進行軟件的更新迭代，達到了功能集中、資源共享的目的。

圖6 Autopilot軟件架構(gòu)

比亞迪的BYD OS軟件架構(gòu)如圖7所示，主要特點有：①與英偉達合作，使用計算性能較強的DRIVE Orin車用處理器；②作為中國首個車用操作系統(tǒng)，硬件驅(qū)動層能夠向上層提供一個標準化的接口，供上層服務(wù)調(diào)用，實現(xiàn)硬件的分層解耦；③電子電氣架構(gòu)采用智能域控制架構(gòu)。通過智能動力域、智能車控域、智能座艙域、智能駕駛域等高集成的域控制，提升了算力和交互響應(yīng)效率。

圖7 BYD OS軟件架構(gòu)

百度的Apollo自動駕駛開放平臺軟件框架[22，23]如圖8所示，主要特點有：①開放車輛硬件標準和接口標準，各車企可以通過標準認證接入平臺；②易擴展的應(yīng)用與軟件場景應(yīng)用。軟件應(yīng)用可以為開發(fā)者提供感知、預(yù)測、規(guī)劃、控制、定位等常用應(yīng)用擴展，以及基于場景的擴展應(yīng)用；③提供易用的軟件和云服務(wù)工具。提供地圖引擎、感知、定位等最小軟件服務(wù)，云端服務(wù)完成算法模型訓(xùn)練、實訓(xùn)、仿真、高精地圖等功能。

圖8 Apollo8.0自動駕駛開放平臺軟件架構(gòu)

華為的MDC自動駕駛計算平臺整體架構(gòu)[24]如圖9所示，主要特點有：①平臺硬件集成具有鯤鵬CPU算力和昇騰AI算力的智能SOC芯片，大大提高了算力和處理能力；②MDC Core對外提供基于AUTOSAR規(guī)范的軟件服務(wù)，提供標準的API和SDK開發(fā)包，便于智能應(yīng)用的開發(fā)、測試與部署；③遵循平臺化與標準化原則。包括平臺物理特性標準化、平臺硬件接口標準化、算法組件標準化，提升整體研發(fā)效率。

圖9 MDC自動駕駛計算平臺整體架構(gòu)

2.2 各類架構(gòu)層次特點

隨著“軟件定義汽車”的大背景下，國內(nèi)外廠商紛紛開始投入自動駕駛平臺的研發(fā)，除上節(jié)所提到的軟件框架外，本文從主流車企和零部件、高新技術(shù)企業(yè)兩個角度對各智能汽車領(lǐng)域框架進行綜合分析[25]，見表1。

表1 國內(nèi)外智能汽車領(lǐng)域框架綜合分析

經(jīng)過綜合分析，可以得出智能汽車領(lǐng)域軟件框架的特點包括：

(1)在智能化電子電氣架構(gòu)的集中式發(fā)展趨勢下，不同廠商不同操作系統(tǒng)如何實現(xiàn)高效集中式管理成為關(guān)鍵，中間件能夠?qū)浖峁藴驶慕涌凇⑴渲眯畔⑦M行統(tǒng)一化管理，實現(xiàn)跨配置、跨平臺調(diào)用。在所有中間件的方案中，目前車企主要采用基于AUTOSAR的標準規(guī)范[26]。

(2)目前汽車領(lǐng)域軟件框架平臺通過系統(tǒng)軟件向下適配異構(gòu)硬件架構(gòu)，功能軟件基本采用SOA松耦合的方式，將汽車平臺和外圍傳感器等硬件作為底層，上層設(shè)計自動駕駛計算平臺，通過服務(wù)組件和硬件的標準化接入，實現(xiàn)持續(xù)的升級更新。

(3)主流車企(如特斯拉、大眾、比亞迪等)主要針對自身駕駛平臺進行設(shè)計[27]，并不考慮兼容其它類型的汽車平臺。隨著汽車智能化的發(fā)展，以NVIDIA、華為、百度為代表的高新技術(shù)企業(yè)在高效率軟件開發(fā)方面有著得天獨厚的優(yōu)勢，主要負責(zé)提供軟件服務(wù)和接入平臺，汽車硬件依賴車企，通過認證能夠適配多款來自不同車企的車型，更能符合異構(gòu)平臺通用框架的設(shè)計需求。

