1、機器人操作系統(co zu x tn)國防科技大學 楊學軍共五十一頁報告(bogo)提綱機器人操作系統(co zu x tn)的興起什么是機器人操作系統挑戰與關鍵技術共五十一頁機器人操作系統(co zu x tn)的興起2007年1月，比爾蓋茨在科學美國人上撰文預言：機器人即將重復個人電腦崛起的道路，走進千家萬戶機器人行業現今面臨的挑戰，和30年前電腦行業遇到的問題“如出一轍”流行的應用程序很難在五花八門的裝置上運行在一臺機器上使用的編程代碼，幾乎不可能在另一臺機器發揮作用，如果想開發新的產品，通常得從零開始原因硬件：標準化工作未開始(kish)軟件：沒有操作系統媲美30年前的一篇文章：197

2、7年9月Intel公司創始人羅伯特諾伊斯撰文預言計算機將走進千家萬戶 我們站在時代的節點：一個嶄新的產業即將崛起。 比爾蓋茨共五十一頁機器人操作系統(co zu x tn)的興起微軟的機器人開發平臺RDS（Robotics Developer Studio）目標是開發不同機器人硬件平臺的應用程序與機器人或控制計算機平臺的Windows配合2006年12月推出第一版，最新版本RDS 4為2012年3月發布不開放源代碼，但可免費下載有60家以上的硬件/軟件廠商支持或使用(shyng)該軟件開發工具例如樂高公司共五十一頁開源的機器人軟件項目開源機器人基金會的ROS美國的Player/Stage歐洲(

3、u zhu)的Orocos歐洲的YARP日本的OpenRTM-aist機器人操作系統(co zu x tn)的興起共五十一頁機器人操作系統(co zu x tn)的興起ROS(Robot Operating System)起源于2007年Stanford大學AI實驗室與Google合作的項目，2008年起由Willow Garage公司維護，2013年起移交開源機器人基金會（OSRF）管理最初動機是提高代碼的可重用率構建一個(y )能夠整合不同研究成果，實現算法發布、代碼重用的機器人軟件平臺目前包含了2000多個機器人平臺的常用軟件包涵蓋了硬件驅動、模擬仿真、運動規劃、運動控制、環境感知等各個

4、方面共五十一頁機器人操作系統(co zu x tn)的興起ROS（Robot Operating System）正在逐步成為(chngwi)機器人研發領域的事實標準被大學和研究機構廣泛采用學術界指定的創新驗證平臺DARPA資助的項目和競賽的平臺已經應用于多種地面/空中/水面/水下無人平臺逐漸向工業領域擴展對ABB, Adept, Fanuc, Motoman, Universal Robots公司的產品提供支持 “Since version 1.0 was released in 2010, ROS has become the de facto standard in robotics so

5、ftware.” MIT Technology Review, 2013共五十一頁機器人操作系統(co zu x tn)的興起 “Robotics is really a software problem. It is not a hardware problem.”Google架構師、ROS創始人Scott Hassan共五十一頁報告(bogo)提綱機器人操作系統(co zu x tn)的興起什么是機器人操作系統挑戰與關鍵技術共五十一頁機器人是由程序控制運行的機械裝置，能脫離人的直接干預而獨立形成判斷三個組成部分(z chn b fn)計算機機械機構電子設備什么(shn me)是機器人操作系

6、統？共五十一頁我們認為：機器人操作系統是運行在機器人中、管控機器人的軟件體系定義了機器人的功能和特性軟件“定義”機器人與計算機操作系統存在(cnzi)諸多不同軟件架構運行機制功能人機交互方式使用什么(shn me)是機器人操作系統？共五十一頁什么(shn me)是機器人操作系統？軟件架構縱向看為兩層結構(jigu)：資源管理層、行為管理層共五十一頁什么(shn me)是機器人操作系統？軟件架構資源管理層管理與控制機器人硬件資源，屏蔽機器人硬件資源的異構性，并以優化的方式實現對硬件資源的使用處理器、存儲器通信設備(shbi)、各類傳感器、行為部件等外設管理機器人軟件資源，實現軟件的部署、運行和協

7、同管理數據的傳輸、存儲和處理提供人機交互接口共五十一頁軟件架構行為管理層管理與控制(kngzh)機器人的高級認知（例如觀察、判斷、決策），并將其轉化為作用于物理世界的行動觀察判斷決策行動什么(shn me)是機器人操作系統？共五十一頁軟件架構橫向上的分布式結構機器人的軟硬件模塊構成分布式結構傳感器節點攝像機、激光掃描測距儀、GPS、慣性測量單元、聲吶等計算存儲通信節點運行判斷、規劃決策等算法地圖、知識庫等無線通信模塊、消息等控制執行(zhxng)節點對機械臂等執行部件的行動控制多機器人也構成分布式結構多個異構的機器人節點后臺服務器節點等什么(shn me)是機器人操作系統？共五十一頁什么(sh

