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無(wú)人機(jī)整機(jī)
無(wú)人機(jī)配件
無(wú)人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具本文探討無(wú)人機(jī)（UAV）系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，對(duì)無(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)軟件在互操作性、通用性、視頻壓縮技術(shù)等方面問(wèn)題，例如參考文獻(xiàn)《軟件架構(gòu)：一門(mén)新興學(xué)科的展望》，Garlan, D. and Shaw, M. (1996)1；《戰(zhàn)場(chǎng)中的猛禽、 捕食者、掠食者及美國(guó)最新無(wú)人機(jī)》Yenne, W. (2010)2；《動(dòng)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(wú)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(wú)人機(jī)智能系統(tǒng)軟 件》Sinsley, G., Long, L., Niessner, A., and Horn, J.(2008)5以及《無(wú)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(wú)人機(jī)開(kāi)放式軟件架構(gòu)程序及其平臺(tái)如捕食者、全球 鷹、飛馬。完整的參考文獻(xiàn)見(jiàn)附錄A。
1 簡(jiǎn)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(jiǎn)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(mén)新興學(xué)科的展望》1 中寫(xiě)到架構(gòu)問(wèn)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(wèn)等。他們研究了軟件開(kāi)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(kù)）、分布式進(jìn)程和特定領(lǐng)域的軟件架構(gòu)。針對(duì)給定問(wèn)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(lái)根據(jù)功能需求選擇應(yīng)用系統(tǒng)。
Garlan 和 Shaw 列出了移動(dòng)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(duì)這些要求，他們?cè)u(píng)估了四種 用于移動(dòng)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(jiǎn)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(guò)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(dòng)機(jī)器人上得到應(yīng)用。TCA 為性能、容 錯(cuò)、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(shù)組成。在運(yùn)行過(guò)程中任務(wù)樹(shù)會(huì)作很多動(dòng)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(kù)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(lái)處理不確定性。
圖1 移動(dòng)機(jī)器人架構(gòu)類(lèi)型
2 早期無(wú)人機(jī)
早 期無(wú)人機(jī)沒(méi)有軟件架構(gòu)，是通過(guò)無(wú)線電（RC）控制技術(shù)發(fā)展起來(lái)的。在第二次世界大 戰(zhàn)期間建造了數(shù)架實(shí)驗(yàn)無(wú)人飛機(jī)用于在遠(yuǎn)達(dá) 100 英里范圍內(nèi)測(cè)試航空魚(yú)雷。二戰(zhàn)后這些實(shí)驗(yàn) 飛機(jī)在 RC 飛機(jī)愛(ài)好者領(lǐng)域得到繼續(xù)發(fā)展。RC 飛機(jī)是現(xiàn)代無(wú)人機(jī)的基石。1940 年前后，RC 飛機(jī)發(fā)展為 RC 空中靶機(jī)（后來(lái)作為偵察平臺(tái)），服役于美國(guó)空軍（USAAF）2。
