ROS機器人無線通用平臺測試床
1 測試床名稱
ROS機器人無線通用平臺測試床
2 發(fā)起公司和主要聯(lián)系人聯(lián)系方式
凌華科技(中國)有限公司 陳家榜 郵箱: ryanjb.chen@adlinktech.com
3 合作公司
華為技術(shù)有限公司 王斌 郵箱：binger.wang@huawei.com
4 測試床目標和概述
本測試床的基本目標1）是綜合運用最新的機器人操作系統(tǒng)(ROS2：Robot Operating System 2)、蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及人工智能技術(shù)，建設(shè)一個圍繞ROS機器人產(chǎn)業(yè)在控制與通信領(lǐng)域的通用平臺，測試驗證相關(guān)的業(yè)務(wù)需求和技術(shù)方案，并通過測試床平臺快速導(dǎo)入智能制造/物流倉儲/無人商店/機器人看護等多場景機器人應(yīng)用，使周邊設(shè)備及機器人實時相互協(xié)調(diào)工作，推動ROS機器人在各場景下的全過程智能化應(yīng)用。2）是開展ROS機器人的行業(yè)應(yīng)用示范，通過發(fā)揮凌華公司和華為公司的龍頭企業(yè)帶動作用，吸引研究院所、大專院校及機器人產(chǎn)業(yè)生態(tài)資源，打造政產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合的協(xié)同創(chuàng)新載體，形成良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境，帶動中小企業(yè)向“專、精、特、新”方向發(fā)展，形成全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展的局面，推動國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。3）是通過測試床將未來各行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級所涉及的三大要素：無線連接、資料收集及智能控制串連在一起，形成一套完整的創(chuàng)新解決方案，助力加快智能制造、智慧醫(yī)療、智能家居等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級之進程。
5 預(yù)期成果
5.1 商業(yè)價值
ROS機器人無線通用平臺測試床為基于ROS2開源系統(tǒng)的機器人領(lǐng)域從業(yè)者和使用者提供標準化、通用化的機器人控制和無線通信承載方案。
通過高可靠、高穩(wěn)定性的無線專網(wǎng)承載技術(shù)，提高工業(yè)和服務(wù)機器人作業(yè)的精確控制和穩(wěn)定運行，提高機器人的整體使用效率（如在工廠中，可通過人工智能技術(shù)，讓工廠中的設(shè)備可以協(xié)助判別產(chǎn)線的良品率，以協(xié)助提高工廠的生產(chǎn)效率和品質(zhì)）。
引入機器人控制的分布式架構(gòu)，提升機器人控制的效率和業(yè)務(wù)靈活性，進一步豐富機器人的業(yè)務(wù)使用場景和領(lǐng)域，帶動機器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)的持續(xù)更新升級。
擴展ROS、DDS技術(shù)和蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)及工業(yè)機器人領(lǐng)域的業(yè)務(wù)應(yīng)用，為機器人產(chǎn)業(yè)提供工業(yè)級高品質(zhì)的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案，并為之創(chuàng)造并擴大在工業(yè)、商業(yè)、及醫(yī)療等相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的市場空間。
5.2 經(jīng)濟效益
本測試床的經(jīng)濟效益一方面在于簡化機器人從業(yè)者對機器人控制和通信相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)投入，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高機器人研發(fā)效率，使得機器人開發(fā)從業(yè)者可以將資源更多地聚焦在機器人產(chǎn)業(yè)更前端的人工智能、感知與識別、機器和驅(qū)動、業(yè)務(wù)和應(yīng)用等領(lǐng)域，驅(qū)動我國機器人產(chǎn)業(yè)的快速創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)繁榮；
另一方面在于對工業(yè)生產(chǎn)等社會效率的提升，以工業(yè)領(lǐng)域ROS機器人的使用為例進行經(jīng)濟效益評估，因使用ROS2系統(tǒng)與工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)可滿足產(chǎn)線實時分散式運算，可降低工業(yè)機器人的誤操作發(fā)生概率（預(yù)期可下降20%以上），且因為工廠使用該平臺達到幾乎全自動作業(yè)，可保障人身安全，預(yù)期可降低15%的運維成本，提升15%的工作效率。