(4)國外廠商(如特斯拉、英偉達等)基本采用自研芯片的方式，尤其是特斯拉的遠程升級一直在行業(yè)處于引領(lǐng)地位。國內(nèi)廠商(比亞迪、長城等)主要采用自研+合作并行的思路，計算芯片、底層操作系統(tǒng)、中間件等方面目前主要依賴國外供應(yīng)商。華為依托自研昇騰、鯤鵬等硬件產(chǎn)品，以產(chǎn)品渠道拓展市場業(yè)務(wù)。百度自研CyberRT代替ROS實現(xiàn)高性能實時通信[28]，借助百度地圖、云服務(wù)等平臺應(yīng)用，且憑借在自動駕駛領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，具有[車-路-云-圖]的全棧基礎(chǔ)能力。

3 異構(gòu)無人平臺軟件框架關(guān)鍵性技術(shù)綜述

3.1 軟硬件平臺協(xié)議標準定義

針對異構(gòu)平臺采用不同的物理接口和通信協(xié)議，其和上層平臺之間的通信需要轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的消息格式，目前主流方法是采用基于ROS/ROS2[29]的標準消息通信機制，其通信過程中需要對消息做MD5校驗，當(dāng)接口升級后，模塊之間就會存在難以兼容的問題。百度的Apollo采用基于Protobuf的消息定義，解決了ROS協(xié)議存在的向后兼容問題。調(diào)試工具能夠直接顯示消息，序列化與反序列化的封裝由對應(yīng)工具完成，調(diào)試人員只需要關(guān)注業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)即可，極大地降低了學(xué)習(xí)成本，此外基于ProtoBuf的消息傳輸機制能夠跨平臺、跨語言兼容、向后兼容性也更好。

3.2 工具鏈設(shè)計

工具鏈是通用軟件開發(fā)平臺的必要組成部分，平臺工具鏈融合了數(shù)據(jù)采集、處理、挖掘分析、模型訓(xùn)練、仿真測試、部署等環(huán)節(jié)，能夠開放各類應(yīng)用場景庫，通過快速原型配置、自動代碼生成，兼容第三方產(chǎn)業(yè)開發(fā)，助力形成產(chǎn)業(yè)生態(tài)，能夠極大地降低代碼開發(fā)成本、統(tǒng)一軟件風(fēng)格、提高鏈路開發(fā)效率。目前不同公司開發(fā)工具鏈只關(guān)注自身部分功能，未考慮全生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈的設(shè)計，導(dǎo)致“數(shù)據(jù)孤島”現(xiàn)象嚴重。在自動駕駛領(lǐng)域，以百度、華為為首的科技巨頭瞄準仿真工具鏈的搭建為核心進行相關(guān)研發(fā)。百度Apollo平臺借助PnC工具鏈和便捷的感知可視化工具，實現(xiàn)高保真仿真測試。華為MDC開發(fā)平臺提供全套開發(fā)工具鏈，基于AUTOSAR規(guī)范的智能駕駛應(yīng)用，實現(xiàn)一站式開發(fā)、測試以及可視化調(diào)試。

3.3 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)是無人平臺運行可靠的重要保障。網(wǎng)絡(luò)安全的設(shè)計包括網(wǎng)絡(luò)安全檢測、網(wǎng)絡(luò)安全隔離、安全認證、遠程升級安全等方面。因此，亟需設(shè)計滿足信息安全、功能安全、流程管控安全的標準規(guī)范體系，推動行業(yè)發(fā)展的標準化。加密和認證被廣泛應(yīng)用于大量車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，MAC技術(shù)也已經(jīng)被納入AUTOSAR規(guī)范，在與第三方系統(tǒng)對接時，主要通過IP白名單、SSL認證等方式來確保集成互訪的合法性與安全性，通過安全服務(wù)加密、防護墻等措施確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴ａ槍Ψ植际綗o人機網(wǎng)絡(luò)安全問題，文獻[30]提出使用區(qū)塊鏈技術(shù)和類似物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，以確保數(shù)據(jù)收集和傳輸過程中的通信安全，并降低被惡意操縱的無人機攻擊的可能性。此外，建立了一個獨特的基于信譽的共識協(xié)議，以確保去中心化網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