第 一代軍用無(wú)人機(jī)長(zhǎng)度介于 8 英尺（ft）8 英寸（in）至 9 英尺 3 英寸之間，翼展長(zhǎng)度介 于 12 英尺 3 英寸至 11 英尺 6 英寸之間。它們的速度從 85 英里每小時(shí)（mph）提升至 140mph， 且能續(xù)航 1 小時(shí)。如附錄 A 表 1 所示，由無(wú)線電公司（1952 年被諾斯羅普公司收購(gòu)）開(kāi)發(fā)的 OQ-1 是第一架無(wú)線電控制的空中靶機(jī)（后改為偵察用），1940 年被美國(guó)空軍收購(gòu)。
20 世紀(jì) 60 年代，美國(guó)空軍（USAF）開(kāi)始使用“火蜂”和“閃電臭蟲(chóng)”，它們是美國(guó)偵察史上飛行時(shí)間最長(zhǎng)的 RC 飛機(jī)。在 20 世紀(jì)，無(wú)人機(jī)主要用于空中靶機(jī)和偵察。AQM-34L“閃 電臭蟲(chóng)”在使用實(shí)時(shí)電視圖像方面是 21 世紀(jì)無(wú)人機(jī)的先驅(qū)。它試用過(guò)電子雷達(dá)干擾器和 AN/ALE-38 箔條投放器。1995 年，美國(guó)空軍在內(nèi)華達(dá)州印第安泉輔助機(jī)場(chǎng)（克里奇空軍基地（AFB） 成立第一個(gè)無(wú)人機(jī)中隊(duì)——第 11 偵察中隊(duì) 2。
20 世紀(jì) 70 年代至 80 年代冷戰(zhàn)期間無(wú)人機(jī)被忽視。而衛(wèi)星能力的顯著增強(qiáng)，到 90 年代中期無(wú)人機(jī)已成為戰(zhàn)場(chǎng)不可分割的一部分。
3 現(xiàn)代無(wú)人機(jī)
A．21 世紀(jì)第一代無(wú)人機(jī) 1
世紀(jì)之交，無(wú)人機(jī)發(fā)展得益于衛(wèi)星能力的增強(qiáng)和計(jì)算機(jī)處理能力、算法發(fā)展、實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用、機(jī)電飛控系統(tǒng)、視覺(jué)/雷達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成武器系統(tǒng)方面的技術(shù)進(jìn)步。第 一代的所有功能影響了軟件架構(gòu)的發(fā)展。
21 世紀(jì)第一代無(wú)人機(jī)起初由美國(guó)國(guó)防部用于空中靶機(jī)及執(zhí)行偵察任務(wù)，后來(lái)無(wú)人機(jī)角色 拓展至遠(yuǎn)程戰(zhàn)略性任務(wù)，最后是打擊任務(wù)。由于任務(wù)的拓展，1997 年美國(guó)國(guó)防部重新采用“Q” 作為擔(dān)負(fù)遠(yuǎn)程戰(zhàn)略打擊任務(wù)無(wú)人機(jī)的主用代號(hào)。
用 于長(zhǎng)航時(shí)偵察的 Northrop Grumman 公司 RQ-4 全球鷹無(wú)人機(jī)是在本世紀(jì)初軍方服役的 最大無(wú)人機(jī)。機(jī)身長(zhǎng) 44 英尺，翼展 117 英尺，總重 25600 磅。General Atomics 公司的捕食者 也用于偵察任務(wù)，裝備 Northrop Grumman 公司的 TESAR 合成孔徑雷達(dá)（SAR），具有 1 英尺 分辨率和全天候偵察能力。2001 年捕食者加裝了激光制導(dǎo)的 AGM-114“地獄火”空地反裝甲 導(dǎo)彈成為第一架武裝無(wú)人機(jī)，并在“持久自由行動(dòng)中”由美國(guó)情報(bào)局（CIA）首次使用。美 國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)（USMC）的 RQ-2A 先鋒（1980）和美國(guó)陸軍 RQ-5A 獵人（1995）也同樣在 戰(zhàn)場(chǎng)上得到檢驗(yàn)。21 世紀(jì)第一代無(wú)人機(jī)的技術(shù)細(xì)節(jié)見(jiàn)附錄 A 中的表 2。
第一代的 Lockheed Martin 公司“星”和“全球鷹”借助全球定位系統(tǒng)具備完全可編程控 制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)從起飛到著陸的自主控制，也可使用通用地面控制站。
B．21世紀(jì)第二代無(wú)人機(jī) 2
21世紀(jì)第二代無(wú)人機(jī)得益于一代機(jī)的技術(shù)進(jìn)步和載重、定位、偵察等任務(wù)能力的顯著提升。“火力偵察兵”無(wú)人機(jī)是旋翼機(jī)，其飛行控制比固定翼機(jī)更復(fù)雜。“火力偵察兵”和X-47B設(shè)計(jì)定位是船上自主作業(yè)，這或許是軟件架構(gòu)的最大挑戰(zhàn)。
