CN107020635A - 在多机器人上运行多主节点机器人操作系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在多机器人上运行多主节点机器人操作系统的方法，其包括步骤一，基于单个机器人操作系统，提供多机协同框架，使用多机协同框架的多机器人系统包含一系列基于机器人操作系统的单机器人操作系统，每个机器人操作系统独立运行，拥有独立的主中心节点；步骤二，完成多机间的同步和发现，多机协同框架的节点发现与同步模块负责将多个包含主节点的单机器人操作系统合并成一个系统网络视图，通过调用本地机器人操作系统主节点的接口，获取本地系统的状态信息和本地对外部的接口信息本发明实现了每个机器人独立运行一套包含主节点的机器人操作系统，增加了系统的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人操作系统的方法，特别是涉及一种在多机器人上运行多主节点机器人操作系统的方法。
背景技术
机器人系统由驱动装置、传感装置和控制系统、复杂机械以及后台的决策系统组成，所有设备通过相互协同和相互影响，共同决定机器人的功能和行为特征；为了满足机器人软件日益复杂的需求，许多机器人软件平台应运而生，机器人软件平台当前最为活跃的是机器人操作系统，其已成为机器人应用软件平台的事实标准。
机器人操作系统包含控制算法、传感器驱动等多个软件节点模块，并分布式运行于机器人的多个异构计算机硬件节点上，如机器人的传感器节点、计算单元节点和执行器节点，通过分布式处理框架组合形成完整的机器人控制软件系统整合了多个软件模块和硬件模块，系统中包含中心主节点软件模块，其提供所有其他应用软件节点的注册注销信息和软件节点间通讯所需的配置和状态信息。
另一方面，多机器人协作是目前工业界机器人应用和研究的热点，具有巨大的潜力，多个机器人协同工作，能够完成单个机器人无法完成的任务，或改善工作过程，并获得更优的系统性能；多机器人系统可以突破单机器人系统在感知、决策及执行能力等方面受到的限制，甚至完成单个机器人无法实现的任务，如果多机器人系统上运行单一的机器人操作系统，其主中心节点很难选择配置在哪个机器人上，多机器人间的连接发生改变时，主中心节点的丢失会照成全系统的崩溃；如每个机器人上运行一个机器人操作系统，就需要一套方法使本地的机器人操作系统正确订阅远程机器人操作系统上的发布信息，否则多机器人的消息会引起冲突。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在多机器人上运行多主节点机器人操作系统的方法，实现了每个机器人独立运行一套包含主节点的机器人操作系统，增加了系统的灵活性。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种在多机器人上运行多主节点机器人操作系统的方法，其包括以下步骤：
步骤一，基于单个机器人操作系统，提供多机协同框架；使用多机协同框架的多机器人系统包含一系列基于机器人操作系统的单机器人操作系统，每个机器人操作系统独立运行，拥有独立的主中心节点；多机协同框架由若干模块组成，运行在每个机器人上，是单机器人操作系统的扩展；多机协同框架在运行过程中通过端对端的拓扑结构进行联系，分布式设计机制去中心化，可以更灵活的组织实现复杂的功能，适应多机器人协同的挑战；
步骤二，完成多机间的同步和发现；多机协同框架的节点发现与同步模块负责将多个包含主节点的单机器人操作系统合并成一个系统网络视图，通过调用本地机器人操作系统主节点的接口，获取本地系统的状态信息和本地对外部的接口信息；调用本地机器人操作系统主节点的接口获取本地信息的频率由配置参数决定，随后加上时间戳的本地状态信息和接口信息在轻量级分布式发布订阅通讯总线上进行广播，每个机器人都能维护一份全局系统的视图；
步骤三，多机间信息交互；同步模块负责注册远程有效的消息或服务到本地的主中心节点，在注册时，加上远程机器人标识符前缀，以区分不同机器人间的信息；外部消息转换模块在外部消息到达每个机器人内部时，完成内外消息命名空间的转化；
