隨著機(jī)器人技術(shù)的快速迭代升級，協(xié)作機(jī)器人、復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人和人形機(jī)器人等新興應(yīng)用場景對實(shí)時(shí)控制與智能決策的深度融合提出了迫切需求。然而，當(dāng)前機(jī)器人操作系統(tǒng)架構(gòu)面臨以下關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

算力瓶頸制約智能化發(fā)展：傳統(tǒng)控制系統(tǒng)算力不足，難以有效支撐語音識(shí)別、手勢交互、動(dòng)態(tài)避障、力控優(yōu)化、地圖構(gòu)建、位姿計(jì)算等智能化需求。

系統(tǒng)集成復(fù)雜度高：傳統(tǒng)方案采用多主機(jī)分布式架構(gòu)，導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大、調(diào)試維護(hù)困難、維護(hù)部署復(fù)雜。

整體成本高昂：傳統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)通常需要多個(gè)子系統(tǒng)間交互協(xié)同，例如傳感器系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加。

本文提出基于vmRT-Thread嵌入式虛擬化集成開發(fā)平臺(tái)的解決方案。該平臺(tái)通過虛擬化技術(shù)支持在高性能嵌入式設(shè)備上同時(shí)運(yùn)行硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和富功能操作系統(tǒng)，其架構(gòu)如下圖所示：

平臺(tái)采用一體化架構(gòu)設(shè)計(jì)，支持在單塊SOC上同時(shí)部署實(shí)時(shí)虛擬機(jī)與搭載了ROS2框架的普通虛擬機(jī)，實(shí)現(xiàn)在單塊SOC上集成感知、決策、控制全流程功能。在通信機(jī)制上，平臺(tái)提供虛擬機(jī)間共享內(nèi)核和套接字通信能力，保障虛擬機(jī)間高效通信。

基于上述方式，采用8核開發(fā)板來部署機(jī)器人小車，通過ROS2命令完成對小車的控制，系統(tǒng)架構(gòu)如下：

具體分為以下幾個(gè)階段執(zhí)行：

1. 虛擬化系統(tǒng)部署

在開發(fā)板上部署vmRT-Thread；

創(chuàng)建兩個(gè)Guest系統(tǒng)，為每個(gè)系統(tǒng)分配物理資源（CPU、內(nèi)存和外設(shè)），運(yùn)行Ubuntu與RT-Thread。配置基于共享內(nèi)存的直連網(wǎng)卡通信，示例如下圖所示：

2.Ubuntu

準(zhǔn)備ROS2環(huán)境；

安裝Micro ROS Agent；

創(chuàng)建發(fā)布者和訂閱者；

發(fā)布者：提供設(shè)置車移動(dòng)和移動(dòng)固定距離主題

訂閱者：訂閱獲取車速的主題

3.RT-Thread

搭建Micro ROS；

實(shí)現(xiàn)對電機(jī)、傳感器的實(shí)時(shí)控制；

實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法；

提供小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)接口；

創(chuàng)建發(fā)布者與訂閱者

訂閱者回調(diào)函數(shù)：

訂閱移動(dòng)主題

訂閱指定距離主題

發(fā)布者回調(diào)函數(shù)：

采用定時(shí)器進(jìn)行周期性發(fā)送車速數(shù)據(jù)，定時(shí)間隔

1s

4.系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與驗(yàn)證

通過Ubuntu上ROS2環(huán)境中發(fā)送主題消息，驗(yàn)證整體通信通路。

通過ROS2發(fā)布主題消息控制小車移動(dòng)：

Ubuntu啟動(dòng)Micro ros Agent，采用udp方式通信

RT-Thread運(yùn)行Micro ROS

連接成功后Micro ros Agent會(huì)顯示創(chuàng)建的信息

Ubuntu：運(yùn)行獲取車速

Ubuntu：通過移動(dòng)主題控制小車前進(jìn)，pwm設(shè)置為10%

RT-Thread：響應(yīng)

Ubuntu

：運(yùn)行獲取當(dāng)前車速

Ubuntu

：通過移動(dòng)主題控制小車前進(jìn)，pwm設(shè)置為50%

Ubuntu

：運(yùn)行獲取當(dāng)前車速

Ubuntu：通過設(shè)定距離主題控制小車移動(dòng)特定距離

RT-Thread：響應(yīng)

本文創(chuàng)新性地提出并實(shí)現(xiàn)了基于 vmRT-Thread 的虛擬化融合方案。該方案通過將ROS2與實(shí)時(shí)控制深度集成于單一芯片平臺(tái)，不僅有效解決了系統(tǒng)體積、部署調(diào)試難度等實(shí)際問題，更成功賦能機(jī)器人同時(shí)執(zhí)行高精度實(shí)時(shí)控制與復(fù)雜智能決策的核心功能。

這一技術(shù)路徑的成功探索，為“驅(qū)控一體”等下一代高性能機(jī)器人產(chǎn)品的研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，有力推動(dòng)了機(jī)器人系統(tǒng)向更高效、更智能、更集約的方向邁進(jìn)。