CN112260747A

CN112260747A - 机载协同控制与中继传输系统

Info

Publication number: CN112260747A
Application number: CN202011118503.0A
Authority: CN
Inventors: 王彦刚; 魏祥麟; 俞石云; 施伟; 杨海涛; 王龙
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2021-01-22
Anticipated expiration: 2040-10-19
Also published as: CN112260747B

Abstract

本发明公开了一种机载协同控制与中继传输系统，涉及无线通信技术领域。所述系统包控制端和通信端，所述控制端包括第一CPU处理器、第一控制口、以太网口A、以太网口B、Linux系统、ROS系统、ROS节点和波形代理模块；所述通信端包括第二CPU处理器、第二控制口、以太网口A’、以太网口B’、信道A、信道B、Linux/VxWorks系统、硬件抽象层、CORBA中间件、SCA核心框架、波形管理组件和波形组件。所述系统通用性好、易升级，便于无人机集群的协同控制与数据量大、传输实时性要求高业务的中继传输。

Description

机载协同控制与中继传输系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种通用性好、易升级的基于ROS和SCA系统的机载协同控制与中继传输系统。

背景技术

近些年，无人机技术得到了快速发展并广泛应用于侦察、中继通信等各种领域。但单无人机能力有限，难以满足复杂任务的需求，因此，无人机集群技术理念应运而生，其主要思想就是：数量多且能力有限的无人机通过协同合作来完成高复杂度任务。无人机集群的一个关键技术就是多机协同。当前很多研究人员将机器人操作系统（Robotic OperationSystem，下文简称为ROS）引入无人机集群，利用ROS系统来实现无人机之间的协同。

ROS系统是当前机器人领域事实上的标准，已经在很多机器人系统里得到了广泛应用。ROS系统可由多个物理分离的部件组成。因此，人们将无人机集群视为一个ROS系统，其中，每架无人机作为ROS系统的一个部件，ROS Master则运行在集群簇头飞机上，无人机集群的协同控制则完全可以依靠ROS系统来实现。在ROS系统中，各节点之间采用发布/订阅机制方式交互信息，所有节点首先都要向ROS Master注册，并且所有节点产生的消息首先都要汇集到ROS Master的消息池中，然后再进行分发。因此，每架无人机都应该尽可能地与簇头飞机保持稳定的通信连接。由于无人机机动范围大，无人机之间的通信距离也较大，为了保证无人机之间的通信链路稳定，无人机往往会采用抗干扰能力强、传输距离远、传输速率相对低的通信波形进行协同通信，完成协同控制消息的传输。但是当无人机集群完成一个长距离、大数据量的实时中继任务时，无人机之间的低通信速率以及ROS系统先汇集再分发的消息传输机制就会显得十分低效，甚至难以满足任务要求。

如果无人机具有两个通信模块，一个用于传输ROS系统中的协同控制消息；另一个则根据任务的不同而部署传输能力相适应的通信波形，则可以解决上述问题。例如：当执行数据量大的实时中继任务时，簇头飞机可以控制无人机集群构建一条从数据源到指挥中心的中继传输链路，并且根据无人机之间的距离以及中继传输链路速率要求，向参与构建中继链路的无人机发送部署相应中继传输波形的控制命令，这些无人机接收到控制命令后，则部署相应中继传输波形，并通过中继传输波形将数据中继至指挥中心。但是ROS系统并不具备通信波形的管理和动态部署能力。软件通信体系结构（Software CommunicationArchitecture，SCA）作为软件无线电领域的一个重要体系结构，目前已十分成熟且已得到了广泛应用，其具有通用的软硬件平台，能够管理和集成多种通信波形，具有波形动态部署、波形易升级、波形易集成等优点，其完全可以弥补ROS系统在通信波形管理和部署方面的劣势。因此，在协同控制与中继传输并重的场景下，将ROS控制系统和SCA通信系统进行高效融合，能够有效提升无人机集群中继传输任务的完成效率。经前期的研究发现，目前还没有关于ROS系统与SCA系统相互融合的研究成果公开。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种通用性好、易升级，便于无人机集群的协同控制与数据量大、传输实时性要求高业务的中继传输的机载协同控制与中继传输系统。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种机载协同控制与中继传输系统，其特征在于：包括控制端和通信端，

