1       測試床名稱

ROS機(jī)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(biāo)和概述

本測試床的基本目標(biāo)1）是綜合運(yùn)用最新的機(jī)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(gè)圍繞ROS機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在控制與通信領(lǐng)域的通用平臺，測試驗(yàn)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(chǔ)/無人商店/機(jī)器人看護(hù)等多場景機(jī)器人應(yīng)用，使周邊設(shè)備及機(jī)器人實(shí)時(shí)相互協(xié)調(diào)工作，推動(dòng)ROS機(jī)器人在各場景下的全過程智能化應(yīng)用。2）是開展ROS機(jī)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(dòng)作用，吸引研究院所、大專院校及機(jī)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(dòng)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(dòng)國內(nèi)機(jī)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(jìn)程。

5       預(yù)期成果

5.1      商業(yè)價(jià)值

ROS機(jī)器人無線通用平臺測試床為基于ROS2開源系統(tǒng)的機(jī)器人領(lǐng)域從業(yè)者和使用者提供標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的機(jī)器人控制和無線通信承載方案。

1. 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(jī)器人作業(yè)的精確控制和穩(wěn)定運(yùn)行，提高機(jī)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)）。

2. 引入機(jī)器人控制的分布式架構(gòu)，提升機(jī)器人控制的效率和業(yè)務(wù)靈活性，進(jìn)一步豐富機(jī)器人的業(yè)務(wù)使用場景和領(lǐng)域，帶動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)的持續(xù)更新升級。

3. 擴(kuò)展ROS、DDS技術(shù)和蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)及工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的業(yè)務(wù)應(yīng)用，為機(jī)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(kuò)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(jì)效益

本測試床的經(jīng)濟(jì)效益一方面在于簡化機(jī)器人從業(yè)者對機(jī)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(jī)器人研發(fā)效率，使得機(jī)器人開發(fā)從業(yè)者可以將資源更多地聚焦在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)更前端的人工智能、感知與識別、機(jī)器和驅(qū)動(dòng)、業(yè)務(wù)和應(yīng)用等領(lǐng)域，驅(qū)動(dòng)我國機(jī)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(huì)效率的提升，以工業(yè)領(lǐng)域ROS機(jī)器人的使用為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)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(shí)時(shí)分散式運(yùn)算，可降低工業(yè)機(jī)器人的誤操作發(fā)生概率（預(yù)期可下降20%以上），且因?yàn)楣S使用該平臺達(dá)到幾乎全自動(dòng)作業(yè)，可保障人身安全，預(yù)期可降低15%的運(yùn)維成本，提升15%的工作效率。

5.3      社會(huì)價(jià)值

工業(yè)機(jī)器人是先進(jìn)制造業(yè)的關(guān)鍵支撐裝備，服務(wù)機(jī)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(jī)器人，還是在非制造環(huán)境下應(yīng)用的服務(wù)機(jī)器人，已經(jīng)憑借開源成長為產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)的ROS機(jī)器人平臺都有涉足，本測試床立足于構(gòu)建ROS2機(jī)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(jī)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(jī)器人的性能和場景匹配度。
測試床針對多種ROS機(jī)器人（如服務(wù)型機(jī)器人、導(dǎo)覽機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人等）在無人商店、自動(dòng)化倉儲(chǔ)、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(jìn)工業(yè)機(jī)器人向中高端邁進(jìn)”的要求，同時(shí)聚焦智能生產(chǎn)、智能物流，攻克工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)，提升可操作性和可維護(hù)性，以及著力推進(jìn)應(yīng)用示范，重點(diǎn)針對需求量大、環(huán)境要求高、勞動(dòng)強(qiáng)度大的工業(yè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)一批效果突出、帶動(dòng)性強(qiáng)、關(guān)聯(lián)度高的典型行業(yè)應(yīng)用示范項(xiàng)目。通過測試床的示范和虹吸效應(yīng)，還能聚攏ROS機(jī)器人領(lǐng)域國內(nèi)優(yōu)秀的產(chǎn)、學(xué)、研資源，促進(jìn)國內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康快速發(fā)展，對于推動(dòng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，加快制造強(qiáng)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(jī)器人應(yīng)用于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)、工業(yè)工廠、自動(dòng)化倉儲(chǔ)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。以工業(yè)工廠為例，利用此通用平臺實(shí)現(xiàn)周邊設(shè)備及機(jī)器人實(shí)時(shí)相互協(xié)作，從而使得整個(gè)應(yīng)用作業(yè)實(shí)現(xiàn)無人協(xié)作全自動(dòng)化運(yùn)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(jī)器人和eLTE工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)整套導(dǎo)入工廠等三個(gè)方面的組合來實(shí)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(jī)器人控制與通信平臺測試床的物理平臺主要包括：

