CN105897509B - 一种基于云计算的机器人软件运行及仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于云计算的机器人软件运行及仿真系统，包括机器人本地端运行软件子系统、机器人云端运行软件子系统、以及机器人本地端运行软件子系统与机器人云端运行软件子系统的通讯接口。与现有技术相比，本发明具有高性能、通用性好、扩展性好等优点。

Description

一种基于云计算的机器人软件运行及仿真系统

技术领域

本发明涉及一种机器人技术，尤其是涉及一种基于云计算的机器人软件运行及仿真系统。

背景技术

随着科技发展，机器人已经走进了我们生活，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，协助或取代人力工作。随着机器人的功能层次化要求的加深，计算平台的扩展，使用的硬件日益复杂，为机器人编写软件这一工作也变得越来越复杂繁重。为了简化编程工作，许多机器人软件开发平台应运而生。按照“平台化”的思想，在机器人领域引入操作系统软件的概念，促进了机器人硬件的标准化和软件的模块化，成为推动机器人技术和产业高速发展的催化剂，是机器人软件技术的未来主流的演化方向。

机器人软件平台的初期研究主要集中于中间件和软件框架等层面，典型项目包括Player、OpenRTM-aist、OROCOS、ROS等。其中当前最为活跃的是机器人操作系统ROS(RobotOperating System)项目。ROS运行于Ubuntu等本地操作系统之上，由通信基础设施、机器人相关的软件包、开发和运行工具集等组成，能够为机器人应用开发提供驱动程序、硬件抽象、资源管理、通信管理、实用工具等类似操作系统的功能。ROS可看成使用ROS特定消息连接的多个软件节点组成的系统。目前，ROS包含了2000多个针对不同机器人平台的常用软件节点包，已经应用于上百种地面、空中、水面和水下无人系统，有望成为机器人应用软件平台的事实标准。

但是，ROS软件框架及其功节点能模块目前仅能运行在本地的基于Ubuntu操作系统的多节点异构计算机集群上。受限于本地计算机有限的计算能力、存储能力、供电能力，基于ROS软件系统的机器人不能够充分使用计算密级型的复杂算法，不方便使用基于互联网的多种服务，并且缺少一套在线的仿真模拟测试环境。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高性能、通用性好、扩展性好的基于云计算的机器人软件运行及仿真系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于云计算的机器人软件运行及仿真系统，其特征在于，包括机器人本地端运行软件子系统、机器人云端运行软件子系统、以及机器人本地端运行软件子系统与机器人云端运行软件子系统的通讯接口。

所述的机器人本地端运行软件子系统包括：

原生ROS系统功能节点，用于执行机器人本地端运行所必须的传感器输入以及执行器输出；

桥接节点，用于把本地的ROS消息转发到机器人云端运行软件子系统，并且接收机器人云端运行软件子系统的消息转成本地的ROS消息。

所述的机器人本地端运行软件子系统与机器人云端运行软件子系统的通讯接口用于在通信网络上收发ROS消息。

所述的ROS消息为ROS机器人软件系统定义的协议，直接使用网络传递或在HTTP协议上传递。对于需要保证实时性、可靠性等性能要求的ROS消息传递，通讯机制必须基于有服务质量能力的网络传递。

所述的机器人云端运行软件子系统运行在公有云或私有云服务器集群平台的计算容器环境中，计算容器环境即是轻量级的虚拟化应用沙箱。

所述的机器人云端运行软件子系统使用多个计算容器来虚拟化模拟ROS的Ubuntu本地操作系统，在计算容器中运行的节点模块包括：

主控节点模块，用于监控所有功能节点的运行状态，处理所有对机器人本地端和云端的配置请求；

机器人代理节点模块，作为机器人本地端软件子系统的代理，收发机器人本地端传过来的消息，并转化为能在云端计算容器间使用的ROS消息；

云端任务节点模块，用于执行计算任务以及节点间的通讯。

所述的云端任务节点模块设有多个，分布在多个计算容器环境里。

所述的云端任务节点模块包括：

云端任务节点，为在云端容器中运行无需修改的原生ROS节点，利用云端计算资源执行计算密集型任务，如图像处理、导航、反运动学计算等；；

云服务代理节点，为能够调用互联网服务的服务代理节点，作为代理调用基于互联网的服务，如在线搜索、语音识别等，该类节点将互联网服务的数据转换成标准的ROS消息；

仿真环境节点，为在云端容器中运行的仿真验证环境节点，用于在线执行机器人的仿真和与机器人交互的运行环境的仿真。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)高性能，本发明提供一种云计算平台，机器人软件中的计算密级型算法等软件节点模块可在云平台中运行，并且可与在本地运行的软件节点模块构成完整的机器人软件系统；