5.3 社會價值
工業(yè)機器人是先進制造業(yè)的關(guān)鍵支撐裝備，服務(wù)機器人是改善人類生活方式的重要手段，無論是在制造環(huán)境下應(yīng)用的工業(yè)機器人，還是在非制造環(huán)境下應(yīng)用的服務(wù)機器人，已經(jīng)憑借開源成長為產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)的ROS機器人平臺都有涉足，本測試床立足于構(gòu)建ROS2機器人操作系統(tǒng)底層的控制和通信通用平臺，將大大降低圍繞ROS平臺開發(fā)機器人的難度，并依據(jù)測試床“DDS+蜂窩無線” 優(yōu)異的分布式控制與通信架構(gòu)，提升所開發(fā)機器人的性能和場景匹配度。
測試床針對多種ROS機器人（如服務(wù)型機器人、導(dǎo)覽機器人、工業(yè)機器人等）在無人商店、自動化倉儲、以及工業(yè)工廠等場景提供應(yīng)用案例，以呼應(yīng)中國制造2025主要任務(wù)中“推進工業(yè)機器人向中高端邁進”的要求，同時聚焦智能生產(chǎn)、智能物流，攻克工業(yè)機器人關(guān)鍵技術(shù)，提升可操作性和可維護性，以及著力推進應(yīng)用示范，重點針對需求量大、環(huán)境要求高、勞動強度大的工業(yè)領(lǐng)域，實現(xiàn)一批效果突出、帶動性強、關(guān)聯(lián)度高的典型行業(yè)應(yīng)用示范項目。通過測試床的示范和虹吸效應(yīng)，還能聚攏ROS機器人領(lǐng)域國內(nèi)優(yōu)秀的產(chǎn)、學(xué)、研資源，促進國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康快速發(fā)展，對于推動工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，加快制造強國建設(shè)，改善人民生活水平具有重要意義。
6 測試床技術(shù)可行性
本測試床技術(shù)方案主要針對ROS機器人應(yīng)用于機器人產(chǎn)業(yè)、工業(yè)工廠、自動化倉儲以及無人商店等不同場景領(lǐng)域，將與控制與通信相關(guān)的部分以無線通用平臺的方式進行標準化和通用化。以工業(yè)工廠為例，利用此通用平臺實現(xiàn)周邊設(shè)備及機器人實時相互協(xié)作，從而使得整個應(yīng)用作業(yè)實現(xiàn)無人協(xié)作全自動化運營的能力狀態(tài)。測試床整套系統(tǒng)具體分為三大部分(見下圖1)： 分別是eLTE無線蜂窩技術(shù)為主的網(wǎng)絡(luò)層、ROS2工業(yè)級規(guī)格的控制器平臺層及面向不同應(yīng)用場景的業(yè)務(wù)應(yīng)用層。三層之間通過：1）華為 eLTE 工業(yè)級無線通信系統(tǒng)與DDS中間層融合對接；2）DDS中間層與ROS 2工廠設(shè)備的整合；3）ROS2設(shè)備或機器人和eLTE工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)整套導(dǎo)入工廠等三個方面的組合來實現(xiàn)測試床的應(yīng)用孵化和創(chuàng)新落地。
圖1：測試床整體系統(tǒng)架構(gòu)圖
6.1 物理平臺
ROS機器人控制與通信平臺測試床的物理平臺主要包括：
基于華為eLTE蜂窩無線專網(wǎng)設(shè)備和通信模塊的網(wǎng)絡(luò)層（前期采用5.8G免授權(quán)頻譜的eLTE-U網(wǎng)絡(luò)方案，后階段再引入基于5G技術(shù)的NR-U的網(wǎng)絡(luò)方案），eLTE-U是一種在免授權(quán)頻譜上使用LTE的無線寬帶接入技術(shù)，eLTE-U結(jié)合了LTE的高性能與Wi-Fi易部署的特點，相比Wi-Fi和微波技術(shù)，具備覆蓋距離遠、抗干擾能力強、移動性強、用戶容量大、安全性和可靠性更高的特點，在承載機器人的控制和通信上有天然的性能優(yōu)勢。
基于凌華公司工控機的ROS2機器人控制器硬件平臺。此控制器以ROS2機器人操作系統(tǒng)作為控制器的中間件，使得機器人及工廠設(shè)備開發(fā)人員可以引用ROS2豐富的開源應(yīng)用程序進行開發(fā)，實現(xiàn)工廠間設(shè)備順暢溝通，在確保安全性的前提下，實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備的即時資料共享，并保證軟硬件綜合運作后的實時性和可靠度，藉此實現(xiàn)各種智能制造應(yīng)用場景。此控制器同時將支持AI運算平臺(Nvidia GPU CUDA, Intel VPU AI)，可加速機器人的運算，對于機器人的影像識別(服務(wù)機器人之人形識別、工業(yè)機器人之AOI)有很大的幫助，且能夠?qū)⒂?xùn)練好的模型直接施行于這些運算平臺上。另外，本控制器還將整合AI運算套件至ROS2，未來結(jié)合收集產(chǎn)線大數(shù)據(jù)進行分析，可應(yīng)用AI技術(shù)持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)線機器，提升生產(chǎn)控制智能化程度。