1. 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(diǎn)，相比Wi-Fi和微波技術(shù)，具備覆蓋距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、移動(dòng)性強(qiáng)、用戶容量大、安全性和可靠性更高的特點(diǎn)，在承載機(jī)器人的控制和通信上有天然的性能優(yōu)勢。

2. 基于凌華公司工控機(jī)的ROS2機(jī)器人控制器硬件平臺。此控制器以ROS2機(jī)器人操作系統(tǒng)作為控制器的中間件，使得機(jī)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(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)工廠間設(shè)備順暢溝通，在確保安全性的前提下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備的即時(shí)資料共享，并保證軟硬件綜合運(yùn)作后的實(shí)時(shí)性和可靠度，藉此實(shí)現(xiàn)各種智能制造應(yīng)用場景。此控制器同時(shí)將支持AI運(yùn)算平臺(Nvidia GPU CUDA, Intel VPU AI)，可加速機(jī)器人的運(yùn)算，對于機(jī)器人的影像識別(服務(wù)機(jī)器人之人形識別、工業(yè)機(jī)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(yùn)算平臺上。另外，本控制器還將整合AI運(yùn)算套件至ROS2，未來結(jié)合收集產(chǎn)線大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可應(yīng)用AI技術(shù)持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)線機(jī)器，提升生產(chǎn)控制智能化程度。

3. 采用上述硬件平臺開發(fā)的ROS2機(jī)器人等行業(yè)設(shè)備（如凌華的DDSBot、倉儲(chǔ)AGV、各類型服務(wù)機(jī)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(yuǎn)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(dòng)機(jī)器人投產(chǎn)……UAV取件，AGV搬運(yùn)與自動(dòng)倉儲(chǔ)，都在無人化或人機(jī)協(xié)助環(huán)境下完成。

4. 
   

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：

1. 實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的UDP/TCP、IP等協(xié)議軟件，提供機(jī)器人環(huán)境檢測和操作控制的無線通信承載；

2. 位于ROS2標(biāo)準(zhǔn)API之下，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人D2D分布式通信的DDS協(xié)議軟件和通信協(xié)議軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)到控制終端之間點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)的通信和控制。

圖3：測試床軟件平臺及接口協(xié)議
 

1. 開源的ROS2的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)架構(gòu)，適用于機(jī)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(jì)內(nèi)容，并具有如下幾個(gè)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(shí)現(xiàn)，進(jìn)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(jì)算機(jī)運(yùn)行代碼所需的工具和庫函數(shù)，使開發(fā)者可進(jìn)行快速開發(fā)。
?  主要目標(biāo)是為機(jī)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)?，具有相?dāng)高的匹配度，同時(shí)資料分發(fā)的即時(shí)效率非常高，能做到秒級內(nèi)同時(shí)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(dòng)裝備(AGV/AMR)、甚至傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)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(jī)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(shí)驗(yàn)室和華為Openlab實(shí)驗(yàn)室提供實(shí)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(jī)器人控制器開發(fā)ROS2機(jī)器人，在凌華張江實(shí)驗(yàn)室或華為Openlab實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試和驗(yàn)證對接。

圖5：上海凌華張江實(shí)驗(yàn)室ROS2機(jī)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(jī)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(yàn)證其與AII體系架構(gòu)的符合度及運(yùn)行效果。網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)機(jī)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(shí)驗(yàn)室部署工業(yè)級eLTE-U無線互聯(lián)網(wǎng)，在凌華的機(jī)器人控制器內(nèi)嵌入無線通信模塊，滿足ROS機(jī)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(shí)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(jī)器、傳感器及制動(dòng)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(jī)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(jī)器人、工業(yè)工廠以及自動(dòng)化倉儲(chǔ)等場景下ROS2機(jī)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(jī)器人無線通用平臺測試床團(tuán)隊(duì)將對測試床中潛在的漏洞進(jìn)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(rèn)證、權(quán)限控制與授權(quán)以及IP安全將遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。與本測試床相關(guān)可能的安全風(fēng)險(xiǎn)如下：

