無人機軟件架構分析

　　AIAA的會議論文（Infotech@Aerospace 2012），從計算機角度闡述了無人機軟件架構，由易科機器人實驗室（ExBot.net）分享。

　　文獻信息

　　文獻：UAV Software Architecture

　　作者：Fred Briggs，Wyle Aerospace Group

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

　　無人機軟件架構

　　AIAA 2012-2539

　　本文探討無人機（UAV）系統(tǒng)的軟件架構，對無人機系統(tǒng)設計已發(fā)表的軟件架構方面文 獻按時間進行綜述與探討。主要關注指揮和控制軟件，并討論情報、監(jiān)視和偵察軟件架構的 差異，其目的是為了呈現(xiàn)無人機軟件架構是如何演變到目前狀態(tài)。包括從技術軟件架構規(guī)則 的早期發(fā)展到當前無人機軟件在互操作性、通用性、視頻壓縮技術等方面問題，例如參考文獻《軟件架構：一門新興學科的展望》，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》Yenne， W. （2010）2；《動態(tài)系統(tǒng)的軟件使能控制和信息技 術》Samad， T. and Bala， G. （2003）3；《自主無人機實驗的分布式架構》Doherty， P.， Haslum P.，Heintz， F.， Merz， T.， Nyblom， P.， Persson， T.， and Wingman， B.， （2004）4;《無人機智能系統(tǒng)軟 件》Sinsley， G.， Long， L.， Niessner， A.， and Horn， J.（2008）5以及《無人旋翼機系統(tǒng)》Cai， G.， Chen， B.， and Lee， T. （2011）6。研究比較了當前無人機開放式軟件架構程序及其平臺如捕食者、全球 鷹、飛馬。完整的參考文獻見附錄A。

　　1 簡介

　　“架構可定義為組件的結構及它們之間的關系，以及規(guī)范其設計和后續(xù)進化的原則和指南。簡言之，架構是構造與集成軟件密集型系統(tǒng)的深層次設計7“。也可稱其為如何實施解決 方案的一個策略性設計（例如基于組件的工程標準、安全）和解決方案做什么的功能性設計（如算法、設計模式、底層實現(xiàn)）。

　　1996 年 Garlan 和 Shaw 在《軟件架構：一門新興學科的展望》1 中寫到架構問題包括：系統(tǒng)組件構成的組織、全局控制結構、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、以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)（數(shù)據(jù)庫）、分布式進程和特定領域的軟件架構。針對給定問題或領域，確定最優(yōu)秀的架構是一個永恒的挑戰(zhàn)。Garlan 和 Shaw 展示了如何構造一個可變架構的設計空間，以及如何建立設計原則來根據(jù)功能需求選擇應用系統(tǒng)。

　　Garlan 和 Shaw 列出了移動機器人的基本設計需求，如：（1）慎思規(guī)劃和反應式行為；（2）容許不確定性；（3）考慮危險；（4）靈活性強。針對這些要求，他們評估了四種 用于移動機器人的架構，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雜外部事件的簡單機器人系統(tǒng)。分層構架能很好實現(xiàn)構件的組織，但是在實時環(huán)境中處理外部事件時其反應過慢。第三個 解決方案隱式調(diào)用圍繞事件處理實現(xiàn)，用于任務控制架構（TCA）。

　　推薦 TCA 用于較復雜的機器人項目，并已在眾多移動機器人上得到應用。TCA 為性能、容 錯、安全性和并發(fā)性提供了一套完整的任務協(xié)調(diào)機制和規(guī)定。TCA 架構由位于同一層次的任務或任務樹組成。在運行過程中任務樹會作很多動態(tài)調(diào)整以適應環(huán)境條件和機器人狀態(tài)的改變。第四種解決方案黑板構架由一個中心黑板或 數(shù)據(jù)庫構成，負責接收和發(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。