采用上述硬件平臺開發(fā)的ROS2機器人等行業(yè)設(shè)備（如凌華的DDSBot、倉儲AGV、各類型服務(wù)機器人等），結(jié)合業(yè)務(wù)場景導(dǎo)入工廠轉(zhuǎn)型。如下圖2未來工廠的情景展示：客戶從遠端下訂單，經(jīng)過云端的資源管理系統(tǒng)，連接上IT系統(tǒng)，連接工廠端智能制造設(shè)備、各式移動機器人投產(chǎn)……UAV取件，AGV搬運與自動倉儲，都在無人化或人機協(xié)助環(huán)境下完成。
圖2 ROS2導(dǎo)入工廠轉(zhuǎn)型情境示意圖
6.2 軟件平臺
本測試床的軟件平臺主要包括：
實現(xiàn)蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)與終端模塊之間無線通信的eLTE-U空口協(xié)議軟件和后續(xù)的NR-U空口協(xié)議軟件，和在無線空口協(xié)議之上實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的UDP/TCP、IP等協(xié)議軟件，提供機器人環(huán)境檢測和操作控制的無線通信承載；
位于ROS2標準API之下，實現(xiàn)機器人D2D分布式通信的DDS協(xié)議軟件和通信協(xié)議軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集點到控制終端之間點對點或點到多點的通信和控制。
圖3：測試床軟件平臺及接口協(xié)議
開源的ROS2的標準API軟件平臺：ROS是一成立于美國的OSRF(Open Source Robotics Foundation)開源組織所提出的設(shè)計架構(gòu)，適用于機器人的開源作業(yè)系統(tǒng)，ROS2是其第2代開發(fā)平臺，具有共通的架構(gòu)和相通的語言，開發(fā)者可以在ROS2平臺溝通設(shè)計內(nèi)容，并具有如下幾個方面的優(yōu)勢：
? 提供了作業(yè)系統(tǒng)應(yīng)有的服務(wù)，包括硬件抽象，底層設(shè)備控制，常用函數(shù)的實現(xiàn)，進程間消息傳遞及包管理，且因開源的關(guān)系，它也提供用于獲取、編譯、編寫和跨計算機運行代碼所需的工具和庫函數(shù)，使開發(fā)者可進行快速開發(fā)。
? 主要目標是為機器人研究和開發(fā)提供代碼復(fù)用的支持，因此所有的工程都可以被ROS的基礎(chǔ)工具整合在一起，可快速復(fù)制至不同的應(yīng)用場景中。
? ROS2針對設(shè)備之間的資料分發(fā)和設(shè)備控制、設(shè)備和云端的資料傳輸?shù)龋哂邢喈敻叩钠ヅ涠龋瑫r資料分發(fā)的即時效率非常高，能做到秒級內(nèi)同時分發(fā)百萬條消息到眾多設(shè)備。智能工廠將持續(xù)引入大量裝備及資料，可通過ROS2定義好資料格式，使用統(tǒng)一的流通格式，將工廠的靜態(tài)設(shè)備及移動裝備(AGV/AMR)、甚至傳感器進行實時相互聯(lián)網(wǎng)與協(xié)作溝通。
圖4 ROS 2是離散式與自主式機器人的開源作業(yè)系統(tǒng)
6.3 軟件開發(fā)和環(huán)境模擬
參與測試床的機器人開發(fā)者合作伙伴可以聚焦在ROS系統(tǒng)的軟件開發(fā)，承載控制和通信功能的軟、硬件分別由測試床發(fā)起單位凌華和華為提供，凌華上海張江實驗室和華為Openlab實驗室提供實際的eLTE-U（后續(xù)NR-U）網(wǎng)絡(luò)及ROS2平臺測試環(huán)境（開發(fā)者也可以登錄華為官網(wǎng)eLTE開發(fā)者社區(qū)獲取技術(shù)支持），測試床合作伙伴集成華為eLTE蜂窩無線模塊和凌華的機器人控制器開發(fā)ROS2機器人，在凌華張江實驗室或華為Openlab實驗室進行測試和驗證對接。
圖5：上海凌華張江實驗室ROS2機器人無線通信平臺測試環(huán)境
7 和AII技術(shù)的關(guān)系
7.1 AII總體架構(gòu)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)AII參考架構(gòu)（見下圖6A）由物理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、安全、應(yīng)用及用戶組成，ROS機器人無線通用平臺測試床各層在參考架構(gòu)中的映射如下圖6B所示，主要覆蓋其中的網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和應(yīng)用，驗證其與AII體系架構(gòu)的符合度及運行效果。網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)機器人控制的通信承載基礎(chǔ)，通過基于5.8G免授權(quán)頻譜的eLTE-U技術(shù)，在凌華公司展示和測試實驗室部署工業(yè)級eLTE-U無線互聯(lián)網(wǎng)，在凌華的機器人控制器內(nèi)嵌入無線通信模塊，滿足ROS機器人與后臺控制系統(tǒng)的通信交互。數(shù)據(jù)：測試床有效整合ROS2及eLTE工業(yè)級無線通訊，實現(xiàn)工廠內(nèi)各設(shè)備及部件的緊密連結(jié)，工廠內(nèi)的機器、傳感器及制動器等設(shè)施利用eLTE無線通信系統(tǒng)及ROS2底層的通訊協(xié)議傳輸資料、數(shù)據(jù)或指令，使得分布在工廠各處的機器、工具、電腦、設(shè)備等硬件都能流暢地執(zhí)行任務(wù)。應(yīng)用：服務(wù)機器人、工業(yè)工廠以及自動化倉儲等場景下ROS2機器人或智能設(shè)備通過eLTE無線網(wǎng)絡(luò)承載通信控制下的各種各樣的智能化應(yīng)用。