所述控制端包括第一硬件平台层、第一操作系统层、第一中间件层以及第一应用层，所述第一硬件平台层包括第一CPU处理器、第一控制接口、以太网口A以及以太网口B，所述第一控制接口、以太网口A以及以太网口B与所述第一CPU处理器双向连接；所述第一操作系统层包括第一Linux系统；所述第一中间层包括客户端库模块、TCPROS/UDPROS模块、节点API模块以及波形代理模块；所述第一应用层包括Master节点以及若干ROS节点；

所述通信端包括第二硬件平台层、第二操作系统层、第二中间件层以及第二应用层，所述第二硬件平台包括第二CPU处理器、第二控制接口、以太网口A’以及以太网口B’、信道A以及信道B，所述第二控制接口、以太网口A’以及以太网口B’、信道A以及信道B与所述第二CPU处理器双向连接；所述第二操作系统层包括第二Linux/VxWorks系统；所述第二中间件层包括硬件抽象层、CORBA中间件以及SCA核心框架；所述第二应用层包括波形管理组件以及若干个波形组件；

所述第一控制接口与第二控制接口连接，所述以太网口A与以太网口A’连接，所述以太网口B与以太网口B’连接，所述第一CPU处理器与第二CPU处理器之间通过相互连接的控制口以及以太网口连接；所述控制口用于分别连接波形代理模块和波形管理组件；

所述信道A为支持通信波形动态部署的通信平台，信道A上运行的通信波形用于将来自以太网口A’的数据发送到空中并将从空中接收到的数据转发给以太网口A’；

所述信道A可用作部署协同控制通信波形；

所述信道B为支持通信波形动态部署的通信平台，信道B上运行的通信波形用于将来自以太网口B’的数据发送到空中并将从空中接收到的数据转发给以太网口B’；

所述信道B可用作部署中继通信波形；

所述ROS节点通过以太网口A、以太网口A’和信道A发布订阅协同控制消息，通过以太网口B、以太网口B’和信道B中继传输实时数据；

所述波形代理模块用于将ROS节点发出的波形部署命令通过第一控制口传输至波形管理组件；

所述波形管理组件用于根据波形代理模块发出的波形部署命令对信道A和信道B进行通信波形的加载、配置和卸载。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1）具备高效的协同控制与中继传输的能力：在ROS系统中引入了双网口，以太网口A和以太网口B，分别与信道A和信道B连接，使得协同控制信息和中继数据可通过不同的信道进行传输。由于协同控制消息和中继数据在数据量、实时性要求等方面存在差异，因此，协同控制信道和中继传输信道可以根据不同的需求而部署不同的通信波形，从而同时保证协同控制与中继传输能力的高效性；

2）通用性好：ROS系统和SCA系统都具有良好的开放性和通用性，本发明通过波形代理模块和波形管理组件实现了两个系统的融合，并没有破坏两个系统的开放性和通用性，因此，用户可以将ROS系统和SCA系统上开发的应用部署到本发明的装置中运行；

3）易升级：保持了控制端和通信端分离的设计方案，控制端和通信端通过控制口（串口或USB口）、以太网口连接，ROS系统和SCA系统运行在不同的CPU处理器上，耦合性弱，因此，控制端和通信端具备技术独立发展的技术条件，系统升级容易。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例所述系统的原理框图；

图2是本发明实施例中硬件抽象层的消息格式；

图3是本发明实施例中波形部署命令的消息格式；

图4是本发明实施例中波形代理模块load_wave函数的执行流程图；

图5是本发明实施例中波形代理模块set_wave函数的执行流程图；

图6是本发明实施例中波形代理模块offload_wave函数的执行流程图；

图7是本发明实施例中波形管理组件的流程图；

图8是本发明实施例中无人机编队构建中继通信链路阶段的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明实施例公开了一种机载协同控制与中继传输系统，包括控制端和通信端，

所述信道A用作部署协同控制通信波形；

所述信道B用作部署中继通信波形；

进一步的，所述波形代理模块与波形管理组件之间基于硬件抽象层消息进行交互，消息的Payload部分包括信道编号和波形部署命令，格式如图2所示；

所述信道编号用于区分信道A和信道B，信道A用于传输ROS节点之间的协同控制消息，也可称作协同控制信道，信道B用于中继传输ROS节点从外部环境采集的实时数据，也可称作中继传输信道；