步骤四，基于能力描述，动态分配和运行任务；能力描述模块能够表示分布系统中的机器人的资源能力，包括底层硬件计算资源、传感器资源和基础支撑软件资源；应用管理模块按照应用所需资源和机器人能力提供资源之间的匹配关系，动态的安排和部署应用软件；应用软件原有的启动文件不需要修改，应用管理模块就能够启动或停止应用软件在机器人上的运行；进一步，应用管理模块提供一个可在基于Linux操作系统的开发机上运行的可视化工具，直观的展示各个机器人上的资源情况和任务运行的状态。
优选地，所述多机协同框架包括：
节点发现与同步模块，多机节点间基于自组织网络，完成节点的动态发现，同步节点的加入、退出，并在每个节点在以去中心化的形式维护全部网络的拓扑信息，节点间通讯基于轻量级实时发布订阅通讯总线机制，实现机间节点的动态发现；
外部消息转换模块，节点间交换的外部消息通过消息转换模块到达每个节点的内部，在消息转换模块完成节点内外消息命名空间的转化；基于节点发现的元信息，在多机间的外部消息上添加了基于每个机器人的标识符前缀，经过消息转换模块处理外部信息的数据封装，转换成内部系统可用的数据命名空间，实现数据交互和共享；
能力描述服务模块，能力描述服务提供对单个机器人的资源能力的在线描述，主要为传感器抽象构件集和通用服务构件集提供的能力接口，通过标准的XML格式描述的能力接口，指明底层基础平台的计算资源、通讯资源、存储资源、感知资源的能力，完成各种逻辑设备状态、属性和信息的管理；
应用管理模块，应用管理器完成应用任务的安装部署流程，在统一的协同框架下，可将感知、决策、执行的功能任务按照机器人能力描述分布式地动态部署于多个机器人平台上，根据任务所需的配置，通过和能力描述服务提供的底层基础平台的能力匹配，完成软件任务在多个平台上的部署加载和动态激活；应用管理器负责对任务的注册和注销，提供逻辑任务的加载、卸载、运行、停止的功能行为的控制封装接口。
优选地，所述步骤二通过调用本地机器人操作系统主节点的接口，获取本地系统的状态信息和本地对外部的接口信息
优选地，所述步骤三通过外部消息转换模块完成内外消息命名空间的转化。
本发明的积极进步效果在于：本发明通过在多机器人系统中，每个机器人独立运行一套包含主节点的机器人操作系统，同时本地的机器人操作系统可以订阅远程机器人操作系统的信息，通过命名空间的转换，实现数据交互和共享，这样避免了在多机器人系统上运行单一的机器人操作系统时引入的主中心节点选择的困难，又能够在机器人上使用机器人操作系统软件，并且获取远程的信息；每个机器人根据其硬软件配置生成能力描述视图，多机系统能够根据不同机器人的硬软件能力进行任务匹配，动态分配和监控在每个机器人上执行的任务，以形成一个自适应的多机器人系统，当外界环境改变或目标改变时，多机器人系统上执行的任务能够动态安排，增加了整个系统的灵活性；当多机器人间的网络连接发生改变时，单个机器人上的运行的机器人操作系统软件不受到影响，当任务在不同机器人上动态分配、启动或停止时，原有的任务配置和启动文件也不需要进行修改，保持了系统的易用性。
附图说明
图1为本发明的系统流程图。
图2为多机协同框架的模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明在多机器人上运行多主节点机器人操作系统的方法包括以下步骤：
步骤一，基于单个机器人操作系统，提供多机协同框架；使用多机协同框架的多机器人系统包含一系列基于机器人操作系统的单机器人操作系统，每个机器人操作系统独立运行，拥有独立的主中心节点；多机协同框架由若干模块组成，运行在每个机器人上，是单机器人操作系统的扩展；多机协同框架在运行过程中通过端对端的拓扑结构进行联系，分布式设计机制去中心化，可以更灵活的组织实现复杂的功能，适应多机器人协同的挑战；
