一种基于通信中间件的地面无人平台控制系统架构技术方案

本发明专利技术公开了一种基于通信中间件的地面无人平台控制系统架构，属于地面无人平台自主控制领域。该系统架构由若干实现特定业务的高内聚性功能模块组成，每个功能模块看作控制系统中的一个节点；功能模块又由若干子模块组成，各功能模块之间通过通信中间件进行信息交互，信息以消息的形式进行传递，控制系统全局性信息利用配置文件进行管理；在控制系统运行时，启动各功能模块，各功能模块以特定的数据为输入，经过业务处理后，输出特定的数据，通过各模块之间的协作运行，实现地面无人平台控制系统的业务流程和功能。本发明专利技术能够敏捷应对市场对地面无人平台产品功能与性能的多变需求，提高控制系统的可重用性，降低产品开发成本，缩短产品推向市场的时间。缩短产品推向市场的时间。缩短产品推向市场的时间。

【技术实现步骤摘要】
一种基于通信中间件的地面无人平台控制系统架构


[0001]本专利技术属于地面无人平台自主控制领域，涉及一种基于通信中间件的地面无人平台控制系统架构。

技术介绍

[0002]地面无人平台是一种无乘员的地面移动平台，在控制系统的支持下，能够以遥控、半自主或自主方式运行，并可搭载多样化的任务载荷，完成高风险、枯燥和人员难以到达的工作和任务，在军用和民用领域有广泛的用途。对于地面无人平台而言，控制系统是其最重要的组成部分，它决定了地面无人平台的智能化水平和综合能力。
[0003]架构是控制系统的总体集成与组织框架，其设计决策包括控制系统功能模块组成、模块间关系和数据流/控制流的确定、通信协议和接口规范、全局性信息资源管理以及总体调度机制等，它直接影响系统的整体性能。
[0004]随着地面无人平台技术成熟度的不断提升，其应用范围越来越广泛，对其功能和能力需求也是多样化的。为了能够敏捷应对多样化的需求，快速开发出满足市场需要的地面无人平台产品，这对地面无人平台控制系统架构提出了很高的要求。首先，控制系统架构要具有良好的扩展性，能够支持功能模块的增量开发，从而可以敏捷应对市场需求；其次，能够及时插入新技术，提升功能模块性能；再次，运行效率高，满足控制系统实时运行需求；最后，架构通用化，协议标准化，复用性好，提升开发效率，降低开发成本，快速推出产品。
[0005]针对地面无人平台研制需求，美国国家标准技术研究院提出了4维/实时控制系统(4D/RCS)参考模型架构，它是一种典型的分层递阶式控制系统架构。每层的节点由传感信息处理、世界建模、行为生成等几个模块组成。其中，传感信息处理模块处理传感器获取的外部信息，并作为输入提供给世界建模模块用于构建当前的世界模型，行为生成模块根据世界模型和上层指令以及知识库优化生成本层的行为。由于需要事先设计系统的层次结构，这种架构不适于增量开发，无法根据需求变化即时插入新的功能模块。另外，4D/RCS架构只定义了概念与语义层次上的接口，而在语法、消息和传输层次上没有进行规范化的定义。
[0006]无人系统联合架构(Joint Architecture for Unmanned Systems，JAUS)是美国国防部主导提出的一种无人系统规范，它规划了无人系统功能模块之间的信息交互方式与协议规范，提供了一组消息集，为实现无人系统之间的互联互通互操作奠定了基础。但JAUS并非一种完整的架构，它没有描述如何设计无人系统，而只是定义了无人系统的高层组成模块之间的信息交互。
[0007]机器人操作系统(Robot Operating System，ROS)是在机器人学术界广泛使用的系统架构。ROS提供一种点对点的通信机制，以节点为基本功能单元，每一个节点是一个可执行文件，这些执行文件可以在不同的计算机上单独设计并在运行时松散耦合，节点之间通过传送消息进行交互，从而实现基于核心控制器调度的多进程或多机协作。由于需要核心控制器的支持，利用ROS无法实现真正的分布式控制系统，系统实时性难于保证，冗余性
差。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于通信中间件的地面无人平台控制系统架构，能够敏捷应对市场对地面无人平台产品功能与性能的多变需求，提高控制系统的可重用性，降低产品开发成本，缩短产品推向市场的时间。
[0009]一种基于通信中间件的地面无人平台控制系统架构，该系统架构由若干实现特定业务的高内聚性功能模块组成，每个功能模块看作控制系统中的一个节点；功能模块又由若干子模块组成，各功能模块之间通过通信中间件进行信息交互，信息以消息的形式进行传递，控制系统全局性信息利用配置文件进行管理；在控制系统运行时，启动各功能模块，各功能模块以特定的数据为输入，经过业务处理后，输出特定的数据，通过各模块之间的协作运行，实现地面无人平台控制系统的业务流程和功能。
