無人機(jī)軟件架構(gòu)分析

　　AIAA的會議論文（Infotech@Aerospace 2012），從計(jì)算機(jī)角度闡述了無人機(jī)軟件架構(gòu)，由易科機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室（ExBot.net）分享。

　　文獻(xiàn)信息

　　文獻(xiàn)：UAV Software Architecture

　　作者：Fred Briggs，Wyle Aerospace Group

　　翻譯：Top Liu，ExBot易科機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人；飄搖塵，ExBot易科機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室核心開發(fā)者，ExBot.net管理員

　　無人機(jī)軟件架構(gòu)

　　AIAA 2012-2539

　　本文探討無人機(jī)（UAV）系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，對無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)已發(fā)表的軟件架構(gòu)方面文 獻(xiàn)按時(shí)間進(jìn)行綜述與探討。主要關(guān)注指揮和控制軟件，并討論情報(bào)、監(jiān)視和偵察軟件架構(gòu)的 差異，其目的是為了呈現(xiàn)無人機(jī)軟件架構(gòu)是如何演變到目前狀態(tài)。包括從技術(shù)軟件架構(gòu)規(guī)則 的早期發(fā)展到當(dāng)前無人機(jī)軟件在互操作性、通用性、視頻壓縮技術(shù)等方面問題，例如參考文獻(xiàn)《軟件架構(gòu)：一門新興學(xué)科的展望》，Garlan， D. and Shaw， M. （1996）1；《戰(zhàn)場中的猛禽、 捕食者、掠食者及美國最新無人機(jī)》Yenne， W. （2010）2；《動態(tài)系統(tǒng)的軟件使能控制和信息技 術(shù)》Samad， T. and Bala， G. （2003）3；《自主無人機(jī)實(shí)驗(yàn)的分布式架構(gòu)》Doherty， P.， Haslum P.，Heintz， F.， Merz， T.， Nyblom， P.， Persson， T.， and Wingman， B.， （2004）4;《無人機(jī)智能系統(tǒng)軟 件》Sinsley， G.， Long， L.， Niessner， A.， and Horn， J.（2008）5以及《無人旋翼機(jī)系統(tǒng)》Cai， G.， Chen， B.， and Lee， T. （2011）6。研究比較了當(dāng)前無人機(jī)開放式軟件架構(gòu)程序及其平臺如捕食者、全球 鷹、飛馬。完整的參考文獻(xiàn)見附錄A。

　　1 簡介

　　“架構(gòu)可定義為組件的結(jié)構(gòu)及它們之間的關(guān)系，以及規(guī)范其設(shè)計(jì)和后續(xù)進(jìn)化的原則和指南。簡言之，架構(gòu)是構(gòu)造與集成軟件密集型系統(tǒng)的深層次設(shè)計(jì)7“。也可稱其為如何實(shí)施解決 方案的一個(gè)策略性設(shè)計(jì)（例如基于組件的工程標(biāo)準(zhǔn)、安全）和解決方案做什么的功能性設(shè)計(jì)（如算法、設(shè)計(jì)模式、底層實(shí)現(xiàn)）。

　　1996 年 Garlan 和 Shaw 在《軟件架構(gòu)：一門新興學(xué)科的展望》1 中寫到架構(gòu)問題包括：系統(tǒng)組件構(gòu)成的組織、全局控制結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、同步和數(shù)據(jù)訪問等。他們研究了軟件開發(fā)者常用的系統(tǒng)組織模式，包括數(shù)據(jù)流系統(tǒng)、調(diào)用及返回系統(tǒng)、虛擬機(jī)、以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)（數(shù)據(jù)庫）、分布式進(jìn)程和特定領(lǐng)域的軟件架構(gòu)。針對給定問題或領(lǐng)域，確定最優(yōu)秀的架構(gòu)是一個(gè)永恒的挑戰(zhàn)。Garlan 和 Shaw 展示了如何構(gòu)造一個(gè)可變架構(gòu)的設(shè)計(jì)空間，以及如何建立設(shè)計(jì)原則來根據(jù)功能需求選擇應(yīng)用系統(tǒng)。

　　Garlan 和 Shaw 列出了移動機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)需求，如：（1）慎思規(guī)劃和反應(yīng)式行為；（2）容許不確定性；（3）考慮危險(xiǎn)；（4）靈活性強(qiáng)。針對這些要求，他們評估了四種 用于移動機(jī)器人的架構(gòu)，包括控制回路（control loop）、分層（layers）、隱式調(diào)用（implicit invocation）、黑板（blackboard），如圖 1 所示。閉環(huán)控制解決方案推薦用于不處理復(fù)雜外部事件的簡單機(jī)器人系統(tǒng)。分層構(gòu)架能很好實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的組織，但是在實(shí)時(shí)環(huán)境中處理外部事件時(shí)其反應(yīng)過慢。第三個(gè) 解決方案隱式調(diào)用圍繞事件處理實(shí)現(xiàn)，用于任務(wù)控制架構(gòu)（TCA）。

　　推薦 TCA 用于較復(fù)雜的機(jī)器人項(xiàng)目，并已在眾多移動機(jī)器人上得到應(yīng)用。TCA 為性能、容 錯、安全性和并發(fā)性提供了一套完整的任務(wù)協(xié)調(diào)機(jī)制和規(guī)定。TCA 架構(gòu)由位于同一層次的任務(wù)或任務(wù)樹組成。在運(yùn)行過程中任務(wù)樹會作很多動態(tài)調(diào)整以適應(yīng)環(huán)境條件和機(jī)器人狀態(tài)的改變。第四種解決方案黑板構(gòu)架由一個(gè)中心黑板或 數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，負(fù)責(zé)接收和發(fā)送命令、共享數(shù)據(jù)和解決沖突。它支持并發(fā)性且有異常處理程序來處理不確定性。