CN111866070B - 一种面向异构地面无人平台的互操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种面向异构地面无人平台的互操作方法，首先建立有线/无线网络，用于地面无人平台之间的通信；然后，构建包含地面无人平台标识信息、动态发现机制、信息传输机制的互操作中间件；在每个地面无人平台构建最小信息交互单元，并在最小信息交互单元中部署互操作中间件，利用互操作中间件实现跨异构性的地面无人平台之间的互操作交互。本发明可以实现跨异构性的地面无人平台的互操作交互。

Description

一种面向异构地面无人平台的互操作方法
技术领域
本发明涉及异构无人平台控制技术领域，具体涉及一种面向异构地面无人平台的互操作方法。
背景技术
当前，地面无人平台的异构性日益扩大，异构性指在功能、架构、编程语言、操作系统等方面的差异。在复杂多变的环境下，增强各平台的互操作能力是实现多异构的无人平台间的密切集成与协作的基础。互操作性是两个或两个以上的系统或应用之间交换信息并相互利用所交换信息的能力，该能力是不同的无人平台间交流协作的保障，未来所有的无人平台都将得益于互操作性的增强。现有技术中，针对每一种异构的地面无人平台配备一个操控终端，无法直接实现不同异构性的地面无人平台之间的互操作交互。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种面向异构地面无人平台的互操作方法，可以实现跨异构性的地面无人平台的互操作交互。
本发明采用的技术方案如下：
一种面向异构地面无人平台的互操作方法，所述互操作方法步骤如下：
步骤一，建立有线/无线网络，用于地面无人平台之间的通信；
步骤二，构建包含地面无人平台标识信息、动态发现机制、信息传输机制的互操作中间件；
所述标识信息包括身份、访问权限、具备能力以及所需能力；
地面无人平台的具备能力包括发现能力、传输能力；发现能力以动态发现机制运行，所述动态发现机制基于去中心化的架构构建，每个地面无人平台将自己通信范围内发现的无人平台的标识信息存储在朋友列表内并实时更新，同时发出自身标识信息，基于不同地面无人平台之间具备能力与所需能力的供求关系进行匹配；传输能力以信息传输机制运行，完成匹配的地面无人平台之间通过信息传输机制实现信息交互；
步骤三，在每个地面无人平台构建最小信息交互单元，并在所述最小信息交互单元中部署互操作中间件，利用互操作中间件实现跨异构性的地面无人平台之间的互操作交互。
进一步地，步骤二中所述标识信息内的具备能力以及所需能力以服务形式描述。
进一步地，所述地面无人平台利用组播/广播的形式发出自身标识信息。
进一步地，所述身份包括平台标识号、计算单元标识号、功能模块标识号。
进一步地，所述信息传输机制为：每个地面无人平台将消息传输给自己的传输服务，不同地面无人平台间的传输服务之间完成信息交互。
有益效果：
1、本发明基于互操作协议，构建包含地面无人平台标识信息、动态发现机制、信息传输机制的互操作中间件，并在各无人平台中部署互操作中间件，能够凭借互操作中间件实现跨异构性的地面无人平台之间的互操作交互；
而且，本发明基于自动发现、去中心化、支持一对多通信的原则设计面向异构无人平台的互操作系统，为分布式架构，满足了多异构地面无人平台协同任务场景中不同平台之间自动发现、异构平台或模块间通信等互操作性需求；
其次，发现机制为实现互操作的基础，将标识信息存储在朋友列表内，实时更新，便于随时查找到拥有所需能力的平台，实现快速配对。
2、在紧耦合的系统中，不同应用程序的组件间的接口与功能紧密相连，当需要应用程序修改或变更时，接口的复用性就显得很差，系统的整体架构就需要更改，紧耦合的架构无法保证系统的灵活升级，也无法满足建立统一的异构平台操控终端的需求，而本发明基于松散耦合原则建立面向服务的架构，接口与功能的实现方式(具体平台或应用)无关，实现方式的改变不会对系统的整体架构造成影响，能够很好适应地面无人集群互操作系统的需求。
3、本发明根据层次划分建立各地面无人平台的身份信息，可以区分和快速确定各交互对象身份。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为互操作中间件设计方法流程图；