圖6A
圖6B
7.2 AII安全
安全是AII參考架構(gòu)中的重要組成部分，ROS機器人無線通用平臺測試床團隊將對測試床中潛在的漏洞進行針對性分析，測試床所采用的安全協(xié)議和策略，如加密和解密、認證、權(quán)限控制與授權(quán)以及IP安全將遵循相關(guān)標準。與本測試床相關(guān)可能的安全風險如下：
物理安全（設(shè)備被物理攻擊甚至破壞）
? ROS2控制器設(shè)備，eLTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，ROS2控制及應(yīng)用服務(wù)器等
2. 通信安全（數(shù)據(jù)在通信過程中被修改或截獲）
ROS2控制器與基站之間無線通訊
eLTE基站與核心網(wǎng)之間有線通訊
eLTE核心網(wǎng)與應(yīng)用服務(wù)器之間有線通訊
3. 數(shù)據(jù)安全（數(shù)據(jù)篡改，丟失及保密性）
eLTE網(wǎng)絡(luò)平臺數(shù)據(jù)
應(yīng)用層服務(wù)器
4. 系統(tǒng)安全（非法用戶或設(shè)備的攻擊，網(wǎng)絡(luò)攻擊）
對所連數(shù)據(jù)交換承載網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊
應(yīng)對措施如下表所示:
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May 15,2019
ROS機器人無線通用平臺測試床
1 測試床名稱
ROS機器人無線通用平臺測試床
2 發(fā)起公司和主要聯(lián)系人聯(lián)系方式
凌華科技(中國)有限公司 陳家榜 郵箱: ryanjb.chen@adlinktech.com
3 合作公司
華為技術(shù)有限公司 王斌 郵箱：binger.wang@huawei.com
4 測試床目標和概述
本測試床的基本目標1）是綜合運用最新的機器人操作系統(tǒng)(ROS2：Robot Operating System 2)、蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及人工智能技術(shù)，建設(shè)一個圍繞ROS機器人產(chǎn)業(yè)在控制與通信領(lǐng)域的通用平臺，測試驗證相關(guān)的業(yè)務(wù)需求和技術(shù)方案，并通過測試床平臺快速導(dǎo)入智能制造/物流倉儲/無人商店/機器人看護等多場景機器人應(yīng)用，使周邊設(shè)備及機器人實時相互協(xié)調(diào)工作，推動ROS機器人在各場景下的全過程智能化應(yīng)用。2）是開展ROS機器人的行業(yè)應(yīng)用示范，通過發(fā)揮凌華公司和華為公司的龍頭企業(yè)帶動作用，吸引研究院所、大專院校及機器人產(chǎn)業(yè)生態(tài)資源，打造政產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合的協(xié)同創(chuàng)新載體，形成良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境，帶動中小企業(yè)向“專、精、特、新”方向發(fā)展，形成全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展的局面，推動國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。3）是通過測試床將未來各行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級所涉及的三大要素：無線連接、資料收集及智能控制串連在一起，形成一套完整的創(chuàng)新解決方案，助力加快智能制造、智慧醫(yī)療、智能家居等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級之進程。
5 預(yù)期成果
5.1 商業(yè)價值
ROS機器人無線通用平臺測試床為基于ROS2開源系統(tǒng)的機器人領(lǐng)域從業(yè)者和使用者提供標準化、通用化的機器人控制和無線通信承載方案。
通過高可靠、高穩(wěn)定性的無線專網(wǎng)承載技術(shù)，提高工業(yè)和服務(wù)機器人作業(yè)的精確控制和穩(wěn)定運行，提高機器人的整體使用效率（如在工廠中，可通過人工智能技術(shù)，讓工廠中的設(shè)備可以協(xié)助判別產(chǎn)線的良品率，以協(xié)助提高工廠的生產(chǎn)效率和品質(zhì)）。
