无人机架构

无人机架构

基本设计需求，如：

（1）慎思规划和反应式行为；

（2）容许不确定性；

（3）考虑危险；

（4）灵活性强。

闭环控制解决方案推荐用于不处理复杂外部事件的简单机器人系统。分层构架能很好实现构件的组织，但是在实时环境中处理外部事件时其反应过慢。推荐 TCA 用于较复杂的机器人项目，并已在众多移动机器人上得到应用。TCA 为性能、容 错、安全性和并发性提供了一套完整的任务协调机制和规定。TCA 架构由位于同一层次的任务或任务树组成。在运行过程中任务树会作很多动态调整以适应环境条件和机器人状态的改变。第四种解决方案黑板构架由一个中心黑板或 数据库构成，负责接收和发送命令、共享数据和解决冲突。它支持并发性且有异常处理程序来处理不确定性。

图1 移动机器人架构类型

接下来是具体架构演变从A-->D

A. 开放控制平台

OCP包括：

1）中间件基于实时CORBA ，提供一个通信网络将对象按client/server关系连接至组件；

2）仿真环境；

3）工具集成支持；

4）控制应用程序接口 （Application Programmer Interface ，API）。OCP中间件采用C++编写，并提供一个publish/subscribe环境，可在主机或其他分布式计算机运行而不必修改源代码

图2 OCP层级结构

B. WITAS分布式UAV架构

此设计的软件架构包括一个慎思、反应和控制部分，因此不再是一个分层递阶 结构而是一个“以反应为中心”的架构。此反应中心的架构是一个高度分布、松散耦合、并发的架构，具有很多反应控制和并发运行的服务进程。CORBA是一个 将对象和组件连接起来的中间件，它通过一个通讯服务建立client/server关系。图3所示为WITAS架构的一些上层软件组件。

图 3 分布式UAV WITAS架构的软件组件

 C. ARL/PSU智能控制器

ARL/PSU共分为三个层级，顶层为任务管理层，它响应中间层行为（如攻击规划实施）的控制请求。底 层行为层生成输出指令（例如给自动驾驶仪、传感器、发送信息）。只要不发生冲突，可执行多个行为。Long 等9指 出，IC架构的一些关键特性包括应对意外情况、自动实时动态规划、态势感知、常见的多机协作体系结构，以及列入新功能的灵活性和在任何层级可选的人机互 动。测试模型是一个固定翼的SIG Kadet Senior (总重14lbs)，具有稳定的飞行特性和缓慢的飞行速度。

图4 ARL/PSU 智能控制器高层架构(2008)5

 D. SheLion UAV系统

他们的软件实现了以下功能，如硬件驱动、输入/输出、控制律实施、设备操作管理、多任务调度以及事件调度。他们称使用 了一种新型软件系统/行为架构，为新的模块和控制功能提供了灵活性和可扩展性。他们指出此架构可以普遍应用到无人机,包括机载软件系统和地面控制站的软件 系统。

　　机上软件系统使用一个实时操作系统(RTOS),其中包括一个飞行控制和一个视觉处理模块，基于航电系统的硬件配置如图5所示。

图5 SheLion UAV系统的硬件配置

　　飞行控制模块使用多线程框架，用于操作导航传感器和伺服作动器、日志记录飞行数据、与地面站通信以及实施自动控制算法。自动控制采用基于行为的体系结构8。SheLion飞行控制系统的框架如图6所示。

图6 SheLion飞行控制软件系统框架

　一 个类似的框架用于板载视觉计算机的实时图像处理。图6飞行控制的软件框架将每个设备或任务画成框图形式。NAV块与GPS辅助姿态航向参考系统 (AHRS)进行交互,提供飞行测量数据并估计无法直接测量的飞行状态(自动控制所必需的)。CTL块实施自动飞行控制律。它由NAV块所生成的全局共享 数据得到飞行状态,根据飞行状态执行控制算法,并生成控制信号驱动伺服执行机构。任务管理使用多线程架构,在这种架构中,每个线程是一个单独的任务。任务 调度由MAIN线程执行,由高精度定时器(纳秒精度)发出一个脉冲信号,按照预定义的频率激活MAIN线程。根据功能的复杂性，分配给每个线程一个时间范围/槽。

　　Cai等16使 用基于行为的飞行调度块来区分不同的飞行模式。飞行计划可以存储在无人直升机的飞行调度块里或由地面站生成。任何无人机直升机的作业都被认为是带有特定参 数的特定行为(如控制信号和执行时间限制)。分层控制系统块(CTL)用于识别行为和实施相应的自动控制算法,驱动伺服执行机构。

SheLion的地面控制站是一个监控和指挥无人直升机的无线用户终端。在飞行测试中,数据由板载系统传输到地面站并显示。SheLion地面控制站框架如图7所示。

图7 SheLion地面控制站软件框架