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摘要： 丰田在某种程度上表明它笃定自己能够在科技巨头的游戏中占得一席之地丰田汽车公司已经向一位硅谷知名机器人专家抛出了橄榄枝,帮助该公司对Arene操作系统进行最后的把关,丰田称这一系统将与特斯拉公司的一较高下。特斯拉在汽车操作系统的OTA方面已经处于领先地位,这些系统控制着从刹车、Wi-Fi到锁车和车灯的一切功能。

摘要： 操作系统(OS)作为计算机赖以运转的控制中心,既是计算机的心智,是人类才智和智慧的结晶,也是信息技术发展的产物。从密歇根大学研制的第一款OS/360操作系统算起,已经历了60余年的发展,形成了多品种、多类型的产品,并被广泛应用。1.信息技术的普及推动国产嵌入式操作系统起步嵌入式操作系统是随着微型处理器技术的发展而产生。20世纪80年代末期,工业数字化控制如雨后春笋般被应用到各行各业,为适应信息技术的变化,国外先后推出各种嵌入式(实时)操作系统(RTOS),较为典型的有VRTX、PSOS、VxWorks等,它们均以精确、合理和及时的进程调度、精密复杂的资源管理、高可靠性和高可用性为特征,有别于通用的操作系统。当时我国的数字化水平较低,对嵌入式操作系统的需求不强,通常是开发专用的执行程序进行任务调度。20世纪90年代末期,我国电子技术得到了大力发展,信息技术成为各行各业产业升级的核心,企业迫切需要一个通用和标准的嵌入式操作系统,相关企业开始研制嵌入式操作系统,为国产嵌入式操作系统发展奠定了基石。