引入機器人控制的分布式架構(gòu)，提升機器人控制的效率和業(yè)務(wù)靈活性，進一步豐富機器人的業(yè)務(wù)使用場景和領(lǐng)域，帶動機器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)的持續(xù)更新升級。
擴展ROS、DDS技術(shù)和蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)及工業(yè)機器人領(lǐng)域的業(yè)務(wù)應(yīng)用，為機器人產(chǎn)業(yè)提供工業(yè)級高品質(zhì)的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案，并為之創(chuàng)造并擴大在工業(yè)、商業(yè)、及醫(yī)療等相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的市場空間。
5.2 經(jīng)濟效益
本測試床的經(jīng)濟效益一方面在于簡化機器人從業(yè)者對機器人控制和通信相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)投入，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高機器人研發(fā)效率，使得機器人開發(fā)從業(yè)者可以將資源更多地聚焦在機器人產(chǎn)業(yè)更前端的人工智能、感知與識別、機器和驅(qū)動、業(yè)務(wù)和應(yīng)用等領(lǐng)域，驅(qū)動我國機器人產(chǎn)業(yè)的快速創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)繁榮；
另一方面在于對工業(yè)生產(chǎn)等社會效率的提升，以工業(yè)領(lǐng)域ROS機器人的使用為例進行經(jīng)濟效益評估，因使用ROS2系統(tǒng)與工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)可滿足產(chǎn)線實時分散式運算，可降低工業(yè)機器人的誤操作發(fā)生概率（預(yù)期可下降20%以上），且因為工廠使用該平臺達到幾乎全自動作業(yè)，可保障人身安全，預(yù)期可降低15%的運維成本，提升15%的工作效率。
5.3 社會價值
工業(yè)機器人是先進制造業(yè)的關(guān)鍵支撐裝備，服務(wù)機器人是改善人類生活方式的重要手段，無論是在制造環(huán)境下應(yīng)用的工業(yè)機器人，還是在非制造環(huán)境下應(yīng)用的服務(wù)機器人，已經(jīng)憑借開源成長為產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)的ROS機器人平臺都有涉足，本測試床立足于構(gòu)建ROS2機器人操作系統(tǒng)底層的控制和通信通用平臺，將大大降低圍繞ROS平臺開發(fā)機器人的難度，并依據(jù)測試床“DDS+蜂窩無線” 優(yōu)異的分布式控制與通信架構(gòu)，提升所開發(fā)機器人的性能和場景匹配度。
測試床針對多種ROS機器人（如服務(wù)型機器人、導(dǎo)覽機器人、工業(yè)機器人等）在無人商店、自動化倉儲、以及工業(yè)工廠等場景提供應(yīng)用案例，以呼應(yīng)中國制造2025主要任務(wù)中“推進工業(yè)機器人向中高端邁進”的要求，同時聚焦智能生產(chǎn)、智能物流，攻克工業(yè)機器人關(guān)鍵技術(shù)，提升可操作性和可維護性，以及著力推進應(yīng)用示范，重點針對需求量大、環(huán)境要求高、勞動強度大的工業(yè)領(lǐng)域，實現(xiàn)一批效果突出、帶動性強、關(guān)聯(lián)度高的典型行業(yè)應(yīng)用示范項目。通過測試床的示范和虹吸效應(yīng)，還能聚攏ROS機器人領(lǐng)域國內(nèi)優(yōu)秀的產(chǎn)、學(xué)、研資源，促進國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康快速發(fā)展，對于推動工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，加快制造強國建設(shè)，改善人民生活水平具有重要意義。
6 測試床技術(shù)可行性
本測試床技術(shù)方案主要針對ROS機器人應(yīng)用于機器人產(chǎn)業(yè)、工業(yè)工廠、自動化倉儲以及無人商店等不同場景領(lǐng)域，將與控制與通信相關(guān)的部分以無線通用平臺的方式進行標準化和通用化。以工業(yè)工廠為例，利用此通用平臺實現(xiàn)周邊設(shè)備及機器人實時相互協(xié)作，從而使得整個應(yīng)用作業(yè)實現(xiàn)無人協(xié)作全自動化運營的能力狀態(tài)。測試床整套系統(tǒng)具體分為三大部分(見下圖1)： 分別是eLTE無線蜂窩技術(shù)為主的網(wǎng)絡(luò)層、ROS2工業(yè)級規(guī)格的控制器平臺層及面向不同應(yīng)用場景的業(yè)務(wù)應(yīng)用層。三層之間通過：1）華為 eLTE 工業(yè)級無線通信系統(tǒng)與DDS中間層融合對接；2）DDS中間層與ROS 2工廠設(shè)備的整合；3）ROS2設(shè)備或機器人和eLTE工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)整套導(dǎo)入工廠等三個方面的組合來實現(xiàn)測試床的應(yīng)用孵化和創(chuàng)新落地。