步骤二，完成多机间的同步和发现；多机协同框架的节点发现与同步模块负责将多个包含主节点的单机器人操作系统合并成一个系统网络视图，通过调用本地机器人操作系统主节点的接口，获取本地系统的状态信息和本地对外部的接口信息；调用本地机器人操作系统主节点的接口获取本地信息的频率由配置参数决定，随后加上时间戳的本地状态信息和接口信息在轻量级分布式发布订阅通讯总线上进行广播，每个机器人都能维护一份全局系统的视图；
步骤三，多机间信息交互；同步模块负责注册远程有效的消息或服务到本地的主中心节点，在注册时，加上远程机器人标识符前缀，以区分不同机器人间的信息；外部消息转换模块在外部消息到达每个机器人内部时，完成内外消息命名空间的转化；
步骤四，基于能力描述，动态分配和运行任务；能力描述模块能够表示分布系统中的机器人的资源能力，包括底层硬件计算资源、传感器资源和基础支撑软件资源；应用管理模块按照应用所需资源和机器人能力提供资源之间的匹配关系，动态的安排和部署应用软件；应用软件原有的启动文件不需要修改，应用管理模块就能够启动或停止应用软件在机器人上的运行；进一步，应用管理模块提供一个可在基于Linux操作系统的开发机上运行的可视化工具，直观的展示各个机器人上的资源情况和任务运行的状态。
如图2所示，多机协同框架包括以下模块：
节点发现与同步模块，多机节点间基于自组织网络，完成节点的动态发现，同步节点的加入、退出，并在每个节点在以去中心化的形式维护全部网络的拓扑信息，节点间通讯基于轻量级实时发布订阅通讯总线机制，实现机间节点的动态发现；
外部消息转换模块，节点间交换的外部消息通过消息转换模块到达每个节点的内部，在消息转换模块完成节点内外消息命名空间的转化；基于节点发现的元信息，在多机间的外部消息上添加了基于每个机器人的标识符前缀，经过消息转换模块处理外部信息的数据封装，转换成内部系统可用的数据命名空间，实现数据交互和共享；
能力描述服务模块，能力描述服务提供对单个机器人的资源能力的在线描述，主要为传感器抽象构件集和通用服务构件集提供的能力接口，通过标准的XML(可扩展标记语言)格式描述的能力接口，指明底层基础平台的计算资源、通讯资源、存储资源、感知资源的能力，完成各种逻辑设备状态、属性和信息的管理；
应用管理模块，应用管理器完成应用任务的安装部署流程，在统一的协同框架下，可将感知、决策、执行的功能任务按照机器人能力描述分布式地动态部署于多个机器人平台上，根据任务所需的配置，通过和能力描述服务提供的底层基础平台的能力匹配，完成软件任务在多个平台上的部署加载和动态激活；应用管理器负责对任务的注册和注销，提供逻辑任务的加载、卸载、运行、停止的功能行为的控制封装接口。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在多机器人系统中，每个机器人独立运行一套包含主节点的机器人操作系统，同时本地的机器人操作系统可以订阅远程机器人操作系统的信息，通过命名空间的转换，实现数据交互和共享，这样避免了在多机器人系统上运行单一的机器人操作系统时引入的主中心节点选择的困难，又能够在机器人上使用机器人操作系统软件，并且获取远程的信息；每个机器人根据其硬软件配置生成能力描述视图，多机系统能够根据不同机器人的硬软件能力进行任务匹配，动态分配和监控在每个机器人上执行的任务，以形成一个自适应的多机器人系统，当外界环境改变或目标改变时，多机器人系统上执行的任务能够动态安排，增加了整个系统的灵活性；当多机器人间的网络连接发生改变时，单个机器人上的运行的机器人操作系统软件不受到影响，当任务在不同机器人上动态分配、启动或停止时，原有的任务配置和启动文件也不需要进行修改，保持了系统的易用性。
本发明在多机器人系统中，每个机器人能够运行独立的一套包含主节点的机器人操作系统，单个机器人操作系统之间没有依赖，同时多机器人间可交换信息，本地的机器人操作系统可以订阅远程机器人操作系统的消息。当多机器人间的网络连接发生改变时，例如任意机器人加入或退出多机器人系统时，单个机器人上的运行的机器人操作系统软件不受到影响，也不需要重新配置。每个机器人根据其硬软件配置生成能力描述视图，多机系统能够根据不同机器人的能力，动态安排和监控在每个机器人上执行的任务。