进一步的，如图3所示，所述波形部署命令包括命令类型和命令参数；所述命令类型包括波形加载、波形配置、波形卸载和命令应答；所述命令参数包括与命令类型对应的参数；

当命令类型为波形加载时，对应的命令参数为波形编号；所述波形编号是用于标识不同的通信波形的阿拉伯数字；

所述的波形为多个波形组件组合运行的结果，即波形由若干波形组件组成；

当命令类型为波形配置时，对应的命令参数为波形编号和配置参数；

当命令类型为波形卸载时，对应的命令参数为波形编号；

当命令类型为命令应答时，对应的命令参数为波形加载、波形配置和波形卸载命令的执行结果。

进一步的，所述波形代理模块为运行在Linux系统上的一组C语言函数，包括load_wave函数、set_wave函数和offload_wave函数。

进一步的，如图4所示，所述load_wave函数包括如下步骤：

S101：输入参数：输入参数包括信道编号和波形编号；

S102：构建波形加载命令消息：构建包括波形加载命令和波形编号的消息；

S103：构建硬件抽象层消息：硬件抽象层消息中的LD字段为波形管理组件的LD，Paylad字段包括信道编号和波形加载命令消息，硬件抽象层消息格式如图2所示；

S104：发送硬件抽象层消息：将硬件抽象层消息通过控制接口发送至波形管理组件；

S105：返回执行结果：等待波形管理组件发回的执行结果，执行结果在有效时间内到达，则返回执行结果，等待超时，则返回-1；

进一步的，如图5所示，所述set_wave函数包括如下步骤：

S201：输入参数：输入参数包括信道编号、波形编号和波形配置参数；

S202：构建波形配置命令消息：构建包括波形配置命令、波形编号和波形配置参数的消息；

S203：构建硬件抽象层消息：硬件抽象层消息中的LD字段为波形管理组件的LD，Paylad字段包括信道编号和波形配置命令消息，硬件抽象层消息格式如图2所示；

S204：发送硬件抽象层消息：将硬件抽象层消息通过控制接口发送至波形管理组件；

S205：返回执行结果：等待波形管理组件发回的执行结果，执行结果在有效时间内到达，则返回执行结果，等待超时，则返回-1；

进一步的，如图6所示，所述offload_wave函数包括如下步骤：

S301：输入参数：输入参数包括信道编号和波形编号；

S302：构建波形卸载命令消息：构建包括波形卸载命令和波形编号的消息；

S303：构建硬件抽象层消息：硬件抽象层消息中的LD字段为波形管理组件的LD，Paylad字段包括信道编号和波形卸载命令消息，硬件抽象层消息格式如图2所示；

S304：发送硬件抽象层消息：将硬件抽象层消息通过控制接口发送至波形管理组件；

S305：返回执行结果：等待波形管理组件发回的执行结果，执行结果在有效时间内到达，则返回执行结果，等待超时，则返回-1；

进一步的，所述波形管理组件为运行在SCA核心框架上的组件，如图7所示，其包括以下步骤：

S401：等待硬件抽象消息：等待波形代理模块发送来的硬件抽象层消息并提取波形部署命令消息；

S402：解析波形部署命令：提取信道编号、命令类型和命令参数；

S403：执行波形加载命令：当命令类型为波形加载时，按如下步骤：

S4031：检索波形组合表：以波形编号为索引，检索波形组合表，获取波形所包含的波形组件；

所述波形组合表保存于波形管理组件中，其包括波形编号列和波形组件集合列；所述波形编号列包含了通信端所支持的通信波形的编号；所述波形组件集合列包括与波形编号对应的波形组件集合；每个波形编号对应至少一个波形组件；

S4032：加载波形组件：加载波形编号所对应的波形组件至信道编号所对应的信道上；

S4033：返回加载结果：以波形加载成功或失败信息为内容构建硬件抽象层消息，并发送至波形代理模块；

S404：执行波形配置命令：当命令类型为波形配置时，按如下步骤：

S4041：配置波形：对信道编号所标识的信道上的波形组件进行配置；

S4042：返回加载结果：以波形配置成功或失败信息为内容构建硬件抽象层消息，并发送至波形代理模块；

S405：执行波形卸载命令：当命令类型为波形卸载时，按如下步骤：

S4051：卸载波形：将信道编号所标识的信道上的波形组件进行卸载；

S4052：返回加载结果：以波形卸载成功或失败信息为内容构建硬件抽象层消息，并发送至波形代理模块。

在本发明的一个实施例中，假设：指挥中心能够接收中继通信波形发送来的数据，其IP地址配置为192.168.1.1；波形代理模块的LD为0x1，波形管理组件的LD为0x2；无人机编队包括一架簇头飞机和两架无人机，并且每架飞机上都安装了机载协同控制与中继传输系统，该系统网络地址配置如下：

