CN102196039B - 基于云计算的多机器人系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种基于云计算的多机器人系统，包括多个机器人节点、多个用于处理机器人运行信息的云计算节点、与所述机器人节点和云计算节点进行交互的控制模块，所述控制模块包括：扩展模块，用于处理云计算节点的加入和退出请求；伸缩模块，用于处理机器人节点的加入和退出请求；容错模块，用于处理云计算节点和机器人节点的故障处理请求。采用上述系统，可扩展性和可靠性更高，能满足机器人的实时批量加入和退出及任务量的急剧变化。此外，还提供了一种基于云计算的多机器人系统的实现方法。

Description

基于云计算的多机器人系统及其实现方法

【技术领域】

本发明涉及云计算技术领域，尤其涉及一种基于云计算的多机器人系统及其实现方法。

【背景技术】

目前的多机器人系统的体系结构主要有集中式、分布式和分层式几种。其中，集中式结构的多机器人系统中，所有机器人与中心服务器进行交互，而多机器人之间没有直接通信，机器人之间要通信必须经过中心服务器进行中转。因此集中式的多机器人系统不能满足实时通信的要求，中心服务器的错误会导致整个系统的崩溃，可容错性差，随着机器人数量的增加，会使得中心服务器的工作负担超过其承受能力，使得中心服务器与其他机器人之间的通信出现瓶颈，因此只适用于机器人数量不多的多机器人系统，可扩展性差。

分布式结构的多机器人系统，无线通信网络的节点由单个机器人充当，一个节点出错不会影响到其它节点之间的通信，且机器人之间可以直接通信，通信效率较集中式的高，但难以进行高难度的协同和全局目标的优化，同时，各机器人的处理器因为考虑便携性和成本因素不可能做的功能十分强大，虽然各机器人之间可以互帮互助，但总体处理能力有限。

分层式结构的机器人系统是将集中式结构和分布式结构进行了结合，其中，节点由单个机器人充当，多个机器人之间即可直接通信，又能与中心服务器进行通信，分层式的机器人系统能在一定程度上缓解集中式结构和分布式结构的问题，但仍然存在以下问题：

（1）分层式的多机器人系统中，每个机器人都可以将自己难以处理的任务发送给中心服务器进行处理，机器人数越多，中心服务器需要处理的任务就越繁重，一旦达到中心服务器的处理极限，整个系统将无法继续加入机器人。虽然可以采用升级中心服务器的方法来解决这一问题，但是升级中心服务器费时费力，成本高，因此传统的这种分层式的多机器人系统的可扩展性不高。

（2）分层式的多机器人系统中在扩充机器人时，即使不考虑成本而采用升级中心服务器的方式，但由于升级部署需要一定的时间，难以实时的批量加入大批机器人，而实时批量的加入大批机器人在很多作战、应急等应用中广泛需求。此外，一旦作战任务和应急任务完成，则可能会有很多机器人退出，只留下部分机器人进行扫尾和善后工作，此时中心服务器的大部分处理能力就会出现闲置，造成资源和能源的浪费。

（3）若分层式的多机器人系统中的中心服务器故障或崩溃，则仍然难以进行高难度的协同和全局目标的优化。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种可扩展性和可靠性更高，能满足机器人的实时批量加入和退出及任务量的急剧变化的基于云计算的多机器人系统。

一种基于云计算的多机器人系统，包括多个机器人节点、多个用于处理机器人运行信息的云计算节点、与所述机器人节点和云计算节点进行交互的控制模块，所述控制模块包括：

扩展模块，用于处理云计算节点的加入和退出请求；

伸缩模块，用于处理机器人节点的加入和退出请求；

容错模块，用于处理云计算节点和机器人节点的故障处理请求。

优选的，所述扩展模块包括：

云计算节点加入处理模块，用于响应云计算节点的加入请求，在系统基础设施中加入相应云计算节点，在系统分布式计算环境中加入相应云计算节点，并将机器人服务软件部署到相应云计算节点，然后将新加入的云计算节点信息发送至所述伸缩模块；

云计算节点退出处理模块，用于响应云计算节点的退出请求，将机器人服务软件从相应云计算节点卸载，并在系统分布式计算环境中删除相应云计算节点，然后在系统基础设施中删除相应云计算节点。

