机器人操作系统

1、机器人操作系统国防科技大学 杨学军报告提纲o 机器人操作系统的兴起o 什么是机器人操作系统o 挑战与关键技术机器人操作系统的兴起o 2007年1月，比尔盖茨在科学美国人上撰文预言：机器人即将重复个人电脑崛起的道路，走进千家万户机器人行业现今面临的挑战，和30年前电脑行业遇到的问题“如出一辙”v流行的应用程序很难在五花八门的装置上运行v在一台机器上使用的编程代码，几乎不可能在另一台机器发挥作用，如果想开发新的产品，通常得从零开始原因v硬件：标准化工作未开始v软件：没有操作系统o 媲美30年前的一篇文章：1977年9月Intel公司创始人罗伯特诺伊斯撰文预言计算机将走进千家万户 我们站在时代的节点

2、：一个崭新的产业即将崛起。 比尔盖茨机器人操作系统的兴起o 微软的机器人开发平台RDS（Robotics Developer Studio）目标是开发不同机器人硬件平台的应用程序v与机器人或控制计算机平台的Windows配合2006年12月推出第一版，最新版本RDS 4为2012年3月发布v不开放源代码，但可免费下载有60家以上的硬件/软件厂商支持或使用该软件开发工具v例如乐高公司o 开源的机器人软件项目开源机器人基金会的ROS美国的Player/Stage欧洲的Orocos欧洲的YARP日本的OpenRTM-aist机器人操作系统的兴起机器人操作系统的兴起o ROS(Robot Operat

3、ing System)起源于2007年Stanford大学AI实验室与Google合作的项目，2008年起由Willow Garage公司维护，2013年起移交开源机器人基金会（OSRF）管理v最初动机是提高代码的可重用率构建一个能够整合不同研究成果，实现算法发布、代码重用的机器人软件平台v目前包含了2000多个机器人平台的常用软件包涵盖了硬件驱动、模拟仿真、运动规划、运动控制、环境感知等各个方面机器人操作系统的兴起o ROS（Robot Operating System）正在逐步成为机器人研发领域的事实标准v被大学和研究机构广泛采用学术界指定的创新验证平台DARPA资助的项目和竞赛的平台v已

4、经应用于多种地面/空中/水面/水下无人平台v逐渐向工业领域扩展对ABB, Adept, Fanuc, Motoman, Universal Robots公司的产品提供支持 “Since version 1.0 was released in 2010, ROS has become the de facto standard in robotics software.” MIT Technology Review, 2013机器人操作系统的兴起 “Robotics is really a software problem. It is not a hardware problem.”Googl

5、e架构师、ROS创始人Scott Hassan报告提纲o 机器人操作系统的兴起o 什么是机器人操作系统o 挑战与关键技术o 机器人是由程序控制运行的机械装置，能脱离人的直接干预而独立形成判断三个组成部分v计算机v机械机构v电子设备什么是机器人操作系统？o 我们认为：机器人操作系统是运行在机器人中、管控机器人的软件体系定义了机器人的功能和特性软件“定义”机器人o 与计算机操作系统存在诸多不同软件架构运行机制功能人机交互方式使用什么是机器人操作系统？什么是机器人操作系统？o 软件架构纵向看为两层结构：资源管理层、行为管理层什么是机器人操作系统？o 软件架构资源管理层管理与控制机器人硬件资源，屏蔽机

6、器人硬件资源的异构性，并以优化的方式实现对硬件资源的使用v处理器、存储器v通信设备、各类传感器、行为部件等外设管理机器人软件资源，实现软件的部署、运行和协同管理数据的传输、存储和处理提供人机交互接口o 软件架构行为管理层管理与控制机器人的高级认知（例如观察、判断、决策），并将其转化为作用于物理世界的行动v观察v判断v决策v行动什么是机器人操作系统？o 软件架构横向上的分布式结构机器人的软硬件模块构成分布式结构v传感器节点摄像机、激光扫描测距仪、GPS、惯性测量单元、声呐等v计算存储通信节点运行判断、规划决策等算法地图、知识库等无线通信模块、消息等v控制执行节点对机械臂等执行部件的行动控制多机器