1. 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(jī)器人無線通用平臺測試床

1       測試床名稱

ROS機(jī)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(biāo)和概述

本測試床的基本目標(biāo)1）是綜合運(yùn)用最新的機(jī)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(gè)圍繞ROS機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在控制與通信領(lǐng)域的通用平臺，測試驗(yàn)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(chǔ)/無人商店/機(jī)器人看護(hù)等多場景機(jī)器人應(yīng)用，使周邊設(shè)備及機(jī)器人實(shí)時(shí)相互協(xié)調(diào)工作，推動(dòng)ROS機(jī)器人在各場景下的全過程智能化應(yīng)用。2）是開展ROS機(jī)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(dòng)作用，吸引研究院所、大專院校及機(jī)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(dòng)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(dòng)國內(nèi)機(jī)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(jìn)程。

5       預(yù)期成果

5.1      商業(yè)價(jià)值

ROS機(jī)器人無線通用平臺測試床為基于ROS2開源系統(tǒng)的機(jī)器人領(lǐng)域從業(yè)者和使用者提供標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的機(jī)器人控制和無線通信承載方案。

1. 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(jī)器人作業(yè)的精確控制和穩(wěn)定運(yùn)行，提高機(jī)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)）。

2. 引入機(jī)器人控制的分布式架構(gòu)，提升機(jī)器人控制的效率和業(yè)務(wù)靈活性，進(jìn)一步豐富機(jī)器人的業(yè)務(wù)使用場景和領(lǐng)域，帶動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)的持續(xù)更新升級。

3. 擴(kuò)展ROS、DDS技術(shù)和蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)及工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的業(yè)務(wù)應(yīng)用，為機(jī)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(kuò)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(jì)效益

本測試床的經(jīng)濟(jì)效益一方面在于簡化機(jī)器人從業(yè)者對機(jī)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(jī)器人研發(fā)效率，使得機(jī)器人開發(fā)從業(yè)者可以將資源更多地聚焦在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)更前端的人工智能、感知與識別、機(jī)器和驅(qū)動(dòng)、業(yè)務(wù)和應(yīng)用等領(lǐng)域，驅(qū)動(dòng)我國機(jī)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(huì)效率的提升，以工業(yè)領(lǐng)域ROS機(jī)器人的使用為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)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(shí)時(shí)分散式運(yùn)算，可降低工業(yè)機(jī)器人的誤操作發(fā)生概率（預(yù)期可下降20%以上），且因?yàn)楣S使用該平臺達(dá)到幾乎全自動(dòng)作業(yè)，可保障人身安全，預(yù)期可降低15%的運(yùn)維成本，提升15%的工作效率。

5.3      社會(huì)價(jià)值

工業(yè)機(jī)器人是先進(jìn)制造業(yè)的關(guān)鍵支撐裝備，服務(wù)機(jī)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(jī)器人，還是在非制造環(huán)境下應(yīng)用的服務(wù)機(jī)器人，已經(jīng)憑借開源成長為產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)的ROS機(jī)器人平臺都有涉足，本測試床立足于構(gòu)建ROS2機(jī)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(jī)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(jī)器人的性能和場景匹配度。
測試床針對多種ROS機(jī)器人（如服務(wù)型機(jī)器人、導(dǎo)覽機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人等）在無人商店、自動(dòng)化倉儲(chǔ)、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(jìn)工業(yè)機(jī)器人向中高端邁進(jìn)”的要求，同時(shí)聚焦智能生產(chǎn)、智能物流，攻克工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)，提升可操作性和可維護(hù)性，以及著力推進(jìn)應(yīng)用示范，重點(diǎn)針對需求量大、環(huán)境要求高、勞動(dòng)強(qiáng)度大的工業(yè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)一批效果突出、帶動(dòng)性強(qiáng)、關(guān)聯(lián)度高的典型行業(yè)應(yīng)用示范項(xiàng)目。通過測試床的示范和虹吸效應(yīng)，還能聚攏ROS機(jī)器人領(lǐng)域國內(nèi)優(yōu)秀的產(chǎn)、學(xué)、研資源，促進(jìn)國內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康快速發(fā)展，對于推動(dòng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，加快制造強(qiáng)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(jī)器人應(yīng)用于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)、工業(yè)工廠、自動(dòng)化倉儲(chǔ)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。以工業(yè)工廠為例，利用此通用平臺實(shí)現(xiàn)周邊設(shè)備及機(jī)器人實(shí)時(shí)相互協(xié)作，從而使得整個(gè)應(yīng)用作業(yè)實(shí)現(xiàn)無人協(xié)作全自動(dòng)化運(yùn)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(jī)器人和eLTE工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)整套導(dǎo)入工廠等三個(gè)方面的組合來實(shí)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(jī)器人控制與通信平臺測試床的物理平臺主要包括：

