ROS机器人无线通用平台测试床Word格式.docx

1、无线连接、资料收集及智能控制串连在一起，形成一套 完整的创新解決方案，助力加快智能制造、智慧医疗、智能家居等产业转型升级之进程。3 预期成果3.1 商业价值ROS 机器人无线通用平台测试床为基于 ROS2 开源系统的机器人领域从业者和使用者提供标准化、通用化的机器人控制和无线通信承载方案。1） 通过高可靠、高稳定性的无线专网承载技术，提高工业和服务机器人作业的精确控制和稳定运行，提高机器人的整体使用效率（如在工厂中，可通过人工智能技术，让工厂中的设备可以协助判别产线的良品率，以协助提高工厂的生产效率和品质）。2） 引入机器人控制的分布式架构，提升机器人控制的效率和业务灵活性，进一步丰富机器人的

2、业务使用场景和领域，带动机器人产业技术的持续更新升级。3） 扩展 ROS、DDS 技术和蜂窝无线网络在服务及工业机器人领域的业务应用，为机器人产业提供工业级高品质的无线网络解决方案，并为之创造并扩大在工业、商业、及医疗等相关行业领域的市场空间。3.2 经济效益本测试床的经济效益一方面在于简化机器人从业者对机器人控制和通信相关领域的技术投入， 缩短开发周期，降低开发成本，提高机器人研发效率，使得机器人开发从业者可以将资源更多地 聚焦在机器人产业更前端的人工智能、感知与识别、机器和驱动、业务和应用等领域，驱动我国 机器人产业的快速创新和产业繁荣；另一方面在于对工业生产等社会效率的提升，以工业领域

3、ROS 机器人的使用为例进行经济效益评估，因使用 ROS2 系统与工业无线网络联网可满足产线实时分散式运算，可降低工业机器人的误操作发生概率（预期可下降 20%以上），且因为工厂使用该平台达到几乎全自动作业，可保障人身安全，预期可降低 15%的运维成本，提升 15%的工作效率。3.3 社会价值工业机器人是先进制造业的关键支撑装备，服务机器人是改善人类生活方式的重要手段，无 论是在制造环境下应用的工业机器人，还是在非制造环境下应用的服务机器人，已经凭借开源成 长为产业主导的 ROS 机器人平台都有涉足，本测试床立足于构建 ROS2 机器人操作系统底层的控 制和通信通用平台，将大大降低围绕 ROS

4、 平台开发机器人的难度，并依据测试床“DDS+蜂窝无线” 优异的分布式控制与通信架构，提升所开发机器人的性能和场景匹配度。测试床针对多种 ROS 机器人（如服务型机器人、导览机器人、工业机器人等）在无人商店、自动化仓储、以及工业工厂等场景提供应用案例，以呼应中国制造 2025 主要任务中“推进工业机器人向中高端迈进”的要求，同时聚焦智能生产、智能物流，攻克工业机器人关键技术，提升可操作性和可维护性，以及着力推进应用示范，重点针对需求量大、环境要求高、劳动强度大的工业领域，实现一批效果突出、带动性强、关联度高的典型行业应用示范项目。通过测试床的示范和虹吸效应，还能聚拢 ROS 机器人领域国内优秀

5、的产、学、研资源，促进国内机器人产业持续健康快速发展，对于推动工业转型升级，加快制造强国建设，改善人民生活水平具有重要意义。4 测试床技术可行性本测试床技术方案主要针对 ROS 机器人应用于机器人产业、工业工厂、自动化仓储以及无人商店等不同场景领域，将与控制与通信相关的部分以无线通用平台的方式进行标准化和通用化。以工业工厂为例，利用此通用平台实现周边设备及机器人实时相互协作，从而使得整个应用作业实现无人协作全自动化运营的能力状态。测试床整套系统具体分为三大部分（见下图 1）： 分别是eLTE 无线蜂窝技术为主的网络层、ROS2 工业级规格的控制器平台层及面向不同应用场景的业务应用层。三层之间通

6、过：1）华为 eLTE 工业级无线通信系统与 DDS 中间层融合对接；2）DDS 中间层与 ROS 2 工厂设备的整合；3）ROS2 设备或机器人和 eLTE 工业无线网络整套导入工厂等三个方面的组合来实现测试床的应用孵化和创新落地。图 1：测试床整体系统架构图4.1 物理平台ROS 机器人控制与通信平台测试床的物理平台主要包括：1） 基于华为 eLTE 蜂窝无线专网设备和通信模块的网络层（前期采用 5.8G 免授权频谱的eLTE-U 网络方案，后阶段再引入基于 5G 技术的 NR-U 的网络方案），eLTE-U 是一种在免授权频谱上使用 LTE 的无线宽带接入技术，eLTE-U 结合了 LT

7、E 的高性能与 Wi-Fi 易部署的 特点，相比 Wi-Fi 和微波技术，具备覆盖距离远、抗干扰能力强、移动性强、用户容量大、安全性和可靠性更高的特点，在承载机器人的控制和通信上有天然的性能优势。2） 基于凌华公司工控机的ROS2 机器人控制器硬件平台。此控制器以 ROS2 机器人操作系统作为控制器的中间件，使得机器人及工厂设备开发人员可以引用 ROS2 丰富的开源应用程序进行开发，实现工厂间设备顺畅沟通，在确保安全性的前提下，实现设备与设备的即时资料共享，并保证软硬件综合运作后的实时性和可靠度，藉此实现各种智能制造应用场景。此控制器同时将支持 AI 运算平台（Nvidia GPU CUDA,