关键词： 云机器人   计算卸载   代码众包   能效优化   交互性攻击   拒绝服务攻击   操作系统  

摘要： 随着人工智能相关技术的发展和人们对生活质量需求的提高，机器人需要集成数十个功能来完成各种各样的任务，这使得如今的机器人应用程序日趋复杂。这种应用程序的复杂性不仅加剧了机器人性能需求与有限的板载资源之间的矛盾，也为机器人应用程序开发带来了挑战。云机器人场景的诞生为上述问题提供了解决方案。首先，云机器人场景提出了计算卸载技术。机器人应用程序可以将一些计算密集型任务迁移到性能强大的云服务器中运行，这样不仅节省了能耗，还增加机器人应用程序的性能。其次，云机器人场景提出了代码众包技术。云端的代码存储库中存放着上千个第三方的功能实现包。开发者只需要根据自己的应用程序需求下载相应的功能包，并集成到自己的程序中，而无需从头开始实现所有功能。然而，这两大关键技术也为机器人应用程序开发人员带来了三大难题。首先，开发人员需要确定如何划分应用程序中的计算，从而实现能效收益的最大化。并且当机器人移动到网络不可达的地方时，如何保证任务可以继续执行。其次，由于功能实现包来自第三方，开发人员集成的功能中很可能存在恶意代码。这些恶意代码会利用应用程序内部不同功能之间的交互性进一步影响到机器人的行为，最终导致安全问题以及任务失败。最后，这些第三方的恶意代码同样会对云机器人场景下多机器人应用程序的性能造成伤害。由于不同机器人共同在一个网络中执行任务，恶意代码可以通过拒绝服务攻击在这些共享面中造成资源竞争，最终降低性能。　　本文针对云机器人场景中的两大关键技术带来的难题展开了全面的研究，主要工作包括以下几个方面:　　针对端云协同技术的能效优化问题，本文首先建立了一个机器人应用负载的能效理论模型，用来识别出影响负载能效的关键因素。接着，本文对机器人应用负载的功能计算结点进行分析，结合理论模型提出能耗关键结点和速度依赖路径两个概念。其中，能耗关键结点和速度依赖路径分别是机器人工作负载的能耗和性能优化的关键瓶颈。基于此，本文提出了一个细粒度计算迁移策略，可以根据不同的优化目标自动划分计算结点并迁移。同时，本文利用云服务器的多核特性对瓶颈结点进行并行加速，进一步优化了能效。最后，本文提出了一个实时计算调节算法保障了机器人即使移动到端云失联的区域时，也可以保障任务的正确执行。在真实环境中的评测结果显示，本文的并行优化算法可以将瓶颈结点的计算时间降低23.93倍，细粒度迁移策略可以将工作负载的总能耗降低2.12倍，任务完成时间降低2.53倍，而实时计算调节算法可以在网络质量较差的情况下保持强大的鲁棒性。　　针对功能交互性攻击问题，本文首先对机器人操作系统ROS开源代码库中的3，100个功能代码包进行静态分析，并将不同代码包分为5大域17类功能结点。通过对这些典型的功能结点建模，本文提出了功能交互完全图概念。功能交互完全图是对所有机器人应用程序内部结点的交互可能性的一种抽象。基于此图，本文提出了三类交互风险:普通风险，机器人特定风险和任务特定风险。接着，本文提出一种新颖的交互性风险识别和规避框架-RTRON。RTRON针对每种类型的风险引入安全策略，并设计协调节点去实施这些策略并规范交互。本文对ROS平台上的110个机器人应用程序和两个行业广泛采用的复杂无人驾驶应用程序（百度Apollo和Autoware）进行了全面的实验。评估结果表明，RTRON可以以可忽略的性能成本正确识别和缓解所有潜在风险。为了验证风险和解决方案的实用性，本文在真实环境的物理机器人上实施和评估RTRON的有效性。　　针对多机器人系统的拒绝服务攻击问题，本文首先对多机器人系统进行了理论分析，从中识别出影响工作负载性能的关键因素。接着，本文结合该理论模型提出了云机器人场景下多机器人系统存在三种潜在的攻击风险:网络竞争，微架构竞争以及直接延迟。针对这三种攻击风险，本文提出了三种拒绝服务攻击:网络泛洪攻击，微架构竞争攻击和参数操纵攻击。在真实环境中的评测结果显示，网络泛洪攻击可以造成35％的数据包丢失。微架构竞争攻击可以对CPU利用造成了50％的侵占，并将机器人移动速度降低到0.1m/s。参数操纵攻击则将瓶颈结点的处理时间增加到110.6倍，机器人移动速度降低到0.04m/s。最后，本文在模拟器平台上验证了单个机器人移动速度的降低对多机器人系统性能的损伤以及造成的安全性问题。

关键词： 遥操作系统   DoS攻击   时延   模型参数不确定   事件触发机制  

摘要： 由于在遥操作系统中,信号是通过通信通道传输,系统可能会受到拒绝服务攻击(Denial of Service,DoS),而DoS攻击会影响遥操作系统的性能,甚至造成系统不稳定。当长距离传输信号时,通信通道存在时延,而含有时延的信号会产生误差,导致系统不稳定。且遥操作系统中主、从机械臂存在模型参数不确定,这也会影响遥操作系统的性能。同时在系统运行过程中,主、从机械臂都可能会受到未知外部扰动,而外部扰动会影响遥操作系统的性能,甚至造成遥操作系统的不稳定。本文研究遥操作系统在DoS攻击下的稳定性问题,同时考虑遥操作系统存在时延、模型参数不确定、外部扰动等情况。基于事件触发机制,利用位置误差结构,根据不同情况下的遥操作系统设计不同的控制器,以使系统能够稳定且有良好的性能。本文的主要研究内容如下:(1)研究理想状态下的遥操作系统在DoS攻击下的稳定性,基于事件触发机制设计控制器,使遥操作系统在无力反馈和有力反馈两种情形下受到DoS攻击都能保持稳定。(2)考虑存在定常时延和模型参数不确定情况,研究遥操作系统在受到DoS攻击下的稳定性。利用自适应律估计机械臂模型参数,并基于事件触发,融入位置误差结构设计控制器。通过仿真实验验证了该控制器能够使存在时延和模型参数不确定的遥操作系统在受到DoS攻击时保持稳定,且系统具有良好的跟踪性能。(3)考虑在参数辨识过程中,激励信号不满足持续激励条件时,研究遥操作系统在DoS攻击下的稳定性问题。引入辅助变量,使遥操作系统参数辨识过程中的激励信号满足持续激励条件,从而更准确估计出机械臂参数。考虑通信信道时变时延,基于事件触发,设计了能够抵御DoS攻击的控制器,并利用数值仿真验证了该控制器的有效性。