2003 年4月，美國(guó)空軍和美國(guó)海軍啟動(dòng)“聯(lián)合無(wú)人空戰(zhàn)系統(tǒng)”（J-UCAS）計(jì)劃。無(wú)人機(jī)提供激光目標(biāo)指示，組織進(jìn)行壓制敵方空防（SEAD）任務(wù)，打擊戒備嚴(yán) 密、高價(jià)值目標(biāo)?！霸缭?997年，國(guó)防部機(jī)載偵察辦公室架構(gòu)集成總監(jiān)空軍上校Mike Francis曾對(duì)航空周刊的David Fulghum說(shuō)，他的機(jī)構(gòu)對(duì)武裝無(wú)人機(jī)和能執(zhí)行完整任務(wù)的武裝偵察機(jī)及殲擊機(jī)都有強(qiáng)烈興趣?！?無(wú)人機(jī)并不是消耗品反而“減少消耗”——可以損失一架無(wú)人機(jī)而非一架滿載機(jī)組人員的飛機(jī)。
如附錄A中表3第一部分所示，一份波音X-45A技術(shù)說(shuō)明書(shū)中顯示其最大起飛重量為12190磅并于2004年3月24日在35000英尺高空以442mph的飛行速度成功投下一顆250磅的惰性炸彈。2后續(xù)的X45-C設(shè)計(jì)用于防守，最大起飛重量26500磅，可掛載兩顆GBU-31聯(lián)合直接攻擊炸彈（JDAM）制導(dǎo)導(dǎo)彈。
美 國(guó)海軍無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī) - 海軍（UCAV-N）計(jì)劃的樣機(jī)Northrop Grumman公司的X-47A飛馬與美國(guó)空軍無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)（USAF UCAV）擔(dān)負(fù)相的使命。這是一架隱形無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)，執(zhí)行監(jiān)視、打擊和壓制敵方空防任務(wù)，但只部署在航母上。X-47A飛馬無(wú)人機(jī)技術(shù)說(shuō)明書(shū)顯示其最大起飛 重量為5500磅。X-47B機(jī)身長(zhǎng)38.2英尺，翼展62.1英尺，最大起飛重量為44567磅，載重為4500磅，可掛載兩顆GBU-31 JDAM制導(dǎo)導(dǎo)彈?！癤-47B與X-47A相比，續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)、在航母上進(jìn)行自主彈射起飛和降落過(guò)程中具有更強(qiáng)的生存能力和更好的低速空氣動(dòng)力學(xué)飛行性 能?！?
2003 年4月UCAV計(jì)劃轉(zhuǎn)變?yōu)槁?lián)合無(wú)人空戰(zhàn)系統(tǒng)（J-UCAS）計(jì)劃，包括美國(guó)空軍的X-45C和美國(guó)海軍的X-47B。2006年X-45開(kāi)發(fā)終止，聯(lián)合計(jì) 劃又改為美國(guó)海軍UCAS-N計(jì)劃。在官方2007情況簡(jiǎn)報(bào)中，美國(guó)空軍聲稱：“所有無(wú)人機(jī)在指定的協(xié)調(diào)高度上執(zhí)行任務(wù)時(shí)，必須有一套通用系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)便 捷、安全、無(wú)縫的操作”。2所指飛機(jī)包括美國(guó)空軍MQ-1“捕食者”，RQ-4“全球鷹”，MQ-9“死神”和美國(guó)海軍的廣域海上監(jiān)視（BAMS）系統(tǒng)2。
美 國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的MQ-8BNorthrop Grumman公司“火力偵察兵”無(wú)人旋翼機(jī)于2002年開(kāi)發(fā)，旨在遂行多種任務(wù)，具有自主著艦和艦上起飛能力，裝備光電/紅外系統(tǒng)、激光指示器，并為反 水雷裝置增加了載荷。此型無(wú)人機(jī)任務(wù)包括戰(zhàn)場(chǎng)管理、生化武器偵測(cè)、信號(hào)情報(bào)、電子戰(zhàn)、戰(zhàn)場(chǎng)搜救、通信和數(shù)據(jù)中繼、信息戰(zhàn)、反艦導(dǎo)彈防御和反潛。MQ-9B 是旋翼折疊時(shí)機(jī)長(zhǎng)22.87英尺，旋翼直徑27英尺6英寸，總重3150磅。這是第一架可在移動(dòng)艦船上降落的無(wú)人直升機(jī)，于2009年首次作戰(zhàn)部署2。
