靈活、以數(shù)據(jù)為中心的無(wú)人機(jī)平臺(tái)簡(jiǎn)化了任務(wù)適應(yīng)

由于無(wú)人駕駛飛行器（UAV）總是為特定任務(wù)而設(shè)計(jì)的，因此一旦建造和部署，它們往往難以適應(yīng)任務(wù)的變化。構(gòu)建易于適應(yīng)不同任務(wù)參數(shù)的無(wú)人機(jī)需要一種新的無(wú)人機(jī)架構(gòu)平臺(tái)方法。最大的優(yōu)勢(shì)是在運(yùn)營(yíng)階段顯著節(jié)省了成本、復(fù)雜性和時(shí)間。

構(gòu)建無(wú)人機(jī)平臺(tái)的部分技術(shù)挑戰(zhàn)是提供支持這種方法的集成框架。這種集成框架可以通過(guò)使用中間件來(lái)實(shí)現(xiàn)，以從無(wú)人機(jī)的各個(gè)組件中抽象出點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募?xì)節(jié)。這種類型的中間件已被創(chuàng)建為實(shí)時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（DDS），這是由對(duì)象管理組（OMG）發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，目前用于無(wú)人機(jī)和地面站的實(shí)現(xiàn)。

將無(wú)人機(jī)用于各種國(guó)防和商業(yè)目的的動(dòng)力日益增長(zhǎng)，暴露了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)策略的弱點(diǎn)和局限性。由于無(wú)人機(jī)總是為特定任務(wù)而設(shè)計(jì)的，因此一旦建造和部署，它們往往難以適應(yīng)任務(wù)的變化。一套新的任務(wù)配置文件需要設(shè)計(jì)另一架無(wú)人機(jī)。因此，隨著時(shí)間的推移，制造商和用戶組織必須維護(hù)多個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的生產(chǎn)和支持線，所有這些系統(tǒng)都具有通用架構(gòu)，但需要不同的性能，連接性或數(shù)據(jù)特征。

理想情況下，兩到三個(gè)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)可以作為平臺(tái)，可以很容易地適應(yīng)各種不同的任務(wù)。這些平臺(tái)將通過(guò)其物理特性（例如發(fā)電廠，機(jī)身和燃料容量）進(jìn)行區(qū)分，并具有互補(bǔ)的硬件和軟件。為了實(shí)現(xiàn)任務(wù)靈活性，組件應(yīng)在平臺(tái)上可現(xiàn)場(chǎng)更換和熱插拔，而不會(huì)造成中斷。軟件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)提供自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和配置，以便可以在實(shí)時(shí)系統(tǒng)上動(dòng)態(tài)添加和刪除組件，并立即識(shí)別并與系統(tǒng)集成。此外，節(jié)點(diǎn)應(yīng)該能夠在發(fā)生故障后隨時(shí)重新啟動(dòng)，并且應(yīng)用程序應(yīng)該能夠以任何順序啟動(dòng)。

從概念上講，這個(gè)想法很容易理解，但從技術(shù)上講，使用當(dāng)前的設(shè)計(jì)原則無(wú)法輕松實(shí)現(xiàn)。如今，每種車輛設(shè)計(jì)都需要一個(gè)專用的地面站，該地面站集成良好但價(jià)格昂貴。無(wú)人機(jī)飛行軟件通常針對(duì)每輛新車輛重新設(shè)計(jì)，有時(shí)甚至針對(duì)同一車輛上的不同任務(wù)或有效載荷進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。建造一種能夠適應(yīng)不同任務(wù)參數(shù)的無(wú)人機(jī)似乎并不可行。

相反，它需要一個(gè)新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)架構(gòu) - 一個(gè)既能提供功能又能靈活地承擔(dān)多個(gè)角色和任務(wù)的架構(gòu)，而無(wú)需返回繪圖板進(jìn)行大量修改。將此視為無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的“平臺(tái)方法”。就其本身而言，無(wú)人機(jī)平臺(tái)并不是任何單一任務(wù)配置文件的專家。當(dāng)配置適當(dāng)?shù)挠布蛙浖r(shí)，少量的無(wú)人機(jī)平臺(tái)可能能夠有效地為各種不同的任務(wù)提供服務(wù)，而DDS中間件是這個(gè)多任務(wù)框架的關(guān)鍵。

可配置的無(wú)人機(jī)平臺(tái)降低了復(fù)雜性

可配置無(wú)人機(jī)平臺(tái)在完成多項(xiàng)任務(wù)方面的成功有可能影響整個(gè)無(wú)人機(jī)產(chǎn)品生命周期。設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可能不那么復(fù)雜，因?yàn)樵撈脚_(tái)在概念上和技術(shù)上都更簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)參數(shù)會(huì)改變，因?yàn)樾枰С址秶鼜V的任務(wù)，但總體上應(yīng)該變得不那么復(fù)雜。