优选的，所述伸缩模块包括：

机器人用户伸缩模块，用于响应机器人用户的加入和退出请求，为新加入的机器人用户分配云计算资源，回收退出的机器人用户所需的云计算资源；

机器人任务伸缩模块，用于响应机器人任务的加入和退出请求，将新加入的机器人任务调度到云计算节点上进行处理，回收退出的机器人任务所需的云计算资源。

优选的，所述容错模块包括：

云计算节点故障处理模块，用于响应云计算节点的故障处理请求，将发生故障的云计算节点上的机器人用户和机器人任务迁移，并修复发生故障的云计算节点，若修复失败，则调用所述扩展模块删除云计算节点；

机器人节点故障处理模块，用于响应机器人节点的故障处理请求，调用所述伸缩模块将发生故障的机器人节点上的所有任务分配到其他机器人节点，并删除发生故障的机器人用户，修复发生故障的机器人节点，若修复成功，则调用所述伸缩模块加入修复成功的机器人节点。

此外，还有必要提供一种可扩展性和可靠性更高，能满足机器人的实时批量加入和退出及任务量的急剧变化的基于云计算的多机器人系统的实现方法。

一种基于云计算的多机器人系统的实现方法，包括以下步骤：

构建多个处理机器人运行信息的云计算节点，在所述多个云计算节点和机器人节点之间构建控制模块，在所述控制模块中构建扩展模块、伸缩模块和容错模块；

通过所述扩展模块处理云计算节点的加入和退出请求，通过所述伸缩模块处理机器人节点的加入和退出请求，通过所述容错模块来处理云计算节点和机器人节点的故障处理请求。

优选的，所述通过所述扩展模块处理云计算节点的加入和退出请求的步骤包括：

响应云计算节点的加入请求，在系统基础设施中加入相应云计算节点，在系统分布式计算环境中加入相应云计算节点，并将机器人服务软件部署到相应云计算节点，然后将新加入的云计算节点信息发送至所述伸缩模块；

响应云计算节点的退出请求，将机器人服务软件从相应云计算节点卸载，并在系统分布式计算环境中删除相应云计算节点，然后在系统基础设施中删除相应云计算节点。

优选的，所述通过所述伸缩模块处理机器人节点的加入和退出请求的步骤包括：

响应机器人用户的加入和退出请求，为新加入的机器人用户分配云计算资源，回收退出的机器人用户所需的云计算资源；

响应机器人任务的加入和退出请求，将新加入的机器人任务调度到云计算节点上进行处理，回收退出的机器人任务所需的云计算资源。

优选的，所述通过所述容错模块来处理云计算节点和机器人节点的故障处理请求的步骤包括：

响应云计算节点的故障处理请求，将发生故障的云计算节点上的机器人用户和机器人任务迁移，并修复发生故障的云计算节点，若修复失败，则调用所述扩展模块删除云计算节点；

响应机器人节点的故障处理请求，将发生故障的机器人节点上的所有任务分配到其他机器人节点，并删除发生故障的机器人用户，修复发生故障的机器人节点，若修复成功，则调用所述伸缩模块加入修复成功的机器人节点。

上述基于云计算的多机器人系统及其实现方法，通过扩展模块处理云计算节点的加入和退出请求，通过伸缩模块处理机器人节点的加入和退出请求，以及通过容错模块来处理云计算节点和机器人节点的故障处理请求，由于云计算节点可扩展性高，并且在机器人实时批量加入时，通过伸缩模块可以快读调度更多的资源来为多机器人系统服务，当机器人退出时，又能将闲置的资源回收，调度给其他机器人用户和机器人任务。在机器人节点或云计算节点出现故障时，能够及时响应。因此，上述基于云计算的多机器人系统及其实现方法可扩展性和可靠性更高，能满足机器人的实时批量加入和退出及任务量的急剧变化。

【附图说明】

图1为一个实施例中基于云计算的多机器人系统的结构示意图；

图2为图1中扩展模块的结构示意图；

图3为图1中伸缩模块的结构示意图；

图4为图1中容错模块的结构示意图；

图5为一个实施例中基于云计算的多机器人系统的实现方法的流程图；

图6为一个实施例中云计算节点加入的方法流程图；

图7为一个实施例中云计算节点退出的方法流程图；

图8为一个实施例中处理云计算节点故障的方法流程图；

图9为一个实施例中处理机器人节点故障的方法流程图。

【具体实施方式】

在一个实施例中，如图1所示，一种基于云计算的多机器人系统，包括多个云计算节点100、多个机器人节点300、与云计算节点100及机器人节点300进行交互的控制模块200，其中：