7、人也构成分布式结构v多个异构的机器人节点v后台服务器节点等什么是机器人操作系统？什么是机器人操作系统？o 软件架构横向上的分布式结构一个典型的机器人操作系统案例全局地图判断决策服务器相机观察地图行动控制机器人 1无线通信相机观察地图行动控制机器人 2什么是机器人操作系统？o 运行机制执行“观察判断决策行动控制”闭环行为链通过传感器观察环境和自身状态根据观察，形成判断进行决策，产生行动方案控制行动的过程什么是机器人操作系统？o 功能资源管理v管理软硬件、数据资源v满足传感器驱动、行动控制、无线通信、分布式构架等机器人的特殊要求行为管理v实现行为的抽象和管理，支撑行为的智能化v管理“观察判断决策行

8、动控制”闭环链的调度执行提供可复用的共性基础软件库和工具v满足行为的可靠性（dependency）约束什么是机器人操作系统？o 人机交互方式输入v任务、环境、自身状态输出v机器人的行动什么是机器人操作系统？o 使用机器人是一个“用具（Appliance）” 实际上，随着移动式外设的日益普及，我们可能越来越说不清到底什么才是机器人。这些机器人的功能高度专业化，深入千家万户，但外貌却跟科幻作品中那些两足拟人机器大相径庭比尔盖茨报告提纲o 机器人操作系统的兴起o 什么是机器人操作系统o 挑战与关键技术行为计算分布架构观察与信息融合机器学习与判断规划与决策行动与控制挑战一行为计算o 问题与挑战按什么样

9、的行为模型设计机器人操作系统架构？如何在机器人操作系统中实现一个行为模型？挑战一行为计算o 行为主义强调运用自然科学的实证方法，对社会生活的过程作系统的、经验的和因果的解释的思潮和流派v产生于20世纪初的美国，代表人物是华生和斯金纳v行为的定义：用以适应环境变化的各种系统的反应o 行为模型是从大量实际行为中概括出来作为行为的理论抽象、基本框架或标准v对系统执行某种任务行为的抽象化概括，用来衡量和分析他们在做什么约翰华生伯尔赫斯斯金纳挑战一行为计算o 博伊德OODA循环一个著名的行为模型描述军事对抗的系统行为，也可以描述一般系统的行为观察判断决策行动约翰博伊德（19271997），美国陆军上校，

10、凭借他战斗飞行员的经验和对动力机动性的研究，发明了能量机动理论、OODA理论等。挑战一行为计算o 以博伊德OODA循环为模型设计机器人操作系统机器人操作系统行为管理层结构v观察：通过传感器观察环境和自身状态v判断：根据观察，形成判断v决策：产生行动方案v行动控制：控制行动的过程“判断”是行为管理的重难点挑战一行为计算o 更高效的行为运行支撑机制传统的计算机操作系统运行机制v进程对运行资源的抽象，确保多道程序安全并发运行v线程对处理器的抽象，确保处理器资源的高效利用v虚存对存储的抽象，确保对各级存储器件的高效使用v文件对数据的抽象，确保数据的高效存储与检索面向行为，机器人操作系统如何抽象？如何高

11、效实现？v难道仅仅是OODA行为链？挑战二分布架构o 问题与挑战基于“新三互”的分布式架构多机器人的实时协同抗干扰的无线通信挑战二分布架构o 传统操作系统的“老三互”“互连、互通、互操作”o 机器人操作系统的“新三互”“互操作、互理解、互遵守”挑战二分布架构o 机器人操作系统的“新三互”互操作以无线通信为基础的“互连”、“互通”、“互操作”o 机器人操作系统的“新三互”互理解机-机v不同机器人获取的信息不同，一致理解是难题人-机v自然语言理解v姿态理解v触觉、嗅觉v表情、情感理解v挑战二分布架构o 机器人操作系统的“新三互”互遵守物理规则v遵守物理定律信息规则v遵守信息域的协议等社会规则v遵守

12、道德、法律等挑战二分布架构o 多机器人的实时协同机器人操作系统三个层次的实时性v结点实时性v消息实时性v任务实时性结点实时性消息实时性结点实时性处理结点处理结点网络任务实时性挑战二分布架构 通过结点自身计算资源的调度保证实时性 向上层应用提供面向机器人领域的实时能力抽象结点实时性结点实时性 在网络协议层引入支持实时的协议栈（如RT-NET） 在应用层提供消息的实时性支持消息实时性消息实时性 提供实时约束在不同结点和信道之间传播的机制 具有时间约束的观察判断决策行动控制任务实时性任务实时性基本解决思路基本解决思路o 抗干扰的无线通信“自”扰、“地”扰（环境干扰）、“敌”扰研究点v频谱管理技术v认