1、簇头飞机上的机载协同控制与中继传输系统，其以太网口A对应的IP地址为10.90.1.1，其网关设置为10.90.1.254、子网掩码为255.255.255.0；以太网口A’对应的IP地址设置为10.90.1.254；信道A部署了用于传输ROS节点消息的通信波形，该通信波形具有抗干扰能力强、通信距远、通信速率低等特点；

2、无人机A上的机载协同控制与中继传输系统，其以太网口A对应的IP地址为10.90.2.1，其网关设置为10.90.2.254、子网掩码为255.255.255.0；以太网口A’对应的IP地址设置为10.90.2.254；信道A部署了用于传输ROS节点消息的通信波形；以太网口B对应的IP地址为192.168.2.1，其网关设置为192.168.2.254、子网掩码为255.255.255.0；以太网口B’对应的IP地址设置为192.168.2.254；信道B未部署通信波形，需根据实际任务需求选择相应的中继通信波形进行部属;

3、无人机B上的机载协同控制与中继传输系统，其以太网口A对应的IP地址为10.90.3.1，其网关设置为10.90.3.254、子网掩码为255.255.255.0；以太网口A’对应的IP地址设置为10.90.3.254；信道A部署了用于传输ROS节点消息的通信波形；以太网口B对应的IP地址为192.168.3.1，其网关设置为192.168.3.254、子网掩码为255.255.255.0；以太网口B’对应的IP地址设置为192.168.3.254；信道B未部署通信波形，需根据实际任务需求选择相应的中继通信波形进行部属。

经过上述配置后，簇头飞机上的ROS节点运行在IP地址为10.90.1.1的ROS系统上；无人机A的ROS节点运行在IP地址为10.90.2.1的ROS系统上；无人机B的ROS节点运行在IP地址为10.90.3.1的ROS系统上；并且，IP地址10.90.1.1、10.90.2.1和10.90.3.1基于信道A上的通信波形进行互联互通。同理，指挥中心、无人机A和无人机B分别还存在IP地址192.168.1.1、192.168.2.1和192.168.3.1，这三个IP地址能够基于信道B上的中继通信波形进行互联互通。

进一步，假设无人机编队需要在数据源至指挥中心之间构建用于实时传输视频信息的中继链路，如图8所示，则进行如下操作步骤：

1、无人机B的摄像头节点发现目标后，向簇头飞机发送包含目标位置信息和中继链路请求的ROS消息；

2、簇头飞机收到请求的ROS消息后，根据目标位置与指挥中心之间的距离、视频传输所需带宽，选定需要部署的中继通信波形以及无人机A在中继链路中所处的空间位置，然后向无人机A发送包含通信波形编号（假设波形编号为0x1）、波形部属命令和中继位置的ROS消息，向无人机B发送包含通信波形编号（假设波形编号为0x1）和波形部属命令的ROS消息；

3、无人机B收到簇头飞机发送的ROS消息后，通过波形代理模块部署波形编号为0x1的中继通信波形，操作如下：

1）无人机B上的ROS节点执行load_wave函数，输入参数信道编号和波形编号分别为B和0x1；此时，波形管理组件收到波形加载命令，然后以波形编号0x1检索波形组合表，如表1所示，并将波形编号0x1对应的波形组件加载至信道B中的CPU、DSP和FPGA处理器上；当波形加载成功，波形管理组件以LD为0x1、Payload为波形加载成功信息0x1（假设成功信息为0x1）构建硬件抽象层消息并发送至波形代理模块的load_wave函数，load_wave函数则返回0x1并退出。

表1波形组合表

2）ROS节点执行load_wave函数得到返回值0x1，表明波形加载成功；

3）ROS节点向簇头飞机发送确认消息。

4、无人机A收到簇头飞机发送的ROS消息后，除了执行步骤3中的中继通信波形部属过程，还需要飞往指定的中继位置盘旋，如图8所示，然后向簇头飞机发送确认消息；

5、当簇头飞机收到无人机A和无人机B的确认消息后，向无人机B的摄像头节点发送中继链路建立完毕的消息；

6、无人机B的摄像头节点收到中继通信链路建立完毕的消息后，将采集到的视频信息通过以太网口B传输至中继信道，视频信息的目标IP地址为192.168.1.1，即指挥中心在中继通信波形网络中的IP地址。