控制模块200包括扩展模块202、伸缩模块204和容错模块206，其中：

扩展模块202用于处理云计算节点的加入和退出请求。

伸缩模块204用于处理机器人节点的加入和退出请求。

容错模块206用于处理云计算节点和机器人节点的故障处理请求。

每个机器人用户代表一个机器人节点300，在机器人节点300上可执行多个机器人任务，对机器人用户和机器人任务需要分配一定的资源，包括云计算资源、存储资源和网络资源等。

如图2所示，在一个实施例中，扩展模块202包括云计算节点加入处理模块212和云计算节点退出处理模块222，其中：

云计算节点加入处理模块212用于响应云计算节点的加入请求，在系统基础设施中加入相应云计算节点，在系统分布式计算环境中加入相应云计算节点，并将机器人服务软件部署到相应云计算节点，然后将新加入的云计算节点信息发送至伸缩模块204。

在优选的实施例中，在系统基础设施中加入相应云计算节点可以基于Eucalyptus（一种云计算软件）来实现。在系统分布式计算环境中加入相应云计算节点可通过hadoop（一种分布式系统基础架构）来实现。将机器人服务软件部署到相应云计算节点可以通过镜像隆实现。将新加入的云计算节点信息发送给伸缩模块204也可采用Eucalyptus实现。

云计算节点退出模块222用于响应云计算节点的退出请求，将机器人服务软件从相应云计算节点卸载，并在系统分布式计算环境中删除相应云计算节点，然后在系统基础设施中删除相应云计算节点。优选的，可通过hadoop在系统分布式计算环境中删除相应云计算节点，通过Eucalyptus在系统基础设施中删除云计算节点。

如图3所示，在一个实施例中，伸缩模块204包括机器人用户伸缩模块214和机器人任务伸缩模块224，其中：

机器人用户伸缩模块214用于响应机器人用户的加入和退出请求，为新加入的机器人用户分配云计算资源，回收退出的机器人用户所需的云计算资源。

机器人任务伸缩模块224用于响应机器人任务的加入和退出请求，将新加入的机器人任务调度到云计算节点100进行处理，回收退出的机器人任务所需的云计算资源。

该实施例中，为新加入的机器人用户分配云计算资源，包括计算资源、存储资源、软件资源和网络资源等，该功能可采用Eucalyptus中的添加用户接口来实现。回收退出的机器人用户所需的云计算资源则可采用Eucalyptus的删除用户接口来实现。

机器人任务伸缩模块224将新加入的机器人任务调度到云计算节点100进行处理，可以在单个云计算节点100上进行处理，也可以在多个云计算节点100上进行并行的处理。可采用hadoop中的分布式并行框架来实现。机器人任务伸缩模块224回收退出的机器人任务所占用的云计算资源也可采用hadoop中的分布式并行框架来实现。

如图4所示，在一个实施例中，容错模块206包括云计算节点故障处理模块216和机器人节点故障处理模块226，其中：

云计算节点故障处理模块216用于响应云计算节点的故障处理请求，将发生故障的云计算节点100上的机器人用户和机器人任务迁移，并修复发生故障的云计算节点100，若修复失败，则调用扩展模块202删除云计算节点。

该实施例中，通过调用伸缩模块204将发生故障的云计算节点100上的机器人用户和机器人任务迁移到其他云计算节点100上，修复发生故障的云计算节点100可采用相关软件，或通过系统的重新启动和管理维护来进行。

机器人节点故障处理模块226用于响应机器人节点的故障处理请求，调用伸缩模块204将发生故障的机器人节点300上的所有任务分配到其他机器人节点300，并删除发生故障的机器人用户，修复发生故障的机器人节点300，若修复成功，则调用伸缩模块204加入修复成功的机器人节点。

该实施例中，将发生故障的机器人节点300上的所有任务分配到其他机器人节点300可通过伸缩模块204的加入新的机器人任务的功能实现，删除发生故障的机器人用户可通过删除机器人任务的功能来实现，通过相关软件和机器人节点300的重新启动或管理员维护来修复发生故障的机器人节点300。

