面向机器人应用的网络通信框架技术研究与实现

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1、工程硕士学位论文面向机器人应用的网络通信框架技术研究与实现作者姓名李扬工程领域软件工程校内指导教师闵华清教授校外指导教师韩俊高级工程师所在学院软件学院论文提交日期2018年3月ResearchandImplementationofNetworkCommunicationFrameworkforRobotApplicationADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LiYangSupervisor：Prof.MinHuaqingSeniorEngineer.HanJunSouthChinaUniv

2、ersityofTechnologyGuangzhou,China分类号：ＴＰ3学校代号：10561学号：201521034745华南理工大学硕士学位论文面向机器人应用的网络通信框架技术研究与实现作者姓名：李扬指导教师姓名、职称：闵华清教授韩俊高级工程师申请学位级别：工程硕士工程领域名称：软件工程论文形式：ꇶ产品研发ꇶ工程设计√应用研究ꇶ工程/项目管理ꇶ调研报告研究方向：智能软件与机器人论文提交日期：2018年3月14日论文答辩日期：2018年3月16日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：蔡毅委员：闵华清吴庆耀陈俊颖奉继承摘要

3、近年来，机器人软硬件技术及相关学科知识迅猛发展，机器人应用深入到生产生活的各领域之中，机器人软件需要应对更多不确定性的技术挑战，满足日益多变的任务需求，适应越来越复杂的工作环境。相比普通应用软件，机器人软件对实时性、安全性、鲁棒性都有较为严格的要求，这都使得机器人软件的设计、开发及维护难度大大增加。集成了并发支持，异常检测响应，传感器、执行器控制以及通信功能的机器人软件框架使软件代码趋于模块化，为开发者提供了统一的机器人软件开发模型与规范，提高了软件质量与开发效率，近年来得到了学术界与企业界的广泛关注和深入研究。本文的研究工作主要是基于华南理工大学自主研发的

4、BAOS机器人系统。BAOS支持类似ROS的发布订阅型节点，支持小粒度的组合行为型节点和内核态实时节点，提供了从底层平台到上层应用的完整机器人框架。本文的贡献主要体现在以下三个方面：1、本文提出了一种基于多进程管理模型与异步IO处理机制的网络通信框架。研究更为合理高效的进程管理、进程通信手段与网络事件监听处理机制，引入快速封装转发的序列化/反序列化机制、运行状态实时监控与恢复机制、动态协议扩展机制等功能模块，同时为开发者提供了简洁易用的接口便于书写用户逻辑。框架具有使用简单、易于功能与协议扩展、支持高并发处理、稳定运行等特点，解决BAOS节点任务处理特别是批

5、处理任务能力不足、运行状态监测与恢复不完善、支持协议有限等问题，帮助开发人员从枯燥的重复劳动与底层逻辑的开发中解放出来，快速编写与维护机器人应用。2、基于本文框架提出了一种通信中间件的技术方案。研究适合机器人通信实际需求的NAT跨局域网穿透技术，并引入发布订阅通信模型，设计具有高效消息匹配与通信节点管理能力的Master节点作为发布订阅模型代理，为本文框架提供了一种针对多节点通信与跨局域网通信问题的解决方案，扩展BAOS系统的通信功能。3、设计功能实验与应用测试。对本文研究与实现的网络通信框架及基于其设计的通信中间件进行功能性测试，并应用于埃夫特工业机器人物

6、体分拣系统与树莓派医疗服务机器人原型系统的远程控制中，实验结果证明了本文设计的有效性与实用性。关键词：机器人软件框架；多进程；异步IO；发布订阅模型；NAT穿透IAbstractInrecentyears,robotsoftware,hardwaretechnologyandrelatedsubjectknowledgehavedevelopedrapidly.Therobotapplicationhaspenetratedintothevariousfieldsofproductionlife.Therobotsoftwareneedstodealwith

7、moreuncertaintechnologicalchallenges,meettheincreasinglycomplexandchangeabletaskdemands,andadapttothemoreandmoreextensiveworkingenvironment.Comparedwithordinaryapplicationsoftware,therobotsoftwarehasstrictrequirementsforreal-time,securityandrobustness,whichmakesthedesign,developmen

8、tandmaintenanceofrobotsoft