圖1：測試床整體系統(tǒng)架構(gòu)圖
6.1 物理平臺
ROS機器人控制與通信平臺測試床的物理平臺主要包括：
基于華為eLTE蜂窩無線專網(wǎng)設(shè)備和通信模塊的網(wǎng)絡(luò)層（前期采用5.8G免授權(quán)頻譜的eLTE-U網(wǎng)絡(luò)方案，后階段再引入基于5G技術(shù)的NR-U的網(wǎng)絡(luò)方案），eLTE-U是一種在免授權(quán)頻譜上使用LTE的無線寬帶接入技術(shù)，eLTE-U結(jié)合了LTE的高性能與Wi-Fi易部署的特點，相比Wi-Fi和微波技術(shù)，具備覆蓋距離遠、抗干擾能力強、移動性強、用戶容量大、安全性和可靠性更高的特點，在承載機器人的控制和通信上有天然的性能優(yōu)勢。
基于凌華公司工控機的ROS2機器人控制器硬件平臺。此控制器以ROS2機器人操作系統(tǒng)作為控制器的中間件，使得機器人及工廠設(shè)備開發(fā)人員可以引用ROS2豐富的開源應(yīng)用程序進行開發(fā)，實現(xiàn)工廠間設(shè)備順暢溝通，在確保安全性的前提下，實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備的即時資料共享，并保證軟硬件綜合運作后的實時性和可靠度，藉此實現(xiàn)各種智能制造應(yīng)用場景。此控制器同時將支持AI運算平臺(Nvidia GPU CUDA, Intel VPU AI)，可加速機器人的運算，對于機器人的影像識別(服務(wù)機器人之人形識別、工業(yè)機器人之AOI)有很大的幫助，且能夠?qū)⒂?xùn)練好的模型直接施行于這些運算平臺上。另外，本控制器還將整合AI運算套件至ROS2，未來結(jié)合收集產(chǎn)線大數(shù)據(jù)進行分析，可應(yīng)用AI技術(shù)持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)線機器，提升生產(chǎn)控制智能化程度。
采用上述硬件平臺開發(fā)的ROS2機器人等行業(yè)設(shè)備（如凌華的DDSBot、倉儲AGV、各類型服務(wù)機器人等），結(jié)合業(yè)務(wù)場景導(dǎo)入工廠轉(zhuǎn)型。如下圖2未來工廠的情景展示：客戶從遠端下訂單，經(jīng)過云端的資源管理系統(tǒng)，連接上IT系統(tǒng)，連接工廠端智能制造設(shè)備、各式移動機器人投產(chǎn)……UAV取件，AGV搬運與自動倉儲，都在無人化或人機協(xié)助環(huán)境下完成。
圖2 ROS2導(dǎo)入工廠轉(zhuǎn)型情境示意圖
6.2 軟件平臺
本測試床的軟件平臺主要包括：
實現(xiàn)蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)與終端模塊之間無線通信的eLTE-U空口協(xié)議軟件和后續(xù)的NR-U空口協(xié)議軟件，和在無線空口協(xié)議之上實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的UDP/TCP、IP等協(xié)議軟件，提供機器人環(huán)境檢測和操作控制的無線通信承載；
位于ROS2標準API之下，實現(xiàn)機器人D2D分布式通信的DDS協(xié)議軟件和通信協(xié)議軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集點到控制終端之間點對點或點到多點的通信和控制。
圖3：測試床軟件平臺及接口協(xié)議
開源的ROS2的標準API軟件平臺：ROS是一成立于美國的OSRF(Open Source Robotics Foundation)開源組織所提出的設(shè)計架構(gòu)，適用于機器人的開源作業(yè)系統(tǒng)，ROS2是其第2代開發(fā)平臺，具有共通的架構(gòu)和相通的語言，開發(fā)者可以在ROS2平臺溝通設(shè)計內(nèi)容，并具有如下幾個方面的優(yōu)勢：
? 提供了作業(yè)系統(tǒng)應(yīng)有的服務(wù)，包括硬件抽象，底層設(shè)備控制，常用函數(shù)的實現(xiàn)，進程間消息傳遞及包管理，且因開源的關(guān)系，它也提供用于獲取、編譯、編寫和跨計算機運行代碼所需的工具和庫函數(shù)，使開發(fā)者可進行快速開發(fā)。
? 主要目標是為機器人研究和開發(fā)提供代碼復(fù)用的支持，因此所有的工程都可以被ROS的基礎(chǔ)工具整合在一起，可快速復(fù)制至不同的應(yīng)用場景中。
? ROS2針對設(shè)備之間的資料分發(fā)和設(shè)備控制、設(shè)備和云端的資料傳輸?shù)龋哂邢喈敻叩钠ヅ涠龋瑫r資料分發(fā)的即時效率非常高，能做到秒級內(nèi)同時分發(fā)百萬條消息到眾多設(shè)備。智能工廠將持續(xù)引入大量裝備及資料，可通過ROS2定義好資料格式，使用統(tǒng)一的流通格式，將工廠的靜態(tài)設(shè)備及移動裝備(AGV/AMR)、甚至傳感器進行實時相互聯(lián)網(wǎng)與協(xié)作溝通。