3.4 遠程升級(OTA)技術(shù)

OTA(over-the-air)技術(shù)[31]指遠程升級技術(shù)，指通過4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)對車輛的數(shù)據(jù)、應(yīng)用軟件進行遠程升級的技術(shù)。該技術(shù)能批量實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程升級、快速修復(fù)故障、提高用戶的使用體驗。在智能汽車領(lǐng)域，從特斯拉、蔚來、小鵬等新勢力造車，以及大眾、長城等傳統(tǒng)汽車制造商，紛紛在新車中啟動OTA升級技術(shù)。架構(gòu)上分為OTA云端服務(wù)器和車輛兩部分，OTA云端主要包括OTA管理平臺、OTA升級服務(wù)、任務(wù)調(diào)度、文件服務(wù)和任務(wù)管理，升級流程主要包括“生成更新包—傳輸更新包—安裝更新”。針對異構(gòu)無人平臺遠程升級的需求，需要搭建OTA云服務(wù)平臺，實現(xiàn)多種服務(wù)的綜合管控，支持多無人平臺、多類型設(shè)備的接入和軟件升級。

3.5 集群協(xié)同控制技術(shù)

異構(gòu)無人平臺集群協(xié)同控制技術(shù)是完成作戰(zhàn)方式轉(zhuǎn)變的顛覆性技術(shù)，通過軟件定義指控系統(tǒng)架構(gòu)，以“群”的方式對目標實施偵察、攻擊、防御等行動，能夠很快形成態(tài)勢優(yōu)勢。美國海軍為加強海上防空作戰(zhàn)能力研制了美軍協(xié)同作戰(zhàn)能力系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將航母上各作戰(zhàn)平臺的探測系統(tǒng)、指控系統(tǒng)和武器系統(tǒng)連接起來，共享各平臺的雷達傳感器探測數(shù)據(jù)，生成統(tǒng)一的態(tài)勢圖，使整個作戰(zhàn)群能夠高度協(xié)同作戰(zhàn)。文獻[32]針對典型的無人機協(xié)同對抗應(yīng)用場景，構(gòu)建了一個面向多智能體的集群協(xié)同智能系統(tǒng)架構(gòu)，還構(gòu)建了無人機集群協(xié)同對抗的仿真環(huán)境，完成了基于群智能的無人機集群協(xié)作對抗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

4 發(fā)展建議

單個機器人容易受到其機載硬件和計算約束的限制，隨著無線網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、通信技術(shù)以及云平臺技術(shù)的迅猛發(fā)展，為機器人提供了更快、更強大的計算能力和存儲性能，從而賦予機器人新的能力。但針對異構(gòu)無人平臺的協(xié)同，如何實現(xiàn)云平臺、操作端和設(shè)備之間的有機協(xié)同，達到系統(tǒng)的整體優(yōu)化，仍然是該領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)。下面對該領(lǐng)域未來的發(fā)展提出一些展望：

(1)云-邊-端的架構(gòu)成為發(fā)展的趨勢。

云平臺主要負責(zé)全局的管理和調(diào)度，包含數(shù)據(jù)的存儲、數(shù)據(jù)挖掘分析、人工智能算法訓(xùn)練、仿真分析、智能操控等復(fù)雜服務(wù)、對計算資源要求較高的應(yīng)用。

邊緣層主要負責(zé)用戶對局部進行管理、調(diào)度和控制，包含無人平臺接入、終端設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、分析等實時性要求較高的應(yīng)用，同時與云端實現(xiàn)資源、數(shù)據(jù)、服務(wù)的高效協(xié)同。

