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淺談機器人操作系統(tǒng)的演進升級

自20世紀80年代以來，軍用機器人逐漸得到廣泛應用，美軍的 “劍”、“魔爪”，俄軍的“平臺”、“阿爾戈”等機器人在走向硝煙彌漫的戰(zhàn)場后聲名大噪，助力一線作戰(zhàn)部隊效果顯著。如今，人們通常熟知這些戰(zhàn)爭“怪物”，而對于控制這些軍用機器人的“幕后英雄”——機器人操作系統(tǒng)，卻鮮有關(guān)注。一、應運而生，演進升級本世紀初，伴隨著機器人領(lǐng)域的快速發(fā)展和復雜化升級，程序代碼的復用性和模塊化需求日趨強烈，機器人行業(yè)中硬件的非標準化生產(chǎn)、軟件的編程代碼不通用等問題漸次凸顯，從實用性角度來看，機器人發(fā)揮作用的關(guān)鍵在于具備適應多樣復雜任務與環(huán)境的能力，而這一任務并非一己之功能夠完成的。歸結(jié)起來，機器人行業(yè)的發(fā)展應用需要可靠通用的軟件與標準化高效生產(chǎn)的硬件，由此，機器人操作系統(tǒng)應運而生。機器人操作系統(tǒng)是編寫機器人軟件的靈活框架，是用于機器人的一種開源操作系統(tǒng)或次級操作系統(tǒng)，提供了一系列工具程序和庫用于獲取、建立、編寫和運行多機整合的程序和工具，提供的功能包括硬件抽象描述、共用功能執(zhí)行、設(shè)備驅(qū)動、函數(shù)庫、可視化工具、消息傳遞和軟件包管理等等，其設(shè)計目標在于提高機器人研發(fā)代碼的復用率，簡化多種機器人平臺之間創(chuàng)建復雜性和魯棒性機器人行為的任務量。當前最通用的機器人三大操作系統(tǒng)為Ubuntu系統(tǒng)、Android系統(tǒng)和ROS（Robot Operating System）系統(tǒng)，其中Android系統(tǒng)使用率最高，而ROS系統(tǒng)則成為機器人研發(fā)領(lǐng)域的事實標準。相比于其它系統(tǒng)，ROS系統(tǒng)適用于協(xié)作式機器人軟件開發(fā)，具有點對點設(shè)計、多語言支持、精簡與集成、工具包豐富、免費且開源等優(yōu)點，因此在諸多大學和研究機構(gòu)被廣泛應用，已成為學術(shù)界指定的創(chuàng)新驗證平臺，并衍生出了ROS-I、ROS-A、ROS-DoE、ROS-M等多個版本，其中ROS-M是ROS系統(tǒng)的軍用版，主要應用在無人機領(lǐng)域。與其他操作系統(tǒng)相比，ROS系統(tǒng)的分布式和模塊化有效降低了人機交互機器人的開發(fā)難度，與未來機器人智能化、人機交互的發(fā)展趨勢相吻合，可能將成為最專業(yè)、最全面、功能最強大的機器人開發(fā)平臺。二、聚焦實戰(zhàn)，基座創(chuàng)新機器人操作系統(tǒng)是開發(fā)軍用機器人的基礎(chǔ)平臺。軍用機器人是用于完成以往由人員承擔軍事任務的自主式、半自主式或人工遙控的機械電子裝置，而機器人操作系統(tǒng)則運行在機器人之間，是管控機器人的軟件體系。操作系統(tǒng)使得每一位機器人設(shè)計師都能使用同樣的平臺進行機器人軟件開發(fā)，正因如此，開發(fā)新的操作系統(tǒng)直接關(guān)系機器人的更新?lián)Q代。一直以來，世界主要軍事強國都將軍用機器人作為研究重點，五角大樓每年在軍用機器人領(lǐng)域投入數(shù)十億美元，當前美軍在此領(lǐng)域的開發(fā)與應用已涵蓋陸、海、空、天等各軍兵種，是世界上唯一具有綜合開發(fā)、試驗驗證和實戰(zhàn)應用能力的軍隊。俄羅斯則正在執(zhí)行《2025年前未來軍用機器人技術(shù)裝備研發(fā)》綜合專項計劃，逐步構(gòu)建軍用機器人技術(shù)系統(tǒng)，根據(jù)俄軍相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，2025年前俄軍武器庫中機器人的比例將達到約30%。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭日益呈現(xiàn)出從信息化向智能化演進的大趨勢，軍用機器人的應用必將越來越廣泛。自20世紀60年代以來，機器人先后經(jīng)歷了三代演進：從“遙控操作器”到“程序執(zhí)行器“，再到智能機器人，在這一創(chuàng)新過程中，機器人操作系統(tǒng)的更新升級扮演了重要角色。