Claims

1.一种机载协同控制与中继传输系统，其特征在于：包括控制端和通信端，

所述通信端包括第二硬件平台层、第二操作系统层、第二中间件层以及第二应用层，所述第二硬件平台层包括第二CPU处理器、第二控制接口、以太网口A’以及以太网口B’、信道A以及信道B，所述第二控制接口、以太网口A’以及以太网口B’、信道A以及信道B与所述第二CPU处理器双向连接；所述第二操作系统层包括第二Linux/VxWorks系统；所述第二中间件层包括硬件抽象层、CORBA中间件以及SCA核心框架；所述第二应用层包括波形管理组件以及若干个波形组件；

所述信道A可用作部署协同控制通信波形；

所述信道B可用作部署中继通信波形；

2.如权利要求1所述的机载协同控制与中继传输系统，其特征在于：

所述波形代理模块与波形管理组件之间基于硬件抽象层消息进行交互，消息的Payload部分包括信道编号和波形部署命令；

所述信道编号用于区分信道A和信道B；

所述波形部署命令包括命令类型和命令参数；所述命令类型包括波形加载、波形配置、波形卸载和命令应答；所述命令参数包括与命令类型对应的参数。

3.如权利要求2所述的机载协同控制与中继传输系统，其特征在于：

所述波形为多个波形组件组合运行的结果，即波形由若干波形组件组成；

当命令类型为波形卸载时，对应的命令参数为波形编号；

4.如权利要求1所述的机载协同控制与中继传输系统，其特征在于：

所述波形代理模块为运行在第一Linux系统上的一组函数，包括load_wave函数、set_wave函数和offload_wave函数。

5.如权利要求4所述的机载协同控制与中继传输系统，其特征在于：所述load_wave函数通过以下步骤实现：

输入参数：输入参数包括信道编号和波形编号；

构建波形加载命令消息：构建包括波形加载命令和波形编号的消息；

构建硬件抽象层消息：硬件抽象层消息中的LD字段为波形管理组件的LD，Paylad字段包括信道编号和波形加载命令消息；

发送硬件抽象层消息：将硬件抽象层消息通过控制接口发送至波形管理组件；

返回执行结果：等待波形管理组件发回的执行结果，执行结果在有效时间内到达，则返回执行结果，等待超时，则返回-1。

6.如权利要求4所述的机载协同控制与中继传输系统，其特征在于：所述set_wave函数通过一下步骤实现：

输入参数：输入参数包括信道编号、波形编号和波形配置参数；

构建波形配置命令消息：构建包括波形配置命令、波形编号和波形配置参数的消息；

构建硬件抽象层消息：硬件抽象层消息中的LD字段为波形管理组件的LD，Paylad字段包括信道编号和波形配置命令消息；

7.如权利要求4所述的机载协同控制与中继传输系统，其特征在于，所述offload_wave函数通过一下步骤实现：

输入参数：输入参数包括信道编号和波形编号；

构建波形卸载命令消息：构建包括波形卸载命令和波形编号的消息；

构建硬件抽象层消息：硬件抽象层消息中的LD字段为波形管理组件的LD，Paylad字段包括信道编号和波形卸载命令消息；

8.如权利要求1所述的机载协同控制与中继传输系统，其特征在于，所述波形管理组件的运行方法如下：

等待硬件抽象消息：等待波形代理模块发送来的硬件抽象层消息并提取信道编号和波形部署命令消息；

解析波形部署命令：提取命令类型和命令参数；

执行波形加载命令或执行波形配置命令或执行波形卸载命令。

9.如权利要求8所述的机载协同控制与中继传输系统，其特征在于，

当命令类型为波形加载时，按如下步骤：

检索波形组合表：以波形编号为索引，检索波形组合表，获取波形所包含的波形组件；

加载波形组件：加载波形编号所对应的波形组件至信道编号所对应的信道上；

返回加载结果：以波形加载成功或失败信息为内容构建硬件抽象层消息，并发送至波形代理模块；

当命令类型为波形配置时，按如下步骤：

配置波形：对信道编号所标识的信道上的波形组件进行配置；

返回加载结果：以波形配置成功或失败信息为内容构建硬件抽象层消息，并发送至波形代理模块；

当命令类型为波形卸载时，按如下步骤：

卸载波形：将信道编号所标识的信道上的波形组件进行卸载；

返回加载结果：以波形卸载成功或失败信息为内容构建硬件抽象层消息，并发送至波形代理模块。