終端層主要包含各類異構(gòu)無人平臺，包含狀態(tài)數(shù)據(jù)、載荷采集數(shù)據(jù)的采集上報、自主服務(wù)的運行，同步接收上層操控指令。

云-邊-端的架構(gòu)可以滿足異構(gòu)無人平臺在復(fù)雜應(yīng)用場景中執(zhí)行任務(wù)的需求，根據(jù)實際應(yīng)用需要，靈活部署硬件資源，可以實現(xiàn)功能的快速部署、快速響應(yīng)。對于語音交互、協(xié)同操作等實時性要求較強的感知任務(wù)，采用能靈活組合CPU、FPGA和DSA等的異構(gòu)計算平臺，實現(xiàn)各無人平臺硬件系統(tǒng)和邊緣側(cè)多傳感器數(shù)據(jù)的同步和加速計算。對于處理敏感隱私數(shù)據(jù)(如視頻、圖像、對話等)，云-邊-端一體化架構(gòu)需要構(gòu)建數(shù)據(jù)的安全傳輸和存儲機制，并且限定物理范圍。對于可以進行物理操作的無人平臺，要構(gòu)建獨立的安全監(jiān)測機制，保證即使系統(tǒng)被遠程攻擊劫持后也不會造成物理安全損害。

(2)通用的協(xié)議標準規(guī)范及互操作機制。

針對各異的無人平臺功能需求，研發(fā)集中式管理服務(wù)平臺，在軟件設(shè)計方面統(tǒng)一“指控端”和“平臺端”系統(tǒng)架構(gòu)，需要定義統(tǒng)一的硬件接口、軟件協(xié)議標準，實現(xiàn)異構(gòu)無人平臺的接入，達到無人平臺和服務(wù)的解耦。對于已有無人平臺的接入，則需要設(shè)計互操作機制，實現(xiàn)通信鏈路的兼容，達到異構(gòu)平臺之間的通信和信息傳輸?shù)哪康摹１热纾_闥機器人公司提出的海睿操作系統(tǒng)，專門針對異構(gòu)無人平臺設(shè)計了機器人控制單元(RCU)實現(xiàn)不同無人平臺之間的互操作。

(3)標準化的服務(wù)設(shè)計。

系統(tǒng)服務(wù)具有全局性，操控站對各無人平臺的通用化功能進行協(xié)同管控和應(yīng)用升級。

基礎(chǔ)服務(wù)具有通用性，對基礎(chǔ)軟件開發(fā)平臺提供的通用化功能具有抽象性。

動態(tài)服務(wù)具有動態(tài)配置性，應(yīng)用服務(wù)在運行過程中可對服務(wù)進行配置，并執(zhí)行動態(tài)服務(wù)。

原子服務(wù)具有獨立性，設(shè)計應(yīng)與硬件配置和實現(xiàn)無關(guān)，與上層功能服務(wù)層和下層的硬件驅(qū)動層解耦，完全獨立。

5 結(jié)束語

文中對異構(gòu)無人平臺軟件框架進行了研究、分析和總結(jié)。首先介紹了基于云端架構(gòu)的無人平臺設(shè)計。并以典型應(yīng)用智能汽車領(lǐng)域為例，介紹了特斯拉、比亞迪、百度Apollo、華為MDC等軟件架構(gòu)的特點，“軟件定義汽車”作為未來的發(fā)展趨勢，對異構(gòu)無人平臺的框架設(shè)計具有一定的啟發(fā)作用。然后提煉并總結(jié)了異構(gòu)無人平臺軟件框架中軟硬件平臺協(xié)議標準定義、工具鏈、網(wǎng)絡(luò)安全、OTA、集群協(xié)同控制5個關(guān)鍵技術(shù)。最后，對異構(gòu)無人平臺軟件框架的未來發(fā)展趨勢進行展望。本文為研究人員提供有關(guān)該領(lǐng)域最新研究的支持，并為后續(xù)研究提供幫助。