ROS系統(tǒng)誕生于2007年的斯坦福大學，在全球開發(fā)者的共同支持下，現(xiàn)已包含2000多個機器人平臺的常用軟件包。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅2017年5月全球就有70000多個獨立IP下載了900萬次ROS程序包，且ROS開發(fā)者社區(qū)中的1840位成員一共寫出了1000萬行代碼。由此可見，機器人操作系統(tǒng)并不是一個陳舊不變的框架，而是處于不斷開發(fā)與完善過程之中。目前，全球致力于開發(fā)智能機器人產(chǎn)品的公司數(shù)不勝數(shù)，但從基底意義上關(guān)注機器人操作系統(tǒng)研究開發(fā)的卻是鳳毛麟角，我國目前主要有三大智能機器人操作系統(tǒng)：Turing OS 系統(tǒng)、用于小i機器人的操作系統(tǒng)iBotOS以及ROOBO人工智能機器人系統(tǒng)。以上機器人操作系統(tǒng)側(cè)重于機器人的系統(tǒng)性、決策力等不同面，由此可見智能機器人的開發(fā)并非像ROS系統(tǒng)那樣是“大一統(tǒng)”的局面。此外，機器人操作系統(tǒng)的完善不僅需要海量的硬件適配，也需要海量的開發(fā)者參與，這也是機器人開發(fā)創(chuàng)新的重點所在?？傊?，機器人操作系統(tǒng)的出現(xiàn)實現(xiàn)了從底層設(shè)備控制到高層數(shù)據(jù)管理的有效集成，對于軍用機器人的創(chuàng)新發(fā)展具有基礎(chǔ)性價值。機器人操作系統(tǒng)是實現(xiàn)智能化作戰(zhàn)的技術(shù)支撐。伴隨著智能化武器裝備的發(fā)展與應用，未來戰(zhàn)爭的“智能化”氣息撲面而來，“鋼鐵戰(zhàn)士”不再只是科幻電影中的虛構(gòu)形象，而日漸成為各國軍方關(guān)注的重點，當前機器人已被用于偵察、排雷、防化、保障及直接攻擊等各個領(lǐng)域。作為控制機器人的軟件體系，機器人操作系統(tǒng)是機器人之間相互理解并遵守規(guī)則的保證，也是多機器人及異構(gòu)機器人之間協(xié)同行動的平臺，如同一根鏈條將機器人置于共同框架之下。與計算機操作系統(tǒng)不同的是，機器人操作系統(tǒng)通過資源管理與行為管理相結(jié)合的架構(gòu)，負責機器人觀察－判斷－決策－行動的全過程，機器人操作系統(tǒng)的完善是增強機器人的自主性、生存性與對抗性的關(guān)鍵所在，如2014年美國iRobot公司開發(fā)了一項用于提升機器人應急處置自主性的新操作系統(tǒng)，通過與Android程序相配套，軍用機器人具備了更強的自主思考能力。再比如針對異構(gòu)多機器人的協(xié)同規(guī)劃與決策問題，德國人工智能研究中心（DFKI）在“分布式機器人系統(tǒng)集成式任務規(guī)劃”（IMPERA）中使用了標準化、模塊化的任務規(guī)劃架構(gòu)，有效彌補了各個機器人分支在信息處理和問題求解方面的局限性，增強了機器人團體自主判斷及決策的合理性與準確性。在未來智能化戰(zhàn)爭時代，機器人將取代或協(xié)同部分人類參戰(zhàn)已成大勢所趨，而內(nèi)嵌的機器人操作系統(tǒng)則直接規(guī)約著機器人的作戰(zhàn)模式，是競逐雙方需要搶占的技術(shù)高地。三、智能導向深度融合在機器人應用與發(fā)展過程中，機器人操作系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用。與計算機操作系統(tǒng)的演進過程相類似，機器人操作系統(tǒng)也面臨著瓶頸與挑戰(zhàn)。以往的機器人操作系統(tǒng)主要解決了機器人的運動控制問題，未來則需要構(gòu)建一個廣義的操作系統(tǒng)，在驅(qū)動本體的支持下，為加強機器人的語言、視覺、聽覺、行動等各方面的表現(xiàn)進行補充與升級，完善部件驅(qū)動、環(huán)境感知、行為管理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽瑥亩鰪姍C器人可視控制、模擬仿真、數(shù)據(jù)傳輸和深度學習的能力。

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