13、知无线电v受限带宽通信v水声抗干扰通信技术vTHz等新的通信技术v挑战二分布架构挑战三观察与信息融合o 问题与挑战环境的表示环境的观察传感器信息融合挑战三观察与信息融合o 环境的表示机器人世界模型的共性化、模块化、标准化v共性、通用、一致的多种世界模型面向不同的行为与应用场景针对多传感器、多机器人信息v环境特征和世界模型的数据库 Xiao et al. (2013)挑战三观察与信息融合o 环境的观察世界模型的构建和更新v尤其是动态条件下的可靠实现机器人定位和自身状态的监测v利用外部信息的定位和自主定位v节点的工作状态和本体物理安全状态的监测挑战三观察与信息融合o 传感器信息融合异构传感器的硬件

14、抽象与消息格式标准化高精度、鲁棒的多传感器信息融合算法库多机器人协同观察信息筛选机制计算机操作系统机器人操作系统挑战四机器学习与判断o 问题与挑战基于机器学习的判断基于大数据与传统人工智能相结合的判断具有人类的判断能力是机器人学追求的目标具有人类的判断能力是机器人学追求的目标挑战四机器学习与判断o 基于机器学习的判断复杂环境下的学习模型增量式与逐步精化的学习方法模式识别挑战四机器学习与判断o 大数据与传统人工智能方法相结合的判断利用大数据提高判断的准确度v例：IBM智力问答机器人Watson挑战五规划与决策o 问题与挑战面向复杂环境和复杂任务的规划与决策v复杂环境开放、非结构化、动态、非确定v

15、复杂任务具有高自主性要求面向不确定性的可靠规划与决策面向多机器人协同的规划与决策挑战五规划与决策o 面向复杂环境和复杂任务的规划与决策领域无关规划决策库基于抽象的、通用的动作模型和系统状态模型v灵活性强、复用性好v问题描述与求解解耦，可以应用多种成熟的规划算法领域相关规划决策库使用专门模型描述需要规划的动作类型和系统状态v针对性强、效率较高规划决策算法的复合机制与接口领域相关规划决策与领域无关规划决策相结合，实现复杂环境中复杂任务的规划与决策挑战五规划与决策o 面向不确定性的可靠规划与决策针对存在感测不确定性的规划问题，采用非确定性模型与概率模型，如v采用马尔可夫决策过程v采用基于模拟的框架，

16、将增强学习与规划、行动进行结合规划失败时，提供可靠的恢复机制，如v旋翼无人机的紧急拉升v地面移动机器人的旋转恢复动作挑战五规划与决策o 面向多机器人协同的规划与决策多智能体机器人系统（MARS）v每个成员仅具有不完全的信息处理和问题求解能力v采用分布式控制v规划过程是异步、并发的例如，德国人工智能研究中心（DFKI）的“分布式机器人系统集成式任务规划”（IMPERA）使用标准化、模块化的任务规划架构解决异构多机器人的协同规划与决策问题挑战六行动与控制o 问题与挑战机器人行为柔性自主控制v机器人在行动和执行过程中需要实现不同自主等级的控制，以适应环境的动态变化以及响应人不同程度的人工干预v挑战在

17、于自主控制等级的柔性调节机器人协同行为的一致性控制v协同工作的多个机器人或执行部件，必须达成协调一致的行动v难点在于分布式网络条件下的时间、空间和任务协调挑战六行动与控制o 机器人可变自主权限管理与控制机制自主权限的表征自主等级划分与表示支持不同自主等级控制方法设计，刻画相应的适用条件 提供不同自主等级控制的转换管理，根据环境/任务等各种条件进行自主等级选择自主等级自调节策略平台损毁/故障操作意图变化环境/任务变化意外事件建标准定策略机器人可变自主权限管理与控制挑战六行动与控制o 分布式协同一致性控制机制提供一致性控制策略，依据控制拓扑和网络动态特性进行跟踪和预测 机器人队形/构型保持和变换，多机器人合作式避碰Robot_1Robot_2Robot_3Robot_n一致性控制策略时间空间任务挑战六行动与控制o 面向行为的通用控制接口定义行为层次的统一控制接口，适应不同类型、不同任务的机器人 提供多机器人、机器人与人之间的通用互操作控制协议UCI_2UCI_nUCI_1Robot_1Robot_2Robot_n机器人抽象层通用控制协议其他协议4586JUAS规划决策通用控制接口与传统计算机操作系统的区别计算机操作系统计算机操作系统机器人操作系统机