圖4 ROS 2是離散式與自主式機器人的開源作業(yè)系統(tǒng)
6.3 軟件開發(fā)和環(huán)境模擬
參與測試床的機器人開發(fā)者合作伙伴可以聚焦在ROS系統(tǒng)的軟件開發(fā)，承載控制和通信功能的軟、硬件分別由測試床發(fā)起單位凌華和華為提供，凌華上海張江實驗室和華為Openlab實驗室提供實際的eLTE-U（后續(xù)NR-U）網(wǎng)絡(luò)及ROS2平臺測試環(huán)境（開發(fā)者也可以登錄華為官網(wǎng)eLTE開發(fā)者社區(qū)獲取技術(shù)支持），測試床合作伙伴集成華為eLTE蜂窩無線模塊和凌華的機器人控制器開發(fā)ROS2機器人，在凌華張江實驗室或華為Openlab實驗室進行測試和驗證對接。
圖5：上海凌華張江實驗室ROS2機器人無線通信平臺測試環(huán)境
7 和AII技術(shù)的關(guān)系
7.1 AII總體架構(gòu)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)AII參考架構(gòu)（見下圖6A）由物理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、安全、應(yīng)用及用戶組成，ROS機器人無線通用平臺測試床各層在參考架構(gòu)中的映射如下圖6B所示，主要覆蓋其中的網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和應(yīng)用，驗證其與AII體系架構(gòu)的符合度及運行效果。網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)機器人控制的通信承載基礎(chǔ)，通過基于5.8G免授權(quán)頻譜的eLTE-U技術(shù)，在凌華公司展示和測試實驗室部署工業(yè)級eLTE-U無線互聯(lián)網(wǎng)，在凌華的機器人控制器內(nèi)嵌入無線通信模塊，滿足ROS機器人與后臺控制系統(tǒng)的通信交互。數(shù)據(jù)：測試床有效整合ROS2及eLTE工業(yè)級無線通訊，實現(xiàn)工廠內(nèi)各設(shè)備及部件的緊密連結(jié)，工廠內(nèi)的機器、傳感器及制動器等設(shè)施利用eLTE無線通信系統(tǒng)及ROS2底層的通訊協(xié)議傳輸資料、數(shù)據(jù)或指令，使得分布在工廠各處的機器、工具、電腦、設(shè)備等硬件都能流暢地執(zhí)行任務(wù)。應(yīng)用：服務(wù)機器人、工業(yè)工廠以及自動化倉儲等場景下ROS2機器人或智能設(shè)備通過eLTE無線網(wǎng)絡(luò)承載通信控制下的各種各樣的智能化應(yīng)用。
圖6A
圖6B
7.2 AII安全
安全是AII參考架構(gòu)中的重要組成部分，ROS機器人無線通用平臺測試床團隊將對測試床中潛在的漏洞進行針對性分析，測試床所采用的安全協(xié)議和策略，如加密和解密、認證、權(quán)限控制與授權(quán)以及IP安全將遵循相關(guān)標準。與本測試床相關(guān)可能的安全風險如下：
物理安全（設(shè)備被物理攻擊甚至破壞）
? ROS2控制器設(shè)備，eLTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，ROS2控制及應(yīng)用服務(wù)器等
2. 通信安全（數(shù)據(jù)在通信過程中被修改或截獲）
ROS2控制器與基站之間無線通訊
eLTE基站與核心網(wǎng)之間有線通訊
eLTE核心網(wǎng)與應(yīng)用服務(wù)器之間有線通訊
3. 數(shù)據(jù)安全（數(shù)據(jù)篡改，丟失及保密性）
eLTE網(wǎng)絡(luò)平臺數(shù)據(jù)
應(yīng)用層服務(wù)器
4. 系統(tǒng)安全（非法用戶或設(shè)備的攻擊，網(wǎng)絡(luò)攻擊）
對所連數(shù)據(jù)交換承載網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊
應(yīng)對措施如下表所示:
7.3 詳細清單
測試床所涉及的具體組件清單如下表所示：
7.4 風險模型
本測試床安全相關(guān)最關(guān)鍵部件包括ROS2的控制器、eLTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和ROS業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器，可能的風險如下（更詳細的風險模型文檔將參考安全框架，在安全組的指導(dǎo)下在實施階段輸出）：
（1） 網(wǎng)絡(luò)通信安全： 數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)通信過程中被修改或截獲，包括感知終端與網(wǎng)關(guān)、 網(wǎng)關(guān)與平臺、 平臺與應(yīng)用、 應(yīng)用與用戶之間等。
（2）數(shù)據(jù)安全：包括數(shù)據(jù)篡改、丟失。
（3）系統(tǒng)安全：非法用戶或設(shè)備的攻擊、網(wǎng)絡(luò)攻擊。
7.5 安全聯(lián)系人