[0010]进一步地，所述功能模块按照地面无人平台控制系统功能需求进行设计，包括输入、业务处理和输出三部分，作为控制系统中的一个节点实现相对独立的业务功能；其中，输入数据来自采集的传感器信息或者其它功能模块输出的信息。因此，功能模块的运行是数据驱动的。
[0011]进一步地，根据功能实现复杂程度，将功能模块划分为若干子模块实现，每个子模块实现相对独立的功能。在软件实现上，功能模块以独立的进程运行，而子模块以进程中的独立线程运行。
[0012]进一步地，所述通信中间件负责实现功能模块之间的信息交互，支持线程间、进程间和以太网络间的实时数据通信，支持点对点、发布
‑
订阅和总线通信模式，可快速构建一对一、一对多、多对多等多种通信网络拓扑结构；通信中间件采用统一的基于地址的编程接口，并用套接字进行管理，一个通信套接字可以同时绑定和连接多个端口，全网节点不分服务器和客户端，节点无启动顺序要求，具备大数据包分帧发送与重组功能。
[0013]进一步地，所述的信息以消息的形式进行传递，在软件实现方面，消息按照结构体进行定义，包括消息头和消息主体，而消息头又包括消息类型、时间戳和序列号，消息主体根据信息的属性进行具体定义，是消息的信息载体。
[0014]进一步地，所述的控制系统全局性信息包括控制系统功能模块共享的参数和系统配置参数信息，例如传感器的安装位姿、网格地图与跟踪控制参数等；全局性信息利用配置文件进行管理，在功能模块初始化时，通过读取配置文件，获得相关参数值。
[0015]有益效果：
[0016]1、本专利技术支持增量式开发控制系统。在所述架构支持下，能够根据市场对地面无人平台产品功能与性能的需求变化，快速为控制系统增加相应的功能模块，敏捷应对市场需求。
[0017]2、本专利技术可以及时插入新技术，确保系统性能先进性。由于采用规范化的消息格式和定义以及程序实现范式，能够及时快速地将采用新技术、新算法的功能模块替代已有的功能模块，实现系统升级换代。
[0018]3、本专利技术有利于提高控制系统的通用化和标准化水平。由于地面无人平台的领域模型具有相似性，其核心业务模型具有通用性，基于所提出的架构和消息定义构建控制系
统，形成实现底层功能的软件框架，有利于复用已有成果，提高通用化和标准化水平，缩短产品研制周期。
附图说明
[0019]图1为本专利技术系统架构的模块组成图。
具体实施方式
[0020]下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。
[0021]如图1所示，本专利技术提供了一种基于通信中间件的地面无人平台控制系统架构，该系统架构由基于激光点云建模模块、基于图像建模模块、定位定向模块、决策控制模块、平台操纵控制模块以及人机接口模块等功能模块组成。功能模块之间通过通信中间件进行信息交互。
[0022]功能模块通过数据驱动实现特定的业务功能，即接收特定的输入，经过业务算法处理后，输出结果。
[0023]其中，基于激光点云建模模块从激光雷达传感器周期性采集激光雷达测量点云和地面无人平台位姿，对环境进行可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于通信中间件的地面无人平台控制系统架构，其特征在于，该系统架构由若干实现特定业务的高内聚性功能模块组成，每个功能模块看作控制系统中的一个节点；功能模块又由若干子模块组成，各功能模块之间通过通信中间件进行信息交互，信息以消息的形式进行传递，控制系统全局性信息利用配置文件进行管理；在控制系统运行时，启动各功能模块，各功能模块以特定的数据为输入，经过业务处理后，输出特定的数据，通过各模块之间的协作运行，实现地面无人平台控制系统的业务流程和功能。2.如权利要求1所述的基于通信中间件的地面无人平台控制系统架构，其特征在于，所述功能模块按照地面无人平台控制系统功能需求进行设计，包括输入、业务处理和输出三部分，作为控制系统中的一个节点实现相对独立的业务功能；其中，输入数据来自采集的传感器信息或者其它功能模块输出的信息。3.如权利要求1所述的基于通信中间件的地面无人平台控制系统架构，其特征在于，根据功能实现复杂程度，将功能模块划分为若干子模块实现，每个子模块实现相对独立的功能。在软件实现上，功能模块以独立的进程运行，而子模块以进程中的独立线程运行。4.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏治宝，李兆冬，安旭阳，余雪玮，李宁，宋威龙，赵熙俊，项燊，
申请(专利权)人：中国北方车辆研究所，
类型：发明
国别省市：