最大的優(yōu)勢(shì)很可能在生命周期的運(yùn)營(yíng)階段看到。首先，需要支持的無(wú)人機(jī)型號(hào)將減少 - 也許是兩個(gè)或三個(gè)平臺(tái)，而不是十幾個(gè)或更多不同的型號(hào)。這使得配置更簡(jiǎn)單、更便宜，庫(kù)存管理變得不那么復(fù)雜。但最終它降低了支持的復(fù)雜性和成本，因?yàn)橐粋€(gè)地面站可以為平臺(tái)提供服務(wù)，而不需要為每個(gè)單獨(dú)的無(wú)人機(jī)模型提供單獨(dú)的地面配置。由于無(wú)人機(jī)平臺(tái)本身沒(méi)有為任何特定任務(wù)配置文件配備，因此可能需要更多的組件和技術(shù)支持才能將無(wú)人機(jī)平臺(tái)重新配置為特定的角色和任務(wù)。然而，這將被支持和配置更少的無(wú)人機(jī)模型以及設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)架構(gòu)上更簡(jiǎn)單的無(wú)人機(jī)平臺(tái)所獲得的優(yōu)勢(shì)所抵消。

集成框架連接解決了挑戰(zhàn)

達(dá)到無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)可以作為多任務(wù)平臺(tái)的程度是一項(xiàng)重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。這一挑戰(zhàn)的很大一部分是提供支持這一概念的集成框架。如今，無(wú)人機(jī)的實(shí)施是由儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、控制表面和地面控制站之間的專用硬連線連接驅(qū)動(dòng)的。雖然此配置可以保證需要數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)的組件之間的數(shù)據(jù)可用性，但當(dāng)存在多個(gè)互連時(shí)，它變得復(fù)雜。

此外，硬連線配置具有很強(qiáng)的抗更改性。例如，如果將來(lái)由于新的儀器，子系統(tǒng)或傳感器而增加帶寬要求，則可能無(wú)法在該無(wú)人機(jī)上獲得所需的性能或可用性保證。事實(shí)上，這是無(wú)人機(jī)傾向于針對(duì)特定任務(wù)的原因之一。

相反，真正的平臺(tái)可以容納所有可能的數(shù)據(jù)源和消費(fèi)者之間的完全互連。乍一看，這可能非常復(fù)雜，因?yàn)闆](méi)有先入為主的數(shù)據(jù)路徑，網(wǎng)絡(luò)帶寬或時(shí)間確定性概念。即使可以設(shè)計(jì)和構(gòu)建這樣的配置，似乎也不能保證可用帶寬能夠滿足任何給定儀器組合的實(shí)際性能和實(shí)時(shí)要求。

平臺(tái)還需要能夠?yàn)槿魏慰赡艿呐渲锰峁┍匾膸挕⑿阅芎捅ＷC。當(dāng)然，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，總有一些情況需要權(quán)衡取舍，但例如，對(duì)于多特派團(tuán)一體化框架來(lái)說(shuō)，性能、可靠性和實(shí)時(shí)確定性之間的技術(shù)權(quán)衡應(yīng)該既是可能的，也是合理的。

通過(guò) DDS 實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的體系結(jié)構(gòu)

這種集成框架可以通過(guò)使用軟件層或中間件來(lái)實(shí)現(xiàn)，該軟件層或中間件將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募?xì)節(jié)從無(wú)人機(jī)的各個(gè)組件中抽象出來(lái)。通過(guò)這樣做，該中間件可以提供輕松添加新硬件和應(yīng)用程序的能力，使用多個(gè)可用路由使數(shù)據(jù)可用以確保實(shí)時(shí)可用性，支持多種傳輸協(xié)議，并提供針對(duì)特定配置和任務(wù)的調(diào)整。

這種類型的軟件層已創(chuàng)建為實(shí)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，這是由對(duì)象管理組發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)使用發(fā)布-訂閱通信模型使數(shù)據(jù)創(chuàng)建者能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā)布到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并允許數(shù)據(jù)使用者訂閱來(lái)自此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。DDS 發(fā)布-訂閱模型自動(dòng)將信息生產(chǎn)者（發(fā)布者）與信息消費(fèi)者（訂閱者）連接起來(lái)。通信在空間（節(jié)點(diǎn)可以在任何地方）、時(shí)間（交付可能在發(fā)布后立即或稍后）和流程（交付可以可靠地進(jìn)行，調(diào)整到可用帶寬）中解耦。

在 DDS 實(shí)現(xiàn)中，數(shù)據(jù)從物理源和目標(biāo)中抽象出來(lái)，并可供訂閱它的任何應(yīng)用程序訪問(wèn)，而與源的位置和傳輸數(shù)據(jù)的特定鏈路技術(shù)無(wú)關(guān)（圖 1）。由于 DDS 耦合是松散且匿名的，因此可以在運(yùn)行時(shí)定義、創(chuàng)建和銷毀通信路徑。此外，DDS實(shí)現(xiàn)會(huì)自動(dòng)“發(fā)現(xiàn)”請(qǐng)求發(fā)布者和訂閱者，在運(yùn)行時(shí)在它們之間建立連接，而無(wú)需以前的配置。DDS 還支持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)所需的數(shù)據(jù)彈性。