1. 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(diǎn)，相比Wi-Fi和微波技術(shù)，具備覆蓋距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、移動(dòng)性強(qiáng)、用戶容量大、安全性和可靠性更高的特點(diǎn)，在承載機(jī)器人的控制和通信上有天然的性能優(yōu)勢。

2. 基于凌華公司工控機(jī)的ROS2機(jī)器人控制器硬件平臺。此控制器以ROS2機(jī)器人操作系統(tǒng)作為控制器的中間件，使得機(jī)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(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)工廠間設(shè)備順暢溝通，在確保安全性的前提下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備的即時(shí)資料共享，并保證軟硬件綜合運(yùn)作后的實(shí)時(shí)性和可靠度，藉此實(shí)現(xiàn)各種智能制造應(yīng)用場景。此控制器同時(shí)將支持AI運(yùn)算平臺(Nvidia GPU CUDA, Intel VPU AI)，可加速機(jī)器人的運(yùn)算，對于機(jī)器人的影像識別(服務(wù)機(jī)器人之人形識別、工業(yè)機(jī)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(yùn)算平臺上。另外，本控制器還將整合AI運(yùn)算套件至ROS2，未來結(jié)合收集產(chǎn)線大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可應(yīng)用AI技術(shù)持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)線機(jī)器，提升生產(chǎn)控制智能化程度。

3. 采用上述硬件平臺開發(fā)的ROS2機(jī)器人等行業(yè)設(shè)備（如凌華的DDSBot、倉儲(chǔ)AGV、各類型服務(wù)機(jī)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(yuǎn)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(dòng)機(jī)器人投產(chǎn)……UAV取件，AGV搬運(yùn)與自動(dòng)倉儲(chǔ)，都在無人化或人機(jī)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：

1. 實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的UDP/TCP、IP等協(xié)議軟件，提供機(jī)器人環(huán)境檢測和操作控制的無線通信承載；

2. 位于ROS2標(biāo)準(zhǔn)API之下，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人D2D分布式通信的DDS協(xié)議軟件和通信協(xié)議軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)到控制終端之間點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)的通信和控制。

圖3：測試床軟件平臺及接口協(xié)議
 

1. 開源的ROS2的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)架構(gòu)，適用于機(jī)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(jì)內(nèi)容，并具有如下幾個(gè)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(shí)現(xiàn)，進(jìn)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(jì)算機(jī)運(yùn)行代碼所需的工具和庫函數(shù)，使開發(fā)者可進(jìn)行快速開發(fā)。
?  主要目標(biāo)是為機(jī)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?dāng)高的匹配度，同時(shí)資料分發(fā)的即時(shí)效率非常高，能做到秒級內(nèi)同時(shí)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(dòng)裝備(AGV/AMR)、甚至傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)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(jī)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(shí)驗(yàn)室和華為Openlab實(shí)驗(yàn)室提供實(shí)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(jī)器人控制器開發(fā)ROS2機(jī)器人，在凌華張江實(shí)驗(yàn)室或華為Openlab實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試和驗(yàn)證對接。

