Robotics System Architecture

Amazon FC (Fulfilment Centre) в Трейси, Калифорния - 3000 Kiva роботов, 750,000 полок, 1 миллион SKU. Без коллизий, без остановок, 24/7. Это не просто алгоритм - это fleet architecture, real-time scheduling, safety systems и OTA обновления в промышленном масштабе.

• **Amazon Robotics** - centralized fleet management + MAPF для 3000+ роботов в одном складе без коллизий
• **Waymo** - perception pipeline с triple redundant LiDAR + camera + radar, safety monitor независимый от planning
• **Boston Dynamics Spot Enterprise** - fleet coordination через Orbit platform: маршруты, инспекции, OTA updates для 100+ роботов

Perception Pipeline: от сенсоров к пониманию мира

Perception pipeline - последовательность трансформаций от сырых данных сенсоров до семантического понимания мира. Каждый этап вносит задержку. Каждый этап может стать узким местом. Проектирование pipeline - это оптимизация одновременно по точности, latency и вычислительной стоимости.

Параллелизм pipeline: каждый этап может запускаться в отдельном thread или процессе ROS 2. LiDAR в 360-360 Hz, IMU в 1000 Hz, Camera в 30-60 fps - все разные частоты. Timestamp synchronization и interpolation критичны для корректной fusion.

Tesla Autopilot отказался от LiDAR в пользу camera-only perception. Аргумент: LiDAR не работает в дождь так же хорошо как камера, и дорог. Waymo наоборот: redundancy через разные физические принципы. Это архитектурное решение определяет весь pipeline downstream.

Real-Time: детерминизм в критических системах

Real-time в робототехнике - это не 'быстро'. Это 'гарантированно вовремя'. Worst-case execution time (WCET) должен быть меньше deadline. Пропущенный deadline в управлении рукой хирургического робота - катастрофа.

Hard real-time: любой пропуск deadline = failure. RTOS (QNX, VxWorks, RT-Linux) с preemptible kernel, priority-based scheduling. Soft real-time: статистически редкие пропуски допустимы - стриминг видео, UI. Робот-хирург - hard. Робот-склад Amazon - soft с safety margins.

EtherCAT - fieldbus протокол для hard real-time управления. 1kHz cycle с jitter < 1 microsecond. Используется в промышленных манипуляторах (KUKA, ABB, FANUC). ROS 2 + EtherCAT через ros2_control - стандартная связка для research robots с industrial-grade actuators.

Safety-Critical: проектирование для отказов

Safety-critical design начинается с предположения: любой компонент может отказать. Задача - чтобы отказ одного компонента не привёл к катастрофе. Fault tolerance через redundancy, fail-safe states и graceful degradation.

IEC 61508 - международный стандарт для safety-critical software. Safety Integrity Level (SIL) от 1 до 4. Автомобильный ASIL D (самый высокий) требует: dual-core lockstep CPUs, ECC RAM, hardware watchdog, независимая safety monitor MCU. ISO 26262 - автомобильная версия.

Collision avoidance - последний рубеж безопасности. ISO/TS 15066 определяет допустимые силы контакта human-robot. Collaborative robots (UR, Fanuc CRX) имеют встроенные force sensors: при превышении порога - immediate stop за <100ms. Это не RL, не planning - это hardware interrupt.

Fleet Management: сотни роботов как единая система

Fleet management - управление множеством роботов в одном пространстве. Amazon складские роботы: тысячи Kiva/Proteus на одном складе. Задача: coordination без коллизий, оптимальное распределение задач, online replanning при отказах.

Multi-robot path planning: MAPF (Multi-Agent Path Finding). CBS (Conflict-Based Search) - оптимальный но дорогой. Decentralized variants: каждый робот планирует локально с учётом соседей через ORCA (Optimal Reciprocal Collision Avoidance). Amazon использует centralised traffic management с prioritization rules.

ROS Fleet Management Tools: Fleet Adapter (Open-RMF) - middleware для inter-vendor robot coordination. Позволяет роботам разных производителей работать в одном пространстве. Используется в аэропортах (Singapore Changi), госпиталях, логистических центрах.

Связанные темы

System architecture объединяет все компоненты курса робототехники:

• Sensor Fusion — Ключевой компонент perception pipeline
• RL для роботов — RL policies работают внутри этой архитектуры
• Autonomous Vehicles — Наиболее зрелая реализация robotics architecture

Ключевые идеи

• **Perception pipeline** - последовательность сенсор-к-семантике с trade-off между latency, точностью и compute
• **Real-time** в робототехнике = детерминированные WCET гарантии, не просто скорость; hard vs soft RT - разные инструменты
• **Safety-critical design** через redundancy (TMR), fail-safe states и hardware E-stop независимо от software
• **Fleet management** - MAPF алгоритмы + centralized/decentralized coordination для тысяч роботов без коллизий

Вопросы для размышления

• Tesla выбрала camera-only perception, Waymo - multi-modal. Какая архитектура правильнее и в каких условиях?
• Как OTA обновления production robots балансируют между скоростью деплоя новых возможностей и safety verification?
• При каком числе роботов decentralized ORCA превосходит centralized CBS по практической эффективности?

Связанные уроки

• rob-03 — ROS 2 - стандартный middleware для robotics system architecture
• rob-06 — Sensor Fusion - ключевой компонент perception pipeline
• rob-12 — RL для роботов работает внутри этой архитектуры
• rob-13 — Autonomous Vehicles - наиболее зрелый пример robotics system architecture
• par-17 — Асинхронное программирование критично для real-time robot software
• se-03