在一个实施例中，如图5所示，一种基于云计算的多机器人系统的实现方法，包括以下步骤：

步骤S102中，构建多个处理机器人运行信息的云计算节点，在所述多个云计算节点和机器人节点之间构建控制模块，在所述控制模块中构建扩展模块、伸缩模块和容错模块。

步骤S104中，通过所述扩展模块处理云计算节点的加入和退出请求，通过所述伸缩模块处理机器人节点的加入和退出请求，通过所述容错模块来处理云计算节点和机器人节点的故障处理请求。

每个机器人用户代表一个机器人节点，在机器人节点上可执行多个机器人任务，对机器人用户和机器人任务需要分配一定的资源，包括云计算资源、存储资源和网络资源等。

如图6所示，在一个实施例中，通过所述扩展模块处理云计算节点的加入请求的步骤包括：

步骤S202中，响应云计算节点的加入请求，在系统基础设施中加入相应云计算节点。在系统基础设施中加入相应云计算节点可以基于Eucalyptus（一种云计算软件）来实现。

步骤S204中，在系统分布式计算环境中加入相应云计算节点。在系统分布式计算环境中加入相应云计算节点可通过hadoop（一种分布式系统基础架构）来实现。

步骤S206中，将机器人服务软件部署到相应云计算节点。将机器人服务软件部署到相应云计算节点可以通过镜像隆实现。

步骤S208中，将新加入的云计算节点信息发送至所述伸缩模块。将新加入的云计算节点信息发送给伸缩模块也可采用Eucalyptus实现。

如图7所示，在一个实施例中，通过所述扩展模块处理云计算节点的退出请求的步骤包括：

步骤S302中，响应云计算节点的退出请求，将机器人服务软件从相应云计算节点卸载。

步骤S304中，在系统分布式计算环境中删除相应云计算节点。可通过hadoop在系统分布式计算环境中删除相应云计算节点。

步骤S306中，在系统基础设施中删除相应云计算节点。通过Eucalyptus在系统基础设施中删除云计算节点。

在一个实施例中，所述通过所述伸缩模块处理机器人节点的加入和退出请求的步骤包括：响应机器人用户的加入和退出请求，为新加入的机器人用户分配云计算资源，回收退出的机器人用户所需的云计算资源；响应机器人任务的加入和退出请求，将新加入的机器人任务调度到云计算节点上进行处理，回收退出的机器人任务所需的云计算资源。

该实施例中，为新加入的机器人用户分配云计算资源，包括计算资源、存储资源、软件资源和网络资源等，该功能可采用Eucalyptus中的添加用户接口来实现。回收退出的机器人用户所需的云计算资源则可采用Eucalyptus的删除用户接口来实现。

将新加入的机器人任务调度到云计算节点进行处理，可以在单个云计算节点上进行处理，也可以在多个云计算节点上进行并行的处理。可采用hadoop中的分布式并行框架来实现。回收退出的机器人任务所占用的云计算资源也可采用hadoop中的分布式并行框架来实现。

如图8所示，在一个实施例中，通过所述容错模块来处理云计算节点的故障处理请求的步骤包括：

步骤S402中，响应云计算节点的故障处理请求，将发生故障的云计算节点上的机器人用户和机器人任务迁移。

步骤S404中，修复发生故障的云计算节点。可采用相关软件，或通过系统的重新启动和管理维护来进行。

步骤S406中，判断修复是否成功，若是，则进入步骤S410，否则进入步骤S408。

步骤S408中，调用所述扩展模块删除云计算节点。

步骤S410中，继续使用该云计算节点。

如图9所示，在一个实施例中，通过所述容错模块来处理机器人节点的故障处理请求的步骤包括：

步骤S502中，响应机器人节点的故障处理请求，调用所述伸缩模块将发生故障的机器人节点上的所有任务分配到其他机器人节点。

步骤S504中，删除发生故障的机器人用户。

步骤S506中，修复发生故障的机器人节点。可通过相关软件和机器人节点的重新启动或管理员维护来修复发生故障的机器人节点。

步骤S508中，判断是否修复成功，若是，则进入步骤S510，否则结束。

步骤S510中，调用所述伸缩模块加入修复成功的机器人节点。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于云计算的多机器人系统，其特征在于，包括多个机器人节点、多个用于处理机器人运行信息的云计算节点、与所述机器人节点和云计算节点进行交互的控制模块，所述控制模块包括：