華為:張騰翼 zhangtengyi@huawei.com
7.6 與已存在AII測試床的關(guān)系
新增機器人控制與通信平臺類水平測試床，與現(xiàn)有測試床無重復(fù)。
8 交付件
階段1：需求分析
目標：
? 根據(jù)ROS2目前使用案例確定需求和適用條件。
交付件：
? ROS機器人無線通用平臺測試床需求說明文檔。
成功標準：
? 文檔完成并通過評審。
階段2：示範平臺初始測試床設(shè)計
目標：
? 確定ROS機器人無線通用平臺測試床架構(gòu)的技術(shù)細節(jié)；
? 針對應(yīng)用案例提出定制化的解決方案；
交付件：
? ROS機器人無線通用平臺測試床設(shè)計文檔；
? ROS機器人無線通用平臺測試床測試方案；
? ROS機器人無線通用平臺測試床網(wǎng)絡(luò)安全測試方案；
? 評估方案的業(yè)務(wù)活用性與安全情況。
成功標準：
? 文檔完成并通過評審。
階段3：示范平臺測試床開發(fā)
目標：
? 開發(fā)并集成ROS機器人無線通用平臺測試床的各個部分功能模組；
? 說明驗證示范平臺的真題運作流程。
交付件：
? 測試報告：說明測試床的操作流程；
? 提議可復(fù)制的改造流程。
成功標準：
? 測試床部署鑒定完成。
階段4：部署及驗證
目標：
? 實際場景部署測試床；
? 驗證測試床的市場價值。
交付件：
? 評估報告：評估部署的實效性；
? 優(yōu)化可復(fù)制的改造流程；
? 可復(fù)制改造流程的商業(yè)案例。
成功標準：
? 完成可復(fù)制流程更廣泛部署的鑒定。
9 測試床使用者
歡迎涉及機器人產(chǎn)業(yè)、工廠自動化、倉儲系統(tǒng)與無人商店相關(guān)的AII成員企業(yè)參與本測試床項目。唯本示范驗證平臺初始階段將開放給項目合作伙伴開展技術(shù)試驗，后期示范驗證平臺團隊將根據(jù)企業(yè)應(yīng)用場景相關(guān)性增加更多的合作伙伴。
10 知識產(chǎn)權(quán)說明
華為公司配合凌華科技股份有限公司完成本測試床的建設(shè)，后者對本測試床擁有運營和使用產(chǎn)權(quán)，雙方將就知識產(chǎn)權(quán)管理達成一致原則。這些原則將細化規(guī)則以確保盡可能廣泛的傳播應(yīng)用案例方案結(jié)果，同時保證妥善保護知識產(chǎn)權(quán)和保密信息。此原則將針對以下幾點詳細說明通用規(guī)則：
? 保密和出版規(guī)范
? 知識產(chǎn)權(quán)報告和糾紛解決機制
? 發(fā)表專利和授權(quán)許可的權(quán)利
? 共同所有權(quán)問題及訪問權(quán)限
11 部署，操作和訪問使用
本測試床將主要部署在上海浦東張江凌華公司，并與華為建設(shè)聯(lián)合實驗室和驗證展示環(huán)境，此驗證展示環(huán)境將由凌華公司負責統(tǒng)一運營管理，并與凌華科技提供的相關(guān)運動控制卡及相關(guān)設(shè)備整合在一起，提供給凌華科技目前在臺灣正在執(zhí)行的計劃使用，同時本測試床未來亦可提供給相關(guān)的合作廠商如上海INTEL、北斗創(chuàng)新中心以及中國的ROS機器人公司、AGV廠家使用。
12 資金
測試床展示及測試環(huán)境由凌華公司提供并承擔相應(yīng)的運營管理費用。
13 時間軸
階段1 (2018 H1): 需求分析
ü 根據(jù)ROS2 目前市場需求和適用條件
ü 分析潛在業(yè)務(wù)融合需求
階段2(2018 H2): 示范平臺初始測試床設(shè)計
ü 確定ROS機器人無線通用平臺測試床架構(gòu)的技術(shù)細向
ü 針對使用案例提出ROS機器人無線通用平臺業(yè)務(wù)融合解決方案
ü 提供平臺的設(shè)計方案.
階段3 (2018 H2): 示范平臺測試床開發(fā)
ü 開發(fā)并集成ROS機器人無線通用平臺測試床的各個部分功能模塊
ü 裝配模塊到測試床相關(guān)系統(tǒng)
ü 提供示范平臺的整體運作流程
階段4(2019 H1): 部署及驗證
ü 實際在上海浦東張江凌華公司部署驗證示范平臺
ü 驗證示范平臺的市場價值
ü 實地操作并驗證示范平臺
聲明
本報告所載的材料和信息，包括但不限于文本、圖片、數(shù)據(jù)、觀點、建議，不構(gòu)成法律建議，也不應(yīng)替代律師意見。本報告所有材料或內(nèi)容的知識產(chǎn)權(quán)歸工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟所有（注明是引自其他方的內(nèi)容除外），并受法律保護。如需轉(zhuǎn)載，需聯(lián)系本聯(lián)盟并獲得授權(quán)許可。未經(jīng)授權(quán)許可，任何人不得將報告的全部或部分內(nèi)容以發(fā)布、轉(zhuǎn)載、匯編、轉(zhuǎn)讓、出售等方式使用，不得將報告的全部或部分內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)方式傳播，不得在任何公開場合使用報告內(nèi)相關(guān)描述及相關(guān)數(shù)據(jù)圖表。違反上述聲明者，本聯(lián)盟將追究其相關(guān)法律責任。
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