关键词： 文件系统   兼容机制   兼容操作系统   名字处理   分区感知  

摘要： 随着时代的发展，操作系统领域自然地形成了多生态共存的形式，出现了诸如Windows、Linux、MacOS等各式各样的操作系统。这些操作系统在应用生态上也自然存在着隔阂，例如现有的Linux操作系统无法运行根植于Windows的应用程序。一个新的后发的操作系统想要普及，一个良好的应用生态环境是至关重要的。建立一个操作系统难度很大，但更难的是吸引各路应用开发团队来为操作系统生产适合自己的应用，在用户中推广并建立起相应的应用生态。因此，需要通过兼容的手段来解决应用跨生态运行的问题，打破不同操作系统应用生态之间的隔阂，从而实现支持多个应用生态的兼容操作系统。　　兼容操作系统与传统的单一生态操作系统在基本构成方面，同样需要包含进程调度、文件系统、内存管理、网络等模块，其中文件系统涉及到内核和上层应用，是非常关键的一环。现有的主流兼容方案，如Wine，在文件系统兼容机制方面存在较大的缺陷与不足。本文主要针对存在的问题与不足，对兼容操作系统的文件系统兼容机制进行改进。　　主要工作如下:　　(1)针对由Windows系统和Linux系统在文件命名方面的差异，本文提出了兼容文件系统的一体化名字处理机制，实现了兼容操作系统下文件系统应当遵守的一套文件命名规范，使得兼容操作系统具备支持多文件系统一体化命名的功能;基于该规范实现了兼容操作系统文件名的检查和非法文件名转录、跨生态路径的遍历和循环路径校正。　　(2)针对兼容操作系统下文件系统层次结构混杂的问题，本文提出了兼容文件系统的跨生态层次结构，在原有的兼容文件系统层次结构的基础上实现了多文件系统分区感知机制，以包容多种文件系统生态。并且，添加了纯Linux文件系统层次结构和纯Windows文件系统层次结构，以满足多类用户的使用习惯，降低用户使用门槛和迁移成本。　　(3)针对兼容操作系统下文件操作性能较差的问题，本文提出了兼容操作系统的多策略性能优化，实现了从跨生态翻译机制和从内核VFS层面入手改进兼容系统文件操作性能。本文提出的可扩展读写锁具备被动感知和锁退化机制，能够在略微降低写操作性能的代价下，大幅提高读操作的性能。本文通过基于短内存一致性的偏向读写锁，提高VFS文件操作的性能，在这一层面的改进兼容操作系统下各生态的文件操作整体都会受益。

关键词： Hypervisor   基础软件   操作系统  

摘要： 随着5G、物联网、人工智能等技术的不断融合,硬件芯片算力越来越强,汽车电子化程度越来越高,软件规模不断扩大,"软件定义汽车"已成为当下汽车行业热议的焦点。作为软件定义汽车生态循环发展的核心,汽车基础软件的重要性不言而喻。4月,普华永道发布的《2020年数字化汽车报告》显示,随着智能和互联功能方面的需求增加,汽车产品和相关服务将迎来重大改变,在未来十年内软件开发成本将增长83%,软件已成为现代车辆差异化竞争的核心。在复杂多变的市场中,只有打造软件驱动的车企才能持续捕获新价值。