以上所述的具体实施例，对发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种在多机器人上运行多主节点机器人操作系统的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一，基于单个机器人操作系统，提供多机协同框架：使用多机协同框架的多机器人系统包含一系列基于机器人操作系统的单机器人操作系统，每个机器人操作系统独立运行，拥有独立的主中心节点；多机协同的框架由若干模块组成，运行在每个机器人上，是单机器人操作系统的扩展；多机协同框架在运行过程中通过端对端的拓扑结构进行联系，分布式设计机制去中心化，可以更灵活的组织实现复杂的功能，适应多机器人协同的挑战；
步骤二，完成多机间的同步和发现：多机协同框架的节点发现与同步模块负责将多个包含主节点的单机器人操作系统合并成一个系统网络视图，通过调用本地机器人操作系统主节点的接口，获取本地系统的状态信息和本地对外部的接口信息；调用本地机器人操作系统主节点的接口获取本地信息的频率由配置参数决定，随后加上时间戳的本地状态信息和接口信息在轻量级分布式发布订阅通讯总线上进行广播，每个机器人都能维护一份全局系统的视图；
步骤三，多机间信息交互：同步模块负责注册远程有效的消息或服务到本地的主中心节点，在注册时，加上远程机器人标识符前缀，以区分不同机器人间的信息；外部消息转换模块在外部消息到达每个机器人内部时，完成内外消息命名空间的转化；
步骤四，基于能力描述，动态分配和运行任务:能力描述模块能够表示分布系统中的机器人的资源能力，包括底层硬件计算资源、传感器资源和基础支撑软件资源；应用管理模块按照应用所需资源和机器人能力提供资源之间的匹配关系，动态的安排和部署应用软件；应用软件原有的启动文件不需要修改，应用管理模块就能够启动或停止应用软件在机器人上的运行；进一步，应用管理模块提供一个可在基于Linux操作系统的开发机上运行的可视化工具，直观的展示各个机器人上的资源情况和任务运行的状态。
2.如权利要求1所述的在多机器人上运行多主节点机器人操作系统的方法，其特征在于，所述的多机协同框架包括：
节点发现与同步模块，多机节点间基于自组织网络，完成节点的动态发现，同步节点的加入、退出，并在每个节点在以去中心化的形式维护全部网络的拓扑信息，节点间通讯基于轻量级实时发布订阅通讯总线机制，实现机间节点的动态发现；
外部消息转换模块，节点间交换的外部消息通过消息转换模块到达每个节点的内部，在消息转换模块完成节点内外消息命名空间的转化；基于节点发现的元信息，在多机间的外部消息上添加了基于每个机器人的标识符前缀，经过消息转换模块处理外部信息的数据封装，转换成内部系统可用的数据命名空间，实现数据交互和共享；
能力描述服务模块，能力描述服务提供对单个机器人的资源能力的在线描述，主要为传感器抽象构件集和通用服务构件集提供的能力接口，通过标准的XML格式描述的能力接口，指明底层基础平台的计算资源、通讯资源、存储资源、感知资源的能力，完成各种逻辑设备状态、属性和信息的管理；
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3.如权利要求1所述的在多机器人上运行多主节点机器人操作系统的方法，其特征在于，所述步骤二通过调用本地机器人操作系统主节点的接口，获取本地系统的状态信息和本地对外部的接口信息。
4.如权利要求1所述的在多机器人上运行多主节点机器人操作系统的方法，其特征在于，所述步骤三通过外部消息转换模块完成内外消息命名空间的转化。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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