圖5：上海凌華張江實(shí)驗(yàn)室ROS2機(jī)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(jī)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(yàn)證其與AII體系架構(gòu)的符合度及運(yùn)行效果。網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)機(jī)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(shí)驗(yàn)室部署工業(yè)級eLTE-U無線互聯(lián)網(wǎng)，在凌華的機(jī)器人控制器內(nèi)嵌入無線通信模塊，滿足ROS機(jī)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(shí)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(jī)器、傳感器及制動(dòng)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(jī)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(jī)器人、工業(yè)工廠以及自動(dòng)化倉儲(chǔ)等場景下ROS2機(jī)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(jī)器人無線通用平臺測試床團(tuán)隊(duì)將對測試床中潛在的漏洞進(jìn)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(rèn)證、權(quán)限控制與授權(quán)以及IP安全將遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。與本測試床相關(guān)可能的安全風(fēng)險(xiǎn)如下：

1. 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(xì)清單

測試床所涉及的具體組件清單如下表所示：

7.4      風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)如下（更詳細(xì)的風(fēng)險(xiǎn)模型文檔將參考安全框架，在安全組的指導(dǎo)下在實(shí)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(jī)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(biāo)：
?         根據(jù)ROS2目前使用案例確定需求和適用條件。

交付件：
?         ROS機(jī)器人無線通用平臺測試床需求說明文檔。

成功標(biāo)準(zhǔn)：
?         文檔完成并通過評審。

階段2：示範(fàn)平臺初始測試床設(shè)計(jì)
目標(biāo)：
?         確定ROS機(jī)器人無線通用平臺測試床架構(gòu)的技術(shù)細(xì)節(jié)；
?         針對應(yīng)用案例提出定制化的解決方案；

交付件：
?         ROS機(jī)器人無線通用平臺測試床設(shè)計(jì)文檔；
?         ROS機(jī)器人無線通用平臺測試床測試方案；
?         ROS機(jī)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(biāo)準(zhǔn)：
?         文檔完成并通過評審。

階段3：示范平臺測試床開發(fā)
目標(biāo)：
?         開發(fā)并集成ROS機(jī)器人無線通用平臺測試床的各個(gè)部分功能模組；
?         說明驗(yàn)證示范平臺的真題運(yùn)作流程。
交付件：
?         測試報(bào)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(biāo)準(zhǔn)：
?         測試床部署鑒定完成。

階段4：部署及驗(yàn)證
目標(biāo)：
?         實(shí)際場景部署測試床；
?         驗(yàn)證測試床的市場價(jià)值。
交付件：
?         評估報(bào)告：評估部署的實(shí)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(biāo)準(zhǔn)：
?         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(jī)器人產(chǎn)業(yè)、工廠自動(dòng)化、倉儲(chǔ)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(xiàng)目。唯本示范驗(yàn)證平臺初始階段將開放給項(xiàng)目合作伙伴開展技術(shù)試驗(yàn)，后期示范驗(yàn)證平臺團(tuán)隊(duì)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(yùn)營和使用產(chǎn)權(quán)，雙方將就知識產(chǎn)權(quán)管理達(dá)成一致原則。這些原則將細(xì)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(shí)保證妥善保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)和保密信息。此原則將針對以下幾點(diǎn)詳細(xì)說明通用規(guī)則：
?         保密和出版規(guī)范
?         知識產(chǎn)權(quán)報(bào)告和糾紛解決機(jī)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(shí)驗(yàn)室和驗(yàn)證展示環(huán)境，此驗(yàn)證展示環(huán)境將由凌華公司負(fù)責(zé)統(tǒng)一運(yùn)營管理，并與凌華科技提供的相關(guān)運(yùn)動(dòng)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(jì)劃使用，同時(shí)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(jī)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(dān)相應(yīng)的運(yùn)營管理費(fèi)用。

13   時(shí)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(jì)
ü  確定ROS機(jī)器人無線通用平臺測試床架構(gòu)的技術(shù)細(xì)向
ü  針對使用案例提出ROS機(jī)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(jì)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(jī)器人無線通用平臺測試床的各個(gè)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(yùn)作流程

階段4(2019 H1): 部署及驗(yàn)證
ü  實(shí)際在上海浦東張江凌華公司部署驗(yàn)證示范平臺
ü  驗(yàn)證示范平臺的市場價(jià)值
ü   實(shí)地操作并驗(yàn)證示范平臺