基于5G網(wǎng)絡(luò)的云化移動機器人部署方式研究

張 慧

(南京中興新軟件有限責任公司，江蘇 南京 210012)

0 引言

工業(yè)自主移動機器人(Autonomous Mobile Robot, AMR)是廣泛用于倉儲、產(chǎn)線物流中完成貨物搬運的工業(yè)移動機器人，能夠自動根據(jù)任務(wù)進行路徑規(guī)劃和自動行駛，并具備安全保護功能。AGV有傳統(tǒng)的磁條、磁釘、有軌、二維碼等的導航方式，也有基于激光雷達、視覺的自然導航方式。自然導航有著部署及運行靈活的優(yōu)勢，能更好地適應(yīng)柔性化生產(chǎn)需要，是AGV發(fā)展的方向。本文以基于激光雷達的自然導航為例，不再贅述其他類似的導航方式。

AGV系統(tǒng)為了完成自動的物流搬運功能，需要進行復(fù)雜的計算，故云化AGV的概念被提出。將復(fù)雜的計算進行云化，降低本地部署部分的成本。同時，云化部分具備資源共享、動態(tài)互備、資源彈性升縮的優(yōu)勢。因為AGV是移動的，無法通過有線方式直接接入云，所以本文討論的是基于5G網(wǎng)絡(luò)的云化AGV的部署方式。

1 云化AGV的部署問題

解決本地端和云端的通信問題是云化的基礎(chǔ)。通常工廠或倉儲中的無線網(wǎng)絡(luò)以WiFi為主，其具有部署便利的優(yōu)點。但WiFi容易受到干擾，經(jīng)常會出現(xiàn)由于信號不好或被干擾導致AGV停運的事故；另外，在較大空間部署時，AGV無法完成在多個AP之間的平滑無縫切換；AP之間的組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和維護也是個困難。一方面，基于5G的網(wǎng)絡(luò)連接方案可以解決干擾和信號覆蓋問題；另一方面，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、優(yōu)化和維護由運營商來解決，使用方只需按需購買服務(wù)即可，這提高了效率。故用5G替換WiFi是一個較好的無線網(wǎng)絡(luò)的選擇。

常見的百度云、電信云等都屬于集中部署方式的公有云。隨著AR/VR、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的發(fā)展，一方面是移動性的需求，一方面對時延、帶寬提出了更高的要求。5G NFV、SDN、云計算的發(fā)展催生了多接入邊緣計算技術(shù)(Multi-Access Edge Computing，MEC)[1]。

MEC是一種技術(shù)架構(gòu)的創(chuàng)新，可以讓業(yè)務(wù)更加靈活地選擇部署的位置，除了中心云以外，還可以部署在不同的網(wǎng)絡(luò)邊緣云上。

網(wǎng)絡(luò)邊緣既可以承擔中心云部分下沉的業(yè)務(wù)，使業(yè)務(wù)更靠近現(xiàn)場，減少業(yè)務(wù)時延；也可以承擔現(xiàn)場側(cè)邊緣部分上移的業(yè)務(wù)，以減輕現(xiàn)場邊緣算力不足的壓力。網(wǎng)絡(luò)邊緣計算可以部署在多個節(jié)點上，包括接入、普通匯聚、重要匯聚、地市核心四級；相應(yīng)地，物理上存在于基站站點、區(qū)縣一級機房、地市甚至省或大區(qū)的核心機房內(nèi)[2]。

AGV系統(tǒng)由相應(yīng)的硬件和軟件構(gòu)成，只要是軟件功能，原則上都是可以云化的，但是每個功能模塊對實時性要求、與其他模塊消息交互的帶寬需求不同，故并不是每個模塊都適合云化。本文討論的重點是，分析AGV系統(tǒng)不同模塊的特點以及云化對云網(wǎng)的時延、帶寬等需求，確定可以進行云化部署的模塊；同時，分析確定云及邊緣云節(jié)點的位置的選擇原則。

2 云化AGV業(yè)務(wù)對云網(wǎng)的需求

AGV系統(tǒng)由AGV小車本體和多機調(diào)度系統(tǒng)組成。多機調(diào)度系統(tǒng)接收來自MES或WMS的調(diào)度指令進行任務(wù)分配、路徑規(guī)劃和交通管制。AGV小車執(zhí)行兩點或多點間的搬運任務(wù)，實時進行定位導航、安全避障和接受調(diào)度臺的管制和任務(wù)下發(fā)、任務(wù)變更。AGV本體和多機調(diào)度系統(tǒng)(以下簡稱“調(diào)度臺”)的功能模塊細分，如圖1所示。

圖1 AGV系統(tǒng)功能模塊

2.1 多機調(diào)度

多機調(diào)度功能主要完成：

(1)任務(wù)分配。收到MES或WMS的指令后，選擇合適的AGV接收任務(wù)，這個時延和帶寬要求都不高。和任務(wù)的節(jié)拍數(shù)相關(guān)，但實際的項目中一般不會超過每秒1個任務(wù)。

(2)路徑規(guī)劃。對于收到任務(wù)的起始點選擇一條合適的路徑，既需要考慮到最高效，也需要考慮到多機之間交通沖突和死鎖風險。這個也是和任務(wù)數(shù)相關(guān)。事實上，任務(wù)分配并路徑規(guī)劃后才會和AGV本體進行交互。時延小于500 ms，帶寬大于100 kBps就可以滿足要求。

(3)交通管制。為了防止多車之間發(fā)生交通沖突，小車會按一定周期上報位置，調(diào)度臺不斷在計算沖突風險，并給出交通管制指令。各廠家實現(xiàn)機制有點不同，小車上報周期100～500 ms不等。上報和控制指令帶寬需求都很小，與小車數(shù)量相關(guān)，不應(yīng)大于1 M[3]。