美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的Insitu/波音公司“掃描鷹”無(wú)人機(jī)是一架大航時(shí)戰(zhàn)術(shù)偵察固定翼機(jī)。于2002年首次飛行，其24小時(shí)的續(xù)航能力遠(yuǎn)大于其他相似尺寸的無(wú)人機(jī)。最大起飛重量為44磅，擁有自主飛行（按照預(yù)定航線）和艦載執(zhí)行任務(wù)能力2。
美 國(guó)海軍的MQ-4C廣域海上監(jiān)視（BAMS）是一種多用途無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（UAS），可用于攻擊支援、信號(hào)情報(bào)以及通訊中繼。MQ-4C BAMS UAS的任務(wù)包括海上監(jiān)視、敵方戰(zhàn)場(chǎng)信息收集、戰(zhàn)場(chǎng)毀傷評(píng)估、港口監(jiān)視、通信中繼，以及支援以下任務(wù)：海上封鎖、面上作戰(zhàn)、戰(zhàn)場(chǎng)管理、針對(duì)海上和濱海的打 擊任務(wù)。在2008年的合同里，MQ-4C BAMS UAS采用一種Northrop Grumman的RQ-4全球鷹海軍改進(jìn)型，裝備有360°多功能主動(dòng)傳感器（Multi-Function Active Sensor，MFAS），這種傳感器是一種主動(dòng)電掃描陣列雷達(dá)（active electronically scanned array ，AESA），以及海軍特制的地面站2。
4 架構(gòu)進(jìn)化
2003年，在美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究規(guī)劃局（DARPA）的支持下——資助項(xiàng)目為軟件使能控制（Software Enabled Control，SEC），Samad和Balas3編輯了一部學(xué)術(shù)專(zhuān)著。在當(dāng)時(shí)，軍用無(wú)人機(jī)只能靠預(yù)先編程或遙控操作。在SEC項(xiàng)目中，目標(biāo)是使無(wú)人機(jī)“自動(dòng)地執(zhí)行高性能機(jī)動(dòng)、動(dòng)態(tài)調(diào)整路線、探測(cè)并規(guī)避威脅、辨識(shí)并校正故障、起飛降落、容忍極端環(huán)境變化…“。3在 SEC項(xiàng)目中，目的是將先進(jìn)控制與一個(gè)由開(kāi)放控制平臺(tái)（Open Control Platform，OCP）實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)計(jì)算集成起來(lái)，OCP使用商用現(xiàn)貨（COTS）組件和非專(zhuān)有接口。UAV控制應(yīng)有一個(gè)在線優(yōu)化引擎（問(wèn)題求解算 法），由于飛機(jī)的實(shí)時(shí)快速動(dòng)態(tài)特性，之前的此類(lèi)算法在計(jì)算上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。Samad和Balas指出“當(dāng)前的計(jì)算資源足以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的狀態(tài)和模型優(yōu)化?！?
他 們同時(shí)觀察到，一個(gè)嚴(yán)格定義的層級(jí)架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)功能分割，如任務(wù)再規(guī)劃、路線優(yōu)化、威脅規(guī)避等，這些功能可以高效地集成但性能會(huì)有所損失。盡管如此，這些 層級(jí)結(jié)構(gòu)仍會(huì)限制響應(yīng)速度，因此他們建議尋找替代方案，如在生物學(xué)中所發(fā)現(xiàn)的那些。他們最壞的打算是——最終發(fā)現(xiàn)僅僅結(jié)合控制工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究將會(huì) 使UAV的操作方案變得復(fù)雜。
A. 開(kāi)放控制平臺(tái)
Paunicka等11作 為SEC項(xiàng)目組成員提供了一個(gè)開(kāi)放控制平臺(tái)（Open Control Platform，OCP），平臺(tái)帶有很多實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)，可供控制工程師設(shè)計(jì)仿真。平臺(tái)采用一種即插即用的設(shè)計(jì)，因此軟件組件可以由不同單位在不同的 時(shí)間進(jìn)行開(kāi)發(fā)。此由波音公司領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)發(fā)，并基于波音Bold Stroke軟件，中間件由華盛頓大學(xué)開(kāi)發(fā)。