图3为互操作系统层次划分图；
图4为地面无人平台的身份信息示意图；
图5为动态发现机制通信连接示意图；
图6为地面无人平台的朋友列表示意图；
图7为信息传输机制传输示意图；
图8为各异构地面无人平台的互操作整体架构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种面向异构地面无人平台的互操作方法，如图1所示，方法具体步骤如下：
步骤1，建立有线/无线网络。
步骤2，构建互操作中间件。
互操作中间件是面向异构地面无人平台的互操作系统的核心，它基于互操作协议，将来自异构地面无人平台的数据进行转化，从而符合统一的标准，实现跨异构性的交互。如图2所示，具体为：
步骤201，建立各地面无人平台标识信息。标识信息包括身份、访问权限、具备能力以及所需能力。
如图3所示，为区分面向多异构地面无人平台的互操作系统的各交互对象身份，根据层次划分建立各地面无人平台的身份标识信息，将互操作系统划分为四层，自上而下为：系统层、平台层、计算单元层、功能模块层。系统层指多个异构地面无人平台构成的互操作系统；平台层包括在功能、架构、编程语言、操作系统等方面存在差异的多个异构地面无人平台；计算单元属于各无人平台，指具有完整处理能力的计算机或控制器单元；功能模块属于各计算单元，是实现无人平台的规划、感知、定位、控制等功能的单元，其具有的能力以服务的形式表达。
身份信息包含平台标识号、计算单元标识号、功能模块标识号，如图4所示。其中平台标识号用于区分不同的地面无人平台，是属于每个平台独有的身份ID信息；计算单元标识号用于区分不同无人平台内部的各计算单元，如控制器、板载计算机等；功能模块标识号用于区分同一无人平台下的感知、规划、控制等功能模块。
访问权限信息为限制访问平台标识信息的内容。
具备能力信息为平台自身功能模块所对应的能力，该能力以服务的形式描述。
所需能力信息为平台所需要能力的描述。
步骤202，建立基于去中心化的、面向服务的动态发现机制。
如图5所示，将基于中心化的消息配对机制中的中心功能分布在各无人平台单体(用A、A'、B、B'、C、C'表示)上，在这种去中心化的架构下，异构无人平台集群中的每个无人平台单体都可以高度自治，摆脱对中心的依赖，无人平台单体之间处于平等的地位，因此可以实现彼此自由的连接，形成新的连接单元，为后续任务的执行提供保障。每个无人平台单体都有消息配对功能，各单体通过发现功能建立朋友列表，请求方按需与被发现方报告能力匹配的无人平台建立配对关系，PM(publish message)表示发送的消息，RM(receivemessage)表示请求的消息，PM-B'箭头指向RM-A，表示B单体发送的消息与A单体请求的消息完成了配对，可见消息的请求方A、B、C与发送方B'、A'与C'得以自主进行配对，最后经由广播或组播等方式发现彼此，建立连接。具体为：
步骤2021，建立基于去中心化的动态发现机制的通信连接，查询并加入当前的无线/有线网络。
步骤2022，利用组播/广播的形式，请求方发出自身标识信息，请求所需服务，同时接收自己通信范围内发现的无人平台的标识信息。
被发现方报告自己的标识信息，包括自己所具有的以服务形式描述的能力。
步骤2023，构建平台“朋友列表”。
将被发现方加入请求方的“朋友列表”，“朋友列表”是包含通信范围内发现的无人平台的身份信息、所拥有的能力、请求的能力(所需能力)等信息的列表，实时更新。
在动态发现去中心化的基本架构中，每个单体必备发现功能，多个单体利用发现功能将发送方产生的信息与接受方请求的信息进行匹配，也就是发现机制。每个无人平台单体以广播或组播的形式，将自身拥有的服务(功能)、请求的服务以固定频率广播/组播。这样在通信范围内的即使是异构的无人平台单体也能动态发现彼此，并建立相应的朋友列表。如图6所示，A、B、C、A'、B'、C'分别代表异构的无人平台单体，它们拥有发现等服务，利用组播/广播的形式，各单体间共享着彼此的设备信息，并建立了记录能被发现到的设备拥有服务以及请求服务的列表，即“朋友列表”。