8、 Intel VPU AI），可加速机器人的运算，对于机器人的影像识别（服务机器人之人形识别、工业机器人之 AOI）有很大的帮助， 且能够将训练好的模型直接施行于这些运算平台上。另外，本控制器还将整合 AI 运算套件至 ROS2，未来结合收集产线大数据进行分析，可应用 AI 技术持续优化产线机器，提升生产控制智能化程度。3） 采用上述硬件平台开发的 ROS2 机器人等行业设备（如凌华的DDSBot、仓储 AGV、各类型服务机器人等），结合业务场景导入工厂转型。如下图 2 未来工厂的情景展示：客户从远端下订单，经过云端的资源管理系统，连接上 IT 系统，连接工厂端智能制造设备、各式移动机器人投产

9、UAV 取件，AGV 搬运与自动仓储，都在无人化或人机协助环境下完成。图 2 ROS2 导入工厂转型情境示意图4.2 软件平台本测试床的软件平台主要包括：1） 实现蜂窝无线网络与终端模块之间无线通信的 eLTE-U 空口协议软件和后续的 NR-U 空口协议软件，和在无线空口协议之上实现数据通信的 UDP/TCP、IP 等协议软件，提供机器人环境检测和操作控制的无线通信承载；2） 位于 ROS2 标准 API 之下，实现机器人 D2D 分布式通信的 DDS 协议软件和通信协议软件， 实现数据采集点到控制终端之间点对点或点到多点的通信和控制。图 3：测试床软件平台及接口协议3） 开源的 ROS2

10、的标准 API 软件平台：ROS 是一成立于美国的 OSRF（Open Source Robotics Foundation）开源组织所提出的设计架构，适用于机器人的开源作业系统，ROS2 是其第 2 代开发平台，具有共通的架构和相通的语言，开发者可以在 ROS2 平台沟通设计内容，并具有如下几个方面的优势： 提供了作业系统应有的服务，包括硬件抽象，底层设备控制，常用函数的实现，进程间消息传递及包管理，且因开源的关系，它也提供用于获取、编译、编写和跨计算机运行代码所需的工具和库函数，使开发者可進行快速开发。 主要目标是为机器人研究和开发提供代码复用的支持，因此所有的工程都可以被 ROS的基础工

11、具整合在一起，可快速复制至不同的应用场景中。 ROS2 针对设备之间的资料分发和设备控制、设备和云端的资料传输等，具有相当高的匹配度，同时资料分发的即时效率非常高，能做到秒級内同时分发百万条消息到众多设备。智能工厂将持续引入大量装备及资料，可通过 ROS2 定义好资料格式，使用统一的流通格式，將工厂的静态设备及移动装备（AGV/AMR）、甚至传感器进行实时相互联网与协作沟通。图 4 ROS 2 是离散式与自主式机器人的开源作业系统4.3 软件开发和环境模拟参与测试床的机器人开发者合作伙伴可以聚焦在 ROS 系统的软件开发，承载控制和通信功能的软、硬件分别由测试床发起单位凌华和华为提供，凌华上海

12、张江实验室和华为Openlab 实验室提供实际的 eLTE-U（后续 NR-U）网络及 ROS2 平台测试环境（开发者也可以登录华为官网 eLTE 开发者社区获取技术支持），测试床合作伙伴集成华为 eLTE 蜂窝无线模块和凌华的机器人控制器开发 ROS2 机器人，在凌华张江实验室或华为 Openlab 实验室进行测试和验证对接。图 5：上海凌华张江实验室 ROS2 机器人无线通信平台测试环境5 和 AII 技术的关系5.1 AII 总体架构工业互联网 AII 参考架构（见下图 6A）由物理系统、数据、网络、安全、应用及用户组成， ROS 机器人无线通用平台测试床各层在参考架构中的映射如下图 6

13、B 所示，主要覆盖其中的网络、数据和应用，验证其与 AII 体系架构的符合度及运行效果。网络：网络是实现机器人控制的通信承载基础，通过基于 5.8G 免授权频谱的 eLTE-U 技术，在凌华公司展示和测试实验室部署工业级eLTE-U 无线互联网，在凌华的机器人控制器内嵌入无线通信模块，满足 ROS 机器人与后台控制系统的通信交互。数据：测试床有效整合 ROS2 及 eLTE 工业级无线通讯，实现工厂内各设备及部件的紧密连结，工厂内的机器、传感器及制动器等设施利用 eLTE 无线通信系统及 ROS2 底层的通讯协议传输资料、数据或指令，使得分布在工厂各处的机器、工具、电脑、设备等硬件都能流畅地执

14、行任务。应用：服务机器人、工业工厂以及自动化仓储等场景下 ROS2 机器人或智能设备通过eLTE 无线网络承载通信控制下的各种各样的智能化应用。 图 6A 图 6B5.2 AII 安全安全是AII参考架构中的重要组成部分，ROS机器人无线通用平台测试床团队将对测试床中潜在的漏洞进行针对性分析，测试床所采用的安全协议和策略，如加密和解密、认证、权限控制与授权以及IP安全将遵循相关标准。与本测试床相关可能的安全风险如下： 物理安全（设备被物理攻击甚至破坏） ROS2 控制器设备，eLTE 网络设备，ROS2 控制及应用服务器等 通信安全（数据在通信过程中被修改或截获） ROS2 控制器与基站之间无线通讯 eLTE 基站与核心网之间有线通讯 eLTE 核心网与应用服务器之间有线通讯 数据安全（数据篡改，丢失及保密性） eLTE 网络平台数据 应用层服务器 系统安全（非法用户或设备的攻击，网络攻击） 对所连数据交换承载网系统的网络攻击应对措施如下表所示:No.ThreatsCountermeasures