关键词： 双边遥操作系统   全状态跟踪控制   复合控制   干扰观测器   障碍-Lyapunov方程  

摘要： 遥操作系统作为能够代替人类在核事故救援、空间探测、远程医疗以及农业等多个领域完成多种复杂操作的远程操作系统,近年来已经得到广泛的发展。随着功能的不断完善,遥操作系统的应用场景更为丰富,这也使得人们对遥操作系统的控制性能有了更高的要求。在实际应用中,遥操作系统主-从系统之间的网络通讯存在不可避免的通讯时延、遥操作系统自身较强的非线性特性以及所处环境的复杂性导致系统的控制性能极易受到通讯时延、模型参数以及外界环境干扰的影响;另外,遥操作系统在实际工作中,出于工作环境的限制、操作的安全性以及系统暂、稳态性能提高等方面的考虑,系统状态往往要进行不同程度的约束。同时,因为主-从通信时延、系统不确定性和外界干扰的存在,迫切需要针对网络化遥操作系统设计全状态约束控制策略以保证在主-从系统高精度、快速同步的基础上,系统状态始终处于所约束范围以内。论文的主要研究内容如下:首先,针对全状态时变约束下的双边遥操作系统,在系统不确定和非对称时变时滞下研究了主-从系统之间的同步控制问题,创新性地将系统的全状态约束问题转化为系统的稳定性问题,避免了因系统状态突然增大导致的碰撞问题,提高了主-从系统间的同步精度。同时,针对主-从系统之间的时变时延,引入了新的非线性观测器来保证闭环系统的稳定性并构造新的障碍李雅普诺夫函数(Barrier Lyapunov Function,BLF)证明了主-从系统的稳定性和同步性能。最后,通过MATLAB仿真验证了全状态约束控制策略的有效性。其次,针对柔性双边遥操作系统,设计了新的复合神经网络学习控制框架,研究了在系统不确定性和时变外部扰动下系统关节跟踪控制问题,该框架融合了神经网络和终端滑模干扰观测器(Terminal sliding mode disturbance observer,TSMDOB)的优点,提高了系统的跟踪精度。此外,基于反步递推理论,为遥操作系统开发了一种全状态复合神经网络学习跟踪控制方案,避免了对系统链路端高阶导数的影响,提高了链接端的性能。在复合框架下,通过增加预测误差提高系统收敛速度和准确性。最后,对遥操作系统进行仿真验证,验证了提出全状态跟踪控制策略的有效性。

关键词： 软体机械手   视觉识别   触觉感知   信息融合   抓取位置规划  

摘要： 机械手作为机器人与周围环境交互的重要接口,一直是机器人领域研究的重点方向之一。近年来,软体机械手因具有良好的灵活性、环境适应性、人机交互性,被广泛应用到非结构化场景中。针对软体机械手在非结构化环境中无法建立精确的抓取模型问题,基于视觉识别信息和机械手触觉感知能力,开展软体机械手对未知物体操作方面的研究。(1)对驱动感知一体化软体机械手进行设计,基于机械手的包络抓取和指尖抓取方式的特点,设计合理的传感器布局方式。基于Yeoh模型,建立软体手指在自由状态下弯曲角度和充气压强的数学模型,并与有限元分析结果对比。通过有限元分析法,求得不同指尖负载和充气压力下,软体手指的弯曲角度。基于形状沉积制造工艺思想,设计出分布成型的浇铸模具,并完成软体机械手的制作。(2)对三维点云基本形体简化算法的基本原理进行分析,利用该算法对物体点云进行分割、简化,并拟合为与软体机械手抓取轮廓匹配的基本形体。通过试验测得机械手的最优抓取尺寸,根据该尺寸寻找最为合适的基本形体,获取最佳抓取位置。把三维点云基本形体简化算法与软体机械手操作结合,不仅发挥了该算法对未知物体形状的识别和简化拟合能力,同时软体机械手的柔顺性很好地包容了该算法存在的不精确性。(3)搭建软体机械手触觉感知的信息采集和无线传输系统,利用该系统的形状感知能力和力感知能力对操作进行优化,并对操作中的不稳定和失效现象建立反馈机制,提出一种基于视觉和触觉信息融合的软体机械手抓取策略。(4)基于UR机器人搭建软体机械手操作系统。通过试验对机械手的触觉感知特性进行分析,完成深度相机的内参标定和手眼标定。通过一系列对未知的物体的抓取实验,验证了该套操作系统的有效性和可行性。本文的研究内容为软体机械手对未知物体的操作提供了新思路,对推进软体机械手的实际应用有重要意义。