OCP是一種面向?qū)ο蟮能浖A(chǔ)構(gòu)件，“提供一條將控制設(shè)計(jì)快速轉(zhuǎn)換為桌面或嵌入式目標(biāo)代碼的路徑，它使得控制設(shè)計(jì)師可以專(zhuān)注于控制設(shè)計(jì)而非集成、通信、發(fā)布、移植、執(zhí)行、調(diào)度、系統(tǒng)配置和資源管理等軟件設(shè)計(jì)問(wèn)題。”11OCP 的內(nèi)核采用了公共對(duì)象請(qǐng)求代理架構(gòu)（Common Object Request Broker Architecture，COBRA），它基于一個(gè)用于任務(wù)航電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)嵌入式中間平臺(tái)及開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。
OCP包括：1）中間件基于實(shí)時(shí)CORBA (Copyright © 2002, Object Management Group, Inc.)，提供一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)將對(duì)象按client/server關(guān)系連接至組件；2）仿真環(huán)境；3）工具集成支持；4）控制應(yīng)用程序接口 （Application Programmer Interface ，API）。OCP中間件采用C++編寫(xiě)，并提供一個(gè)publish/subscribe環(huán)境，可在主機(jī)或其他分布式計(jì)算機(jī)運(yùn)行而不必修改源代碼。 CORBA也可以提供一個(gè)命名服務(wù)器檢索并存儲(chǔ)指向移動(dòng)組件的引用。此服務(wù)及其他如圖2所示11。波音使用了一個(gè)非常類(lèi)似于CORBA的中間件在他們的F-15、F/A-18、AV-8B、T-45戰(zhàn)斗機(jī)上，以及DARPA/USAF 無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)（UCAV）。
圖2 OCP層級(jí)結(jié)構(gòu)（2003）11
B.WITAS分布式UAV架構(gòu)
Doherty等在2004年展示了“一種用于無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)的分布式架構(gòu)”4， 以支持智能能力的開(kāi)發(fā)。此分布式架構(gòu)使用COBRA作為基礎(chǔ)構(gòu)建用于即插即用的軟硬件環(huán)境，并且基于一種以反應(yīng)為中心（reactive concentric）的軟件控制方法。他們?cè)谕邆惐ば畔⒓夹g(shù)及自主系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(WITAS)的無(wú)人機(jī)項(xiàng)目里使用了此分布式架構(gòu)。WITAS是一個(gè)小型 -UAV直升機(jī)，用于監(jiān)測(cè)和監(jiān)視、緊急救援援助、攝影服務(wù)和測(cè)量。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一架Yamaha RMAX，長(zhǎng)度為11.81 ft，最大起飛載荷為209 lbs。他們最大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是控制系統(tǒng)有多個(gè)控制模式，可由架構(gòu)激活以動(dòng)態(tài)調(diào)用。此設(shè)計(jì)的軟件架構(gòu)包括一個(gè)慎思、反應(yīng)和控制部分，因此不再是一個(gè)分層遞階 結(jié)構(gòu)而是一個(gè)“以反應(yīng)為中心”的架構(gòu)。此反應(yīng)中心的架構(gòu)是一個(gè)高度分布、松散耦合、并發(fā)的架構(gòu)，具有很多反應(yīng)控制和并發(fā)運(yùn)行的服務(wù)進(jìn)程。CORBA是一個(gè) 將對(duì)象和組件連接起來(lái)的中間件，它通過(guò)一個(gè)通訊服務(wù)建立client/server關(guān)系。圖3所示為WITAS架構(gòu)的一些上層軟件組件。
圖 3 分布式UAV WITAS架構(gòu)的軟件組件(2004)4
C.ARL/PSU智能控制器