扩展模块，用于处理云计算节点的加入和退出请求；

伸缩模块，用于处理机器人节点的加入和退出请求；

容错模块，用于处理云计算节点和机器人节点的故障处理请求；

所述扩展模块包括：

云计算节点加入处理模块，用于响应云计算节点的加入请求，在系统基础设施中加入相应云计算节点，在系统分布式计算环境中加入相应云计算节点，并将机器人服务软件部署到相应云计算节点，然后将新加入的云计算节点信息发送至所述伸缩模块；

云计算节点退出处理模块，用于响应云计算节点的退出请求，将机器人服务软件从相应云计算节点卸载，并在系统分布式计算环境中删除相应云计算节点，然后在系统基础设施中删除相应云计算节点。

2.根据权利要求1所述的基于云计算的多机器人系统，其特征在于，所述伸缩模块包括：

机器人用户伸缩模块，用于响应机器人用户的加入和退出请求，为新加入的机器人用户分配云计算资源，回收退出的机器人用户所需的云计算资源；

机器人任务伸缩模块，用于响应机器人任务的加入和退出请求，将新加入的机器人任务调度到云计算节点上进行处理，回收退出的机器人任务所需的云计算资源。

3.根据权利要求1所述的基于云计算的多机器人系统，其特征在于，所述容错模块包括：

云计算节点故障处理模块，用于响应云计算节点的故障处理请求，将发生故障的云计算节点上的机器人用户和机器人任务迁移，并修复发生故障的云计算节点，若修复失败，则调用所述扩展模块删除云计算节点；

机器人节点故障处理模块，用于响应机器人节点的故障处理请求，调用所述伸缩模块将发生故障的机器人节点上的所有任务分配到其他机器人节点，并删除发生故障的机器人用户，修复发生故障的机器人节点，若修复成功，则调用所述伸缩模块加入修复成功的机器人节点。

4.一种基于云计算的多机器人系统的实现方法，包括以下步骤：

构建多个处理机器人运行信息的云计算节点，在所述多个云计算节点和机器人节点之间构建控制模块，在所述控制模块中构建扩展模块、伸缩模块和容错模块；

通过所述扩展模块处理云计算节点的加入和退出请求，通过所述伸缩模块处理机器人节点的加入和退出请求，通过所述容错模块来处理云计算节点和机器人节点的故障处理请求；

所述通过所述扩展模块处理云计算节点的加入和退出请求的步骤包括：

响应云计算节点的加入请求，在系统基础设施中加入相应云计算节点，在系统分布式计算环境中加入相应云计算节点，并将机器人服务软件部署到相应云计算节点，然后将新加入的云计算节点信息发送至所述伸缩模块；

响应云计算节点的退出请求，将机器人服务软件从相应云计算节点卸载，并在系统分布式计算环境中删除相应云计算节点，然后在系统基础设施中删除相应云计算节点。

5.根据权利要求4所述的基于云计算的多机器人系统的实现方法，其特征在于，所述通过所述伸缩模块处理机器人节点的加入和退出请求的步骤包括：

响应机器人用户的加入和退出请求，为新加入的机器人用户分配云计算资源，回收退出的机器人用户所需的云计算资源；

响应机器人任务的加入和退出请求，将新加入的机器人任务调度到云计算节点上进行处理，回收退出的机器人任务所需的云计算资源。

6.根据权利要求4所述的基于云计算的多机器人系统的实现方法，其特征在于，所述通过所述容错模块来处理云计算节点和机器人节点的故障处理请求的步骤包括：

响应云计算节点的故障处理请求，将发生故障的云计算节点上的机器人用户和机器人任务迁移，并修复发生故障的云计算节点，若修复失败，则调用所述扩展模块删除云计算节点；

响应机器人节点的故障处理请求，将发生故障的机器人节点上的所有任务分配到其他机器人节点，并删除发生故障的机器人用户，修复发生故障的机器人节点，若修复成功，则调用所述伸缩模块加入修复成功的机器人节点。

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