NAOqi OS

NAOqi OS — это операционная система реального времени (RTOS), разработанная французской компанией Aldebaran Robotics (в настоящее время подразделение корпорации SoftBank Robotics) для управления гуманоидными роботами, в первую очередь моделями NAO, Pepper и Romeo. Система обеспечивает низкоуровневое управление аппаратными компонентами, обработку сенсорных данных, выполнение поведенческих скриптов и взаимодействие с внешними приложениями через программные интерфейсы. NAOqi OS является основой программного стека NAOqi, который включает в себя как саму операционную систему, так и фреймворк для разработки приложений.

История

Разработка NAOqi OS началась в середине 2000-х годов в рамках проекта по созданию автономного гуманоидного робота NAO. Первоначально система базировалась на ядре Linux с набором патчей для обеспечения работы в реальном времени. Первая коммерческая версия NAOqi OS была выпущена в 2008 году вместе с роботом NAO (модель NAO V3). В 2010 году, с выходом модели NAO V4, система была значительно переработана: добавлена поддержка многопоточности, улучшена обработка видео с камер и внедрён новый планировщик задач.

В 2014 году, после выпуска робота Pepper, NAOqi OS была адаптирована для работы на более мощном аппаратном обеспечении, включая процессор Intel Atom. Версия 2.0, выпущенная в 2015 году, стала первой, официально поддерживающей Pepper и предоставляющей унифицированный API для обеих платформ. В 2018 году, с выходом NAOqi OS 2.5, была добавлена поддержка облачных сервисов SoftBank Robotics и улучшена интеграция с голосовыми ассистентами.

Последняя стабильная версия — NAOqi OS 2.9, выпущенная в 2021 году. Она включает исправления безопасности, оптимизацию энергопотребления и поддержку новых датчиков для робота NAO (модель NAO V6). Разработка системы продолжается в закрытом режиме, обновления распространяются только через официальный канал SoftBank Robotics.

Архитектура

Ядро и планировщик

NAOqi OS использует модифицированное ядро Linux (версии 3.x или 4.x в зависимости от релиза) с патчами PREEMPT_RT для обеспечения детерминированного поведения в реальном времени. Планировщик задач построен на основе алгоритма EDF (Earliest Deadline First) с приоритетным наследованием, что позволяет гарантировать выполнение критичных по времени задач (например, обработка данных с гироскопа или управление сервоприводами) с задержкой не более 1 миллисекунды.

Драйверы устройств

Система включает набор проприетарных драйверов для всех аппаратных компонентов роботов Aldebaran:

• Моторы и сервоприводы — драйверы для управления 25 степенями свободы (у NAO) или 20 (у Pepper) с обратной связью по положению и скорости.
• Сенсоры — драйверы для камер (2 камеры у NAO, 3 у Pepper), микрофонов (4 у Pepper), ультразвуковых дальномеров, инфракрасных датчиков, тактильных сенсоров, гироскопа и акселерометра.
• Коммуникационные модули — драйверы для Wi-Fi (802.11 b/g/n), Bluetooth и Ethernet.
• Аудиосистема — драйверы для динамиков и аудиокодека, поддерживающего синтез речи и распознавание команд.

Файловая система

NAOqi OS использует корневую файловую систему на базе SquashFS (сжатая, только для чтения) для системных файлов и отдельный раздел ext4 для пользовательских данных и логов. Размер корневого раздела составляет около 500 МБ, пользовательского — до 8 ГБ (на моделях с флеш-памятью). Система поддерживает монтирование внешних USB-накопителей и SD-карт.

Компоненты NAOqi

NAOqi OS тесно интегрирована с фреймворком NAOqi, который предоставляет программный интерфейс для разработки приложений. Основные модули фреймворка:

ALMemory

Центральное хранилище данных, работающее по принципу «ключ-значение». Все модули NAOqi (двигатели, сенсоры, поведенческие скрипты) читают и записывают данные в ALMemory. Например, положение суставов, показания датчиков, результаты распознавания речи и текущее состояние робота хранятся в этом модуле. Доступ к данным возможен через API на C++, Python или .NET.

ALMotion

Модуль управления движениями. Обеспечивает выполнение заранее заданных поз, траекторий и процедур (например, ходьба, захват предметов). Использует алгоритмы обратной кинематики и планирования пути. Поддерживает как жёсткое (позиционное), так и мягкое (силовое) управление сервоприводами.

ALSpeechRecognition и ALTextToSpeech

Модули для обработки речи. ALSpeechRecognition выполняет распознавание команд на основе предварительно загруженных грамматик (поддерживаются русский, английский, французский, японский, немецкий, испанский, итальянский, китайский и корейский языки). ALTextToSpeech синтезирует речь с использованием голосовых движков Nuance или Acapela.

ALVideoDevice

Модуль для работы с камерами. Позволяет захватывать видеопотоки, изменять параметры съёмки (разрешение, частота кадров, баланс белого) и применять алгоритмы компьютерного зрения (например, детекция лиц, распознавание QR-кодов).

ALBehaviorManager

Менеджер поведений. Управляет выполнением скриптов на языке Choregraphe (визуальный язык программирования, основанный на блок-схемах) или на Python. Поддерживает параллельное выполнение нескольких поведений и их приоритизацию.

Версии и совместимость

Система не имеет обратной совместимости: приложения, написанные для версии 1.x, не работают на версии 2.x без перекомпиляции. Для разработки под NAOqi OS используется SDK, доступный для Windows, macOS и Linux.

Применение

NAOqi OS используется в образовательных, исследовательских и коммерческих проектах. Роботы на базе этой системы применяются для:

• Обучения программированию и робототехнике в школах и университетах (более 10 000 роботов NAO поставлены в образовательные учреждения по всему миру).
• Исследований в области человеко-машинного взаимодействия, социальной робототехники и искусственного интеллекта.
• Работы в качестве ассистентов в торговых центрах, банках и отелях (робот Pepper используется компаниями SoftBank, Nestlé, Carrefour и другими).
• Терапии и реабилитации (например, работа с детьми с расстройствами аутистического спектра).

Ограничения и критика

Основные недостатки NAOqi OS включают:

• Закрытость кода — система является проприетарной, что ограничивает возможности модификации и аудита безопасности. Сообщество разработчиков не имеет доступа к исходным кодам ядра и драйверов.
• Зависимость от аппаратного обеспечения — NAOqi OS работает только на роботах Aldebaran/SoftBank Robotics. Попытки портировать систему на другие платформы (например, Raspberry Pi) не увенчались успехом из-за отсутствия драйверов.
• Ограниченная поддержка языков — хотя система поддерживает 9 языков для распознавания речи, качество распознавания на русском языке значительно ниже, чем на английском или японском.
• Устаревание версий — после выхода новой версии NAOqi OS, поддержка предыдущих прекращается в течение 1–2 лет, что вынуждает пользователей обновлять роботов или сталкиваться с отсутствием обновлений безопасности.

Источники

1. Aldebaran Robotics. «NAOqi OS Technical Documentation» (2015).
2. SoftBank Robotics. «Pepper Developer Guide» (2018).
3. Pot, E. et al. «Real-Time Operating Systems for Humanoid Robots: A Case Study of NAOqi» // Journal of Robotics and Autonomous Systems, 2017.
4. «NAOqi OS 2.9 Release Notes» (2021) — официальный сайт SoftBank Robotics.
5. «Programming Robots with NAOqi» — учебное пособие, издательство Springer, 2019.