步骤203，构建平台之间基于服务的信息传输机制实现各无人平台间的信息共享。
为完成消息的传输，需引入传输服务，即地面无人平台必备传输能力。各单体的其他服务将消息传输给自己的传输服务，不同单体间的传输服务之间完成信息的交互，也就是传输机制。
如图7所示，基于服务的消息传输机制，已经完成了单体B与单体C间的动态发现，并建立了包含各单体拥有与请求服务的朋友列表，如过程①，服务1-发现建立朋友列表。
然后，单体B中的传输服务负责采集其他服务产生的消息，即过程②是单体的服务2或服务3产生消息发送给传输服务的过程。
之后，单体B的传输服务将采集的消息上传到物理传输层，即过程③，接着由物理传输层将该消息下发到单体C'，即过程④，由此实现单体B与单体C'间传输服务之间的信息交互。
最后，单体C'传输服务将进行信息的分拣，将不同的信息传递给需要的服务(假定消息类型1、2、3与服务5、6、7的消息类型一一对应)。
步骤3，部署互操作中间件。
在各异构平台新建符合平台自身架构的最小信息交互单元，并在该最小信息交互单元中部署互操作中间件。例如，最小信息交互单元可以为节点。若该异构平台为ROS架构，则构建ROS节点，若该异构平台为RCS架构，则构建RCS节点。节点中包括定制模块，用于将接收到的不同异构地面无人平台的信息转化为自身信息格式。
如图8所示，基于(Robot Operating System，机器人操作系统)架构、4D/RCS(4DReal-time Control Systems,4维实时控制系统)架构及其他架构的无人平台通过基于标准协议的互操作中间件进行互联互通。在各异构地面无人平台中，互操作中间件之间遵守互操作协议标准，实线部分的消息交互表示ROS架构地面无人平台、RCS架构地面无人平台与其他架构地面无人平台之间实现消息交互；互操作中间件被封装在一个节点里，短虚线部分的消息交互为针对不同的异构地面无人平台的定制部分，将消息转化为各平台内的消息格式，再发送给平台内其他节点，因此该方式不会影响平台自身各节点间的通信。长虚线部分为无人平台内节点间的消息交互。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种面向异构地面无人平台的互操作方法，其特征在于，所述互操作方法步骤如下：
步骤一，建立有线/无线网络，用于地面无人平台之间的通信；
步骤二，构建包含地面无人平台标识信息、动态发现机制、信息传输机制的互操作中间件；
所述标识信息包括身份、访问权限、具备能力以及所需能力；所述身份包括平台标识号、计算单元标识号、功能模块标识号；互操作系统划分为四层，自上而下为：系统层、平台层、计算单元层、功能模块层；所述平台标识号、计算单元标识号、功能模块标识号分别对应平台层、计算单元层、功能模块层；
地面无人平台的具备能力包括发现能力、传输能力；发现能力以动态发现机制运行，所述动态发现机制基于去中心化的架构构建，每个地面无人平台将自己通信范围内发现的无人平台的标识信息存储在朋友列表内并实时更新，同时发出自身标识信息，基于不同地面无人平台之间具备能力与所需能力的供求关系进行匹配；传输能力以信息传输机制运行，完成匹配的地面无人平台之间通过信息传输机制实现信息交互；
步骤三，在每个地面无人平台构建最小信息交互单元，并在所述最小信息交互单元中部署互操作中间件，利用互操作中间件实现跨异构性的地面无人平台之间的互操作交互；基于ROS架构、4D/RCS架构及其他架构的无人平台通过基于标准协议的互操作中间件进行互联互通。
2.如权利要求1所述的面向异构地面无人平台的互操作方法，其特征在于，步骤二中所述标识信息内的具备能力以及所需能力以服务形式描述。
3.如权利要求1所述的面向异构地面无人平台的互操作方法，其特征在于，所述地面无人平台利用组播/广播的形式发出自身标识信息。
4.如权利要求2所述的面向异构地面无人平台的互操作方法，其特征在于，所述信息传输机制为：每个地面无人平台将消息传输给自己的传输服务，不同地面无人平台间的传输服务之间完成信息交互。
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