关键词： 医学动物实验   显微操作   注射位置   图像处理   深度学习  

摘要： 模式生物包括线虫、果蝇、斑马鱼等，是用来对生物现象进行研究的选定生物物种。其中个体小，胚胎发育同步且速度快，与人类基因高度同源的斑马鱼(Zebrafish)是在近年来生命科学相关研究中的一种典型模式脊椎生物。斑马鱼的显微操作是实现药物研发、人类疾病和生命科学等领域研究的基础和关键环节。但是现有的斑马鱼胚胎发育全周期的显微操作大多数还是停留在人工水平，需要人力和时间成本的不断投入，制约了整个显微操作领域的发展。因此，本文针对斑马鱼胚胎发育全周期的注射位置进行分析，围绕视觉图像算法、深度学习和显微操作实验等方面，从理论到实验开展了深入和系统的研究，对斑马鱼胚胎发育全周期的注射位置和实验前后需要的信息进行了研究，有效地提高了显微操作实验的自动化水平。本文主要包括以下几个方面内容:　　(1)针对在斑马鱼胚胎细胞时期的发育情况不一致导致的细胞注射位置识别困难、细胞组织的分割精度要求高、细胞形态差异大等问题，通过引入深度学习技术，通过设计新的基于深度学习的细胞分割算法，可以将胚胎细胞的细胞质和细胞核进行有效分割，并排除了光照条件对识别效果的影响，为后续进行穿刺任务提供了准确的位置信息。　　(2)针对斑马鱼幼鱼时期的色素沉积、身体结构复杂等情况导致的注射位置识别精度低的问题，通过分析现有的方法，从视频角度放大了心脏跳动幅度，不需要借助其他设备，而是通过图像算法处理实现了对斑马鱼幼鱼心脏器官的定位，该心脏定位方案能够有效地将斑马鱼幼鱼的心脏从显微视野中有效识别出来，为幼鱼的穿刺任务提供准确的位置信息。　　(3)针对在显微注射实验前，需要获取斑马鱼幼鱼的姿态信息，以及在药物注射前后，需要通过心率参数来评估药物效果的问题，通过设计新的斑马鱼幼鱼姿态检测算法，事先对斑马鱼幼鱼姿态进行识别;通过对视频流进行分析，输出斑马鱼幼鱼的心率信息，有效提高了整个流程的自动化程度，有利于促进显微操作全流程的自动化。　　(4)基于本文设计的方案，分别对各个流程进行了相关实验，验证了本文设计的相关方案的有效性。

关键词： 双主双从   遥操作   同步控制   协调搬运  

摘要： 针对双主双从遥操作系统中两从机械臂末端位姿的相对协调运动,分析了其中一个主从控制受到干扰时对两从端协调位置关系的影响,并据此提出了一种可行的同步位置控制,使双主双从遥操作系统在协调运动过程中主从位置误差和同步误差均同时收敛于零,实现了在主从机械臂按期望轨迹运动的同时保证两从端机械臂间的运动协调同步,并利用Lyapunov稳定性理论证明了系统的全局稳定性.验证了所提出的双主双从遥操作系统同步控制策略的正确性和有效性.