8、n me)是機器人操作系統？軟件架構(ji u)橫向上的分布式結構一個典型的機器人操作系統案例全局地圖判斷決策服務器相機觀察地圖行動控制機器人 1無線通信相機觀察地圖行動控制機器人 2共五十一頁什么(shn me)是機器人操作系統？運行機制執行“觀察判斷決策行動控制”閉環行為鏈通過(tnggu)傳感器觀察環境和自身狀態根據觀察，形成判斷進行決策，產生行動方案控制行動的過程共五十一頁什么(shn me)是機器人操作系統？功能資源管理管理軟硬件、數據資源滿足傳感器驅動、行動控制、無線通信、分布式構架等機器人的特殊要求行為管理實現行為的抽象和管理，支撐行為的智能化管理“觀察判斷(pndun)決策行動

9、控制”閉環鏈的調度執行提供可復用的共性基礎軟件庫和工具滿足行為的可靠性（dependency）約束共五十一頁什么(shn me)是機器人操作系統？人機交互方式輸入任務、環境、自身(zshn)狀態輸出機器人的行動共五十一頁什么(shn me)是機器人操作系統？使用(shyng)機器人是一個“用具（Appliance）” 實際上，隨著移動式外設的日益普及，我們可能越來越說不清到底什么才是機器人。這些機器人的功能高度專業化，深入千家萬戶，但外貌卻跟科幻作品中那些兩足擬人機器大相徑庭比爾蓋茨共五十一頁報告(bogo)提綱機器人操作系統的興起什么是機器人操作系統挑戰與關鍵技術行為(xngwi)計算分布架

10、構觀察與信息融合機器學習與判斷規劃與決策行動與控制共五十一頁挑戰(tio zhn)一行為計算問題與挑戰(tio zhn)按什么樣的行為模型設計機器人操作系統架構？如何在機器人操作系統中實現一個行為模型？共五十一頁挑戰一行為(xngwi)計算行為主義強調運用自然科學的實證方法，對社會生活的過程作系統的、經驗的和因果的解釋的思潮和流派(lipi)產生于20世紀初的美國，代表人物是華生和斯金納行為的定義：用以適應環境變化的各種系統的反應行為模型是從大量實際行為中概括出來作為行為的理論抽象、基本框架或標準對系統執行某種任務行為的抽象化概括，用來衡量和分析他們在做什么約翰華生伯爾赫斯斯金納共五十一頁挑戰

11、(tio zhn)一行為計算博伊德OODA循環一個著名(zhmng)的行為模型描述軍事對抗的系統行為，也可以描述一般系統的行為觀察判斷決策行動約翰博伊德（19271997），美國陸軍上校，憑借他戰斗飛行員的經驗和對動力機動性的研究，發明了能量機動理論、OODA理論等。共五十一頁挑戰一行為(xngwi)計算以博伊德OODA循環為模型設計機器人操作系統機器人操作系統行為管理層結構觀察：通過傳感器觀察環境和自身狀態判斷(pndun)：根據觀察，形成判斷決策：產生行動方案行動控制：控制行動的過程“判斷”是行為管理的重難點共五十一頁挑戰(tio zhn)一行為計算更高效的行為運行(ynxng)支撐機制傳

12、統的計算機操作系統運行機制進程對運行資源的抽象，確保多道程序安全并發運行線程對處理器的抽象，確保處理器資源的高效利用虛存對存儲的抽象，確保對各級存儲器件的高效使用文件對數據的抽象，確保數據的高效存儲與檢索面向行為，機器人操作系統如何抽象？如何高效實現？難道僅僅是OODA行為鏈？共五十一頁挑戰(tio zhn)二分布架構問題(wnt)與挑戰基于“新三互”的分布式架構多機器人的實時協同抗干擾的無線通信共五十一頁挑戰二分布(fnb)架構傳統操作系統(co zu x tn)的“老三互”“互連、互通、互操作”機器人操作系統的“新三互”“互操作、互理解、互遵守”共五十一頁挑戰二分布(fnb)架構機器人操作

13、系統的“新三互”互操作以無線通信為基礎的“互連”、“互通”、“互操作”機器人操作系統的“新三互”互理解機-機不同機器人獲取的信息不同，一致理解是難題人-機自然語言理解姿態(zti)理解觸覺、嗅覺表情、情感理解共五十一頁挑戰(tio zhn)二分布架構機器人操作系統的“新三互”互遵守物理規則遵守物理定律信息規則遵守信息域的協議等社會(shhu)規則遵守道德、法律等共五十一頁挑戰二分布(fnb)架構多機器人的實時協同(xitng)機器人操作系統三個層次的實時性結點實時性消息實時性任務實時性結點實時性消息實時性結點實時性處理結點處理結點網絡任務實時性共五十一頁挑戰二分布(fnb)架構結點實時性通過結

14、點自身計算資源的調度保證實時性向上層應用提供面向機器人領域的實時能力抽象消息實時性在網絡協議層引入支持實時的協議棧（如RT-NET）在應用層提供消息的實時性支持任務實時性提供實時約束在不同結點和信道之間傳播的機制具有時間約束的觀察判斷決策行動控制基本(jbn)解決思路共五十一頁抗干擾的無線通信“自”擾、“地”擾（環境干擾）、“敵”擾研究點頻譜管理技術(jsh)認知無線電受限帶寬通信水聲抗干擾通信技術THz等新的通信技術挑戰(tio zhn)二分布架構共五十一頁挑戰三觀察與信息(xnx)融合問題與挑戰環境的表示環境的觀察傳感器信息(xnx)融合共五十一頁挑戰三觀察(gunch)與信息融合環境的表