2.2 AGV單機控制

2.2.1 感知采集與控制

這部分包括從攝像頭、雷達、IMU、里程計、安全開關(guān)等采集實時數(shù)據(jù)，也包括向電機控制器發(fā)送執(zhí)行控制信息。這部分功能與硬件強關(guān)聯(lián)。一般都駐留在AGV本體，不適合云化部署。

2.2.2 實時分析決策

這部分包括對感知數(shù)據(jù)的分析、避障、導航定位、運動規(guī)劃控制。因為感知數(shù)據(jù)分析是為各項業(yè)務(wù)功能服務(wù)的，提供視覺、雷達、IMU、里程計等數(shù)據(jù)的智能分析。如果要云化，需要分解到以下主要功能模塊的需求分析。

(1)定位建圖。以激光SLAM定位建圖為例，建圖過程可以是在線的，也可以是離線的，對實時性沒有強制要求，只需考慮上行帶寬。上行數(shù)據(jù)包括激光點云、IMU、光電編碼器等數(shù)據(jù)。AGV當前以單線為主，一般上行預(yù)留10 M帶寬即可。

(2)定位導航。AGV在行進過程中，需要不斷地對自身為主進行定位計算。定位精度的要求至少3 cm。AGV小車的運行速度為1.0～3.0 m/s不等，以3 m/s計算，這3 cm的誤差將會發(fā)生在10 ms內(nèi)。定位導航如果上移到云端，則需要時延高一個數(shù)量級，控制在1 ms為佳。帶寬需要定位建圖，預(yù)留10 M帶寬。

(3)安全避障。安全避障包括碰觸急停和檢測到障礙物后停車。涉及安全，故越及時越好。如果需要云化，那么這部分功能所能容忍的時延不能低于定位導航，需要控制在1 ms。

(4)決策控制。運動規(guī)劃、運動控制，需要在定位、避障感知的基礎(chǔ)上，實時地決策和發(fā)送控制指令，使得車身前進、后退、轉(zhuǎn)向。故不能低于安全避障功能的要求，姑且定位1 ms。

帶寬一般都不是問題，主要需要考慮時延和抖動。

3 基于5G云網(wǎng)的測試數(shù)據(jù)

網(wǎng)絡(luò)中的MEC存在多個節(jié)點，不同節(jié)點的部署會帶來不同影響。本研究通過1個試點項目進行了測試。測試通過中國南方某市的1個測試基站到4個MEC層次上的節(jié)點的用戶面UPF的時延，看不同部署節(jié)點帶來的時延影響。測試組網(wǎng)如圖2所示。

圖2 測試組網(wǎng)

分別測試從基站gNB到不同MEC節(jié)點的時延，測試數(shù)據(jù)如圖3所示，從中可以看出：用戶距離邊緣節(jié)點上UPF(用戶面功能)越遠，時延越大；地市MEC/邊緣云，基本可控制在20 ms以內(nèi)。

圖3 測試點gNB到各層邊緣節(jié)點的距離與時延示意

另外，上述內(nèi)容只考慮了基站到MEC上的UPF的時延，但對于業(yè)務(wù)來說，還需要考慮MEC上UPF到業(yè)務(wù)服務(wù)器的時延的端到端的過程。測試對走不同MEC節(jié)點到業(yè)務(wù)服務(wù)器的不同路徑做了對比。應(yīng)用服務(wù)器部署在B機房。一條路徑是基站到B機房，另一條路徑是基站到A機房后到B機房的應(yīng)用服務(wù)器。測試結(jié)果，第二條路徑多了7 ms。所以，時延要求越低，就要求UPF下沉到最接近業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器的MEC節(jié)點。

同時，也對上下行帶寬進行了測試，測試結(jié)果顯示，在測試點環(huán)境下，單用戶單線程下行160 Mbps，上行110 Mbps。上下行帶寬能滿足AGV業(yè)務(wù)需求。

4 結(jié)語

從以上數(shù)據(jù)和對AGV功能模塊的分析看，可以得出3個結(jié)論：

(1)多機調(diào)度系統(tǒng)、AGV的定位建圖功能可以部署在地市一級(不超過50 km)的各級MEC上，都可以滿足時延帶寬的要求；節(jié)點越遠，時延越大，受影響因素更多，因條件限制，沒有測試。

(2)在條件允許的情況下，將業(yè)務(wù)部署在越低的節(jié)點，越靠近業(yè)務(wù)發(fā)生的園區(qū)，時延越低，越有利于業(yè)務(wù)的可靠開展。

(3)AGV本體的業(yè)務(wù)功能，如智能感知、導航定位、避障等，因為對實時性要求更苛刻，在當前5G的eMBB網(wǎng)絡(luò)下，無法滿足要求。

5G作為新一代的移動通信技術(shù)，契合了工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型對無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求。5G在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究處于探索階段。尤其在超低時延(ms級以下)、高可靠性上，工業(yè)場景對網(wǎng)絡(luò)的要求是非常苛刻的。為此，除了在R16中發(fā)布的URLLC、5G TSN，還針對工業(yè)場景啟動了5G LAN、工業(yè)協(xié)議感知和增強、高可用方案等5G增強技術(shù)的研究[4]。隨著這些技術(shù)的成熟，包括AGV在內(nèi)的多種應(yīng)用，都可以更加靈活地部署計算節(jié)點，如進一步云化AGV本體中的智能感知、導航定位等算法，這可以降低本體的成本，共享云端計算資源。