2)通用性好，云平台的软件框架兼容当前的ROS软件节点模块，已有的ROS软件节点模块可不加修改的在云平台中运行；

3)扩展性好，云平台中提供可以调用互联网服务的软件节点模块，用于机器人软件的功能扩展；

4)云平台中提供一种通用的在线机器人仿真验证环境。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中11、机器人本地端运行软件子系统；21、机器人云端运行软件子系统；22、互联网云服务；31、在网络上传递的ROS消息；32、使用HTTP协议在网络上传递的ROS消息。

图2为本发明机器人云端运行软件子系统的进一步结构示意图；

其中210、云端计算容器；211、云端主控节点；212、机器人代理节点；213、云端任务节点；214、云服务代理节点；215、仿真环境节点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明基于云计算的机器人软件运行及仿真系统，如图1所示，包括三部分，机器人本地端运行软件子系统11，机器人云端运行软件子系统21，机器人本地端运行软件子系统11与机器人云端运行软件子系统21之间的通讯接口。

如图2所示，机器人云端运行软件子系统21又可进一步分解，包括云端运行容器环境210、主控节点211、机器人代理节点212、云端任务节点213、云服务代理节点214和仿真环境节点215。

机器人本地端运行软件子系统11运行原生ROS的功能节点，处理传感器输入和执行器输出，同时加入云端的桥接节点，负责收发ROS消息到云端运行环境。

使用无线网络在机器人本地端和云端传递ROS消息。为了保证消息传递的实时性，在IP网络协议栈上使用预留资源和最小收发节拍的服务质量保证策略。

机器人云端软件使用在公有云上的Docker计算容器环境210，容器提供了Ubuntu的虚拟环境，节点集合在Docker中运行。主控节点211负责根据云端软件配置，启动加载所有的节点，然后开始监控所有节点运行状态。当有节点健康监控出现问题，或计算负载不够时，主控节点根据配置启动新的节点。多个任务节点213完成原生ROS的节点任务，利用云端计算资源执行图像处理、在线地图构建的计算密集型任务。机器人代理节点212作为机器人本地端的代理，负责接收本地端传来的视觉传感器数据，转换成云端的标准ROS消息，并发送生成的地图拓扑数据给机器人本地端。云服务代理节点214负责调用云服务完成语音识别功能，通过代理节点212将命令发送给机器人。仿真环境节点215基于机器人的模型和环境模型建立在线的机器人仿真系统，能够在机器人在真实环境中测试前，进行仿真测试。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于云计算的机器人软件运行及仿真系统，其特征在于，包括机器人本地端运行软件子系统、机器人云端运行软件子系统、以及机器人本地端运行软件子系统与机器人云端运行软件子系统的通讯接口；所述的机器人云端运行软件子系统运行在公有云或私有云服务器集群平台的计算容器环境中；

所述的机器人云端运行软件子系统使用多个计算容器来虚拟化模拟ROS的Ubuntu本地操作系统，在计算容器中运行的节点模块包括：

主控节点模块，用于监控所有功能节点的运行状态，处理所有对机器人本地端和云端的配置请求；

机器人代理节点模块，作为机器人本地端软件子系统的代理，收发机器人本地端传过来的消息，并转化为能在云端计算容器间使用的ROS消息；

云端任务节点模块，用于执行计算任务以及节点间的通讯；

机器人软件中的计算密级型算法的软件节点模块可在云平台中运行，并且可与在本地运行的软件节点模块构成完整的机器人软件系统，云平台的软件框架兼容当前的ROS软件节点模块，已有的ROS软件节点模块可不加修改的在云平台中运行。

2.根据权利要求1所述的一种基于云计算的机器人软件运行及仿真系统，其特征在于，所述的机器人本地端运行软件子系统包括：

原生ROS系统功能节点，用于执行机器人本地端运行所必须的传感器输入以及执行器输出；

桥接节点，用于把本地的ROS消息转发到机器人云端运行软件子系统，并且接收机器人云端运行软件子系统的消息转成本地的ROS消息。

3.根据权利要求1所述的一种基于云计算的机器人软件运行及仿真系统，其特征在于，所述的机器人本地端运行软件子系统与机器人云端运行软件子系统的通讯接口用于在通信网络上收发ROS消息。

4.根据权利要求3所述的一种基于云计算的机器人软件运行及仿真系统，其特征在于，所述的ROS消息为ROS机器人软件系统定义的协议，直接使用网络传递或在HTTP协议上传递。

5.根据权利要求1所述的一种基于云计算的机器人软件运行及仿真系统，其特征在于，所述的云端任务节点模块设有多个，分布在多个计算容器环境里。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于云计算的机器人软件运行及仿真系统，其特征在于，所述的云端任务节点模块包括：

云端任务节点，为在云端容器中运行无需修改的原生ROS节点，利用云端计算资源执行计算密集型任务；

云服务代理节点，为能够调用互联网服务的服务代理节点，作为代理调用基于互联网的服务，该类节点将互联网服务的数据转换成标准的ROS消息；

仿真环境节点，为在云端容器中运行的仿真验证环境节点，用于在线执行机器人的仿真和与机器人交互的运行环境的仿真。

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