Robot OS 系统架构设计

1. 背景

目前移动机器人已得到了大范围应用，无论是在大型商场还是银行都可以看到移动机器人身影。移动机器人主要是移动加决策，移动方式主要以轮式和足式，在商场见到的主要以轮式拟人的形态出现，足式的主要以动物形象为主，前段时间还看到了上海一个小区，机器人上绑着喇叭在小区跑，提示人们注意做好个人防范等。

目前在着手负责移动机器人操作系统相关的工作，系统在 Android 基础上搭载智能语音图像的 AI 能力，运动控制能力封装以及决策引擎。Robot OS 整个架构设计围绕这些核心能力ß展开。

2. 系统设计准则

在和团队沟通出系统设计方案时，先定好设计准则，在我们上达成一致。

1. 开放性：即整个 Robot OS 是开放的，而不是封闭的，允许安装第三方应用，所以要有以下能力：

2. 有应用商店；

3. 提供类似于小程序的开发平台；

4. AI 与运动能力提供开放的接口和能力；

5. 有平台化、生态化、商业化扩展能力。

6. 扩展性：系统是可扩展，包括：

7. 硬件扩展性；

8. 软件系统扩展性；

9. 场景扩展性；

10. 灵活性：

11. 配置灵活性；

12. 场景组合灵活性；

13. 流程可干预；

14. 高性能：

15. 交互延时；

16. CPU 占用；

17. 内存、网络、电量消耗

18. 安全性：

19. 防撞（日志可追溯）；

20. 防丢（远程定位、锁机）；

21. 防破解；

22. 用户隐私保护；

23. 高效性：

24. 更新成本低；

25. 开发成本低；

26. 部署成本低；

27. 调试成本。

目标达成共识后就开始对系统进行设计。

3. Android 系统架构介绍

Android 系统架构图：

其中我们可以看到：

1. Android 平台的基础是 Linux 内核。例如，Android Runtime (ART) 依靠 Linux 内核来执行底层功能，例如线程和低层内存管理。使用 Linux 内核可让 Android 利用主要安全功能，并且允许设备制造商为内核开发硬件驱动程序。

2. Android****专用驱动：Android Ashmen、Logger、Binder、Power Management、Low Memory Killer、PMEM（物理内存驱动）、USB Gadget、Ram Console、Time Device、Android Alarm

3. Android****设备驱动：Framebuff 显示驱动、Event 输入设备驱动、ALSA 音频驱动、OSS 音频驱动、v412 摄像头驱动、MTD 驱动、蓝牙驱动、WLAN 设备驱动

4. 硬件抽象层 (HAL) 提供标准接口，向更高级别的 Java API 框架展示设备硬件功能。HAL 包含多个库模块，其中每个模块都为特定类型的硬件组件实现一个接口，例如相机或蓝牙模块。当框架 API 要求访问设备硬件时，Android 系统将为该硬件组件加载库模块。

5. framework 和应用层我们接触的比较多，容易理解，这里不做详细介绍。

在 Android 系统架构基础上封装出我们的 Robot OS 架构：

其中 Service 与 Core 核心层对应 Androi 的 framework 层。

4. 硬件架构设计

系统开发板是运行我们 Robot OS 的主板，通过网线与控制底盘运动的主板通信，扩展 Robot OS 的基础能力。

5. 模块设计

我们要在系统 framework 层实现语音，图像，运动相关服务，以及控制信令下发的指令接收分发服务，并未这些能力封装对应的应用层 SDK，是接入 SDK 的 APP 可以与我们提供的核心能力服务通信。

这里把每个核心能力单独设计为一个独立进程的好处：

1.隔离性：一个模块崩溃不影响另外模块；

2.开放性：所有运行在我们机器上的应用都可以通过 SDK 调用这些核心算法与运动服务；

3.安全性：提供的 SDK 只是 IPC 客户端，核心算法能力在 OS 层，防止被破解；

4.高性能：多个应用使用一个能力，该能力只在系统存在一份既可，重用提高性能。

6. 业务架构设计

业务架构设计准则：

1. 将业务平台化，相互独立；基础业务下沉，便于复用；

2. 将核心业务和非核心业务分离

3. 隔离不同类型业务

4. 区分主流程和辅助流程

基于这些准则和 OS 提供的核心能力，可以快速开发基于特定场景的产品，快速迭代，快速交付。

7. 总结

本文介绍了 Robot OS 的核心能力及架构设计，包含硬件架构设计、业务架构设计，以及模块设计，并且介绍了 Android 系统整体架构分层。