圖 1

此外，在考慮我們的多任務(wù)無(wú)人機(jī)平臺(tái)時(shí)，DDS標(biāo)準(zhǔn)定義了一套全面的服務(wù)質(zhì)量（QoS）參數(shù)。由于可能存在設(shè)計(jì)權(quán)衡，工程師可以在性能、可靠性、確定性和其他影響系統(tǒng)執(zhí)行其任務(wù)能力的因素之間配置平衡。DDS QoS 參數(shù)指定組件與整個(gè)模型的屬性以及數(shù)據(jù)傳輸本身之間的耦合程度。

DDS 包括可靠性、持久性、截止日期、優(yōu)先級(jí)和數(shù)據(jù)所有權(quán)等 QoS 參數(shù)。通過(guò)調(diào)整QoS參數(shù)，系統(tǒng)和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)人員將能夠確保數(shù)據(jù)傳輸和接收滿足每個(gè)系統(tǒng)和應(yīng)用的獨(dú)特需求?？梢栽谶\(yùn)行時(shí)更改 QoS 參數(shù)設(shè)置，支持特定任務(wù)的重新配置，而無(wú)需重新構(gòu)建應(yīng)用軟件。豐富的 QoS 參數(shù)集使得在各種處理器和網(wǎng)絡(luò)（包括嵌入式處理器和網(wǎng)絡(luò)）上實(shí)現(xiàn) DDS 成為可能。

DDS 從根本上說(shuō)是設(shè)計(jì)用于不可靠的傳輸，例如 UDP 或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。任何設(shè)施都不需要中央服務(wù)器或特殊節(jié)點(diǎn)。所有通信（包括發(fā)現(xiàn)）都是嚴(yán)格對(duì)等的，并且可以選擇采用多播來(lái)提高效率和可擴(kuò)展性。

示例：以數(shù)據(jù)為中心的集成基礎(chǔ)

考慮一個(gè)使用DDS實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)，作為支持大部分可互換硬件和應(yīng)用程序的軟件集成平臺(tái)。將DDS中間件作為數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)，可以為實(shí)際有效負(fù)載提供極大的靈活性。它可以專注于傳感器和數(shù)據(jù)記錄儀器，確保連續(xù)的數(shù)據(jù)流可用于記錄和分析數(shù)據(jù)?；蛘撸梢詫Ｗ⒂趯?shí)時(shí)通信，確?？煽亢痛_定地交換進(jìn)出地面站的遙測(cè)數(shù)據(jù)。創(chuàng)建平臺(tái)后，工程師可以仔細(xì)查看 QoS 權(quán)衡，以確保滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)可用性要求?？梢栽谶\(yùn)行時(shí)更改 QoS 設(shè)置，以滿足特定的任務(wù)要求。

無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)中的新興用途

DDS目前用于無(wú)人機(jī)和地面站的實(shí)施。例如，DDS中間件是通用原子高級(jí)駕駛艙地面控制站（GCS）的基礎(chǔ)。GCS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成了控制和信息顯示，合成視頻和融合的態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)。

DDS中間件構(gòu)成了該站的軟件通信骨干。DDS 發(fā)布-訂閱架構(gòu)簡(jiǎn)化了通信的系統(tǒng)集成。例如，任何系統(tǒng)組件都可以訂閱傳入的飛機(jī)遙測(cè)流，例如緯度和經(jīng)度、俯仰、滾動(dòng)和空速參數(shù)。例如，它還允許用戶連接多個(gè)工作站，允許一個(gè)站點(diǎn)的飛行員與另一個(gè)站點(diǎn)的傳感器操作員密切合作。

作為另一個(gè)例子，原位掃描鷹長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)在車輛本身和地面控制站中使用DDS（圖2）。在機(jī)身上，DDS連接飛行計(jì)算機(jī)，傳感器和機(jī)載應(yīng)用計(jì)算機(jī)。在地面站內(nèi)，DDS連接解碼數(shù)據(jù)饋送的系統(tǒng)，分析無(wú)人機(jī)的情況，并與操作員控制接口。DDS實(shí)現(xiàn)了具有良好控制數(shù)據(jù)流的分層控制網(wǎng)絡(luò)。例如，這使得Insitu能夠在多個(gè)地面站之間無(wú)縫切換控制，并通過(guò)不可靠的低帶寬鏈路可靠地連接到飛機(jī)。

圖 2

DDS QoS的可配置性也使其非常適合有損網(wǎng)絡(luò)，例如車輛和地面站之間的無(wú)線連接可能遇到的網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)然，DDS并不能解決圍繞實(shí)施靈活無(wú)人機(jī)平臺(tái)的所有挑戰(zhàn)。設(shè)備和有效載荷重量、空氣動(dòng)力學(xué)平衡、成本和功耗等因素將驅(qū)動(dòng)不同的無(wú)人機(jī)平臺(tái)，即使采用靈活且響應(yīng)迅速的集成模型也是如此。但鑒于DDS標(biāo)準(zhǔn)在抽象和管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流方面的功能，它可以為構(gòu)建多用途無(wú)人機(jī)平臺(tái)提供基本方法。

審核編輯：郭婷