15、示機器人世界模型的共性化、模塊化、標準化共性、通用、一致(yzh)的多種世界模型面向不同的行為與應用場景針對多傳感器、多機器人信息環境特征和世界模型的數據庫 Xiao et al. (2013)共五十一頁挑戰三觀察(gunch)與信息融合環境的觀察世界模型的構建和更新尤其(yuq)是動態條件下的可靠實現機器人定位和自身狀態的監測利用外部信息的定位和自主定位節點的工作狀態和本體物理安全狀態的監測共五十一頁挑戰三觀察與信息(xnx)融合傳感器信息融合異構傳感器的硬件抽象與消息格式(g shi)標準化高精度、魯棒的多傳感器信息融合算法庫多機器人協同觀察信息篩選機制計算機操作系統機器人操作系統共五十一

16、頁挑戰四機器(j q)學習與判斷問題與挑戰基于機器學習(xux)的判斷基于大數據與傳統人工智能相結合的判斷具有人類的判斷能力是機器人學追求的目標共五十一頁挑戰四機器(j q)學習與判斷基于機器學習的判斷復雜環境下的學習模型增量(zn lin)式與逐步精化的學習方法模式識別共五十一頁挑戰四機器學習(xux)與判斷大數據與傳統人工智能方法相結合的判斷利用(lyng)大數據提高判斷的準確度例：IBM智力問答機器人Watson共五十一頁挑戰(tio zhn)五規劃與決策問題與挑戰面向復雜環境和復雜任務的規劃與決策復雜環境開放、非結構化、動態、非確定復雜任務具有高自主性要求(yoqi)面向不確定性的可靠

17、規劃與決策面向多機器人協同的規劃與決策共五十一頁挑戰(tio zhn)五規劃與決策面向復雜環境和復雜任務的規劃與決策領域無關規劃決策庫基于(jy)抽象的、通用的動作模型和系統狀態模型靈活性強、復用性好問題描述與求解解耦，可以應用多種成熟的規劃算法領域相關規劃決策庫使用專門模型描述需要規劃的動作類型和系統狀態針對性強、效率較高規劃決策算法的復合機制與接口領域相關規劃決策與領域無關規劃決策相結合，實現復雜環境中復雜任務的規劃與決策共五十一頁挑戰(tio zhn)五規劃與決策面向不確定性的可靠(kko)規劃與決策針對存在感測不確定性的規劃問題，采用非確定性模型與概率模型，如采用馬爾可夫決策過程采用基

18、于模擬的框架，將增強學習與規劃、行動進行結合規劃失敗時，提供可靠的恢復機制，如旋翼無人機的緊急拉升地面移動機器人的旋轉恢復動作共五十一頁挑戰(tio zhn)五規劃與決策面向多機器人協同的規劃與決策(juc)多智能體機器人系統（MARS）每個成員僅具有不完全的信息處理和問題求解能力采用分布式控制規劃過程是異步、并發的例如，德國人工智能研究中心（DFKI）的“分布式機器人系統集成式任務規劃”（IMPERA）使用標準化、模塊化的任務規劃架構解決異構多機器人的協同規劃與決策問題共五十一頁挑戰六行動(xngdng)與控制問題與挑戰機器人行為柔性自主控制機器人在行動和執行過程中需要實現不同自主等級的控制

19、，以適應環境的動態變化以及響應(xingyng)人不同程度的人工干預挑戰在于自主控制等級的柔性調節機器人協同行為的一致性控制協同工作的多個機器人或執行部件，必須達成協調一致的行動難點在于分布式網絡條件下的時間、空間和任務協調共五十一頁挑戰六行動(xngdng)與控制機器人可變自主權限管理與控制機制自主權限的表征自主等級劃分與表示(biosh)支持不同自主等級控制方法設計，刻畫相應的適用條件 提供不同自主等級控制的轉換管理，根據環境/任務等各種條件進行自主等級選擇遙控飛行0123456789完全自主10自主等級自調節策略平臺損毀/故障操作意圖變化環境/任務變化意外事件建標準定策略機器人可變自主權限管理與控制共五十一頁挑戰(tio zhn)六行動與控制分布式協同一致性控制機制提供一致性控制策略，依據控制拓撲和網絡動態(dngti)特性進行跟蹤和預測 機器人隊形/構型保持和變換，多機器人合作式避碰Robot_1Robot_2Robot_3Robot_n一致性控制策略時間空間任務共五十一頁挑戰(tio zhn)六行動與控制面向行為的通用控制接口(ji ku)定義行為層次的統一控制接口，適應不同類型、不同任務的機器人 提供多機器人、機器人與人之間的通用互操作控制協議UCI_2UCI_nUCI_1Robot_1Robot_2Robot_n機器人抽象層通用控制協議其他協議4586J