Sinsley、Long、Niessner和Horn 于20085探討了一種UAV軟件的既智能又自主的基于行為的架構(gòu)，Long等人9發(fā) 表了多個(gè)可用于無(wú)人機(jī)應(yīng)用軟件架構(gòu)的全面歷史回顧(1986-2002)（這些架構(gòu)都缺乏學(xué)習(xí)能力）。2008UAV智能系統(tǒng)軟件研究采用了賓夕法尼亞州 立大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室的智能控制器（IC）架構(gòu)。此IC架構(gòu)是一種基于行為（相對(duì)于基于模型）的架構(gòu)，設(shè)計(jì)采用層級(jí)控制，由于從下至上的模式增加了功能復(fù) 雜性。它經(jīng)過(guò)改進(jìn)，以滿足協(xié)作能力的要求。圖4所示IC架構(gòu)包含感知和響應(yīng)模塊。感知模塊通過(guò)接收傳感器的輸入數(shù)據(jù)建立一個(gè)外部真實(shí)世界的表示。響應(yīng)模塊 使用感知模塊建立的真實(shí)世界的認(rèn)知生成一個(gè)規(guī)劃，來(lái)執(zhí)行特定任務(wù)。共分為三個(gè)層級(jí)，頂層為任務(wù)管理層，它響應(yīng)中間層行為（如攻擊規(guī)劃實(shí)施）的控制請(qǐng)求。底 層行為層生成輸出指令（例如給自動(dòng)駕駛儀、傳感器、發(fā)送信息）。只要不發(fā)生沖突，可執(zhí)行多個(gè)行為。Long 等9指 出，IC架構(gòu)的一些關(guān)鍵特性包括應(yīng)對(duì)意外情況、自動(dòng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)規(guī)劃、態(tài)勢(shì)感知、常見(jiàn)的多機(jī)協(xié)作體系結(jié)構(gòu)，以及列入新功能的靈活性和在任何層級(jí)可選的人機(jī)互 動(dòng)。測(cè)試模型是一個(gè)固定翼的SIG Kadet Senior (總重14lbs)，具有穩(wěn)定的飛行特性和緩慢的飛行速度。
圖4 ARL/PSU 智能控制器高層架構(gòu)(2008)5
IC架構(gòu)的深入討論見(jiàn)Stover 和Kumar的“一種用于設(shè)計(jì)自主系統(tǒng)智能控制器的基于行為架構(gòu)”10。
D.SheLion UAV系統(tǒng)
Cai, G、Chen, B.和Lee, T.在《無(wú)人旋翼系統(tǒng)》6介 紹了一種行為式的架構(gòu)，并用于設(shè)計(jì)他們的小型SheLion UAV，也可推廣用于更大的UAV。他們的軟件實(shí)現(xiàn)了以下功能，如硬件驅(qū)動(dòng)、輸入/輸出、控制律實(shí)施、設(shè)備操作管理、多任務(wù)調(diào)度以及事件調(diào)度。他們稱使用 了一種新型軟件系統(tǒng)/行為架構(gòu)，為新的模塊和控制功能提供了靈活性和可擴(kuò)展性。他們指出此架構(gòu)可以普遍應(yīng)用到無(wú)人機(jī),包括機(jī)載軟件系統(tǒng)和地面控制站的軟件 系統(tǒng)。
機(jī)上軟件系統(tǒng)使用一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS),其中包括一個(gè)飛行控制和一個(gè)視覺(jué)處理模塊，基于航電系統(tǒng)的硬件配置如圖5所示。
圖5 SheLion UAV系統(tǒng)的硬件配置 (2011)6
飛行控制模塊使用多線程框架，用于操作導(dǎo)航傳感器和伺服作動(dòng)器、日志記錄飛行數(shù)據(jù)、與地面站通信以及實(shí)施自動(dòng)控制算法。自動(dòng)控制采用基于行為的體系結(jié)構(gòu)8。SheLion飛行控制系統(tǒng)的框架如圖6所示。
圖6 SheLion飛行控制軟件系統(tǒng)框架(2011)6
一 個(gè)類(lèi)似的框架用于板載視覺(jué)計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)圖像處理。圖6飛行控制的軟件框架將每個(gè)設(shè)備或任務(wù)畫(huà)成框圖形式。NAV塊與GPS輔助姿態(tài)航向參考系統(tǒng) (AHRS)進(jìn)行交互,提供飛行測(cè)量數(shù)據(jù)并估計(jì)無(wú)法直接測(cè)量的飛行狀態(tài)(自動(dòng)控制所必需的)。CTL塊實(shí)施自動(dòng)飛行控制律。它由NAV塊所生成的全局共享 數(shù)據(jù)得到飛行狀態(tài),根據(jù)飛行狀態(tài)執(zhí)行控制算法,并生成控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)。任務(wù)管理使用多線程架構(gòu),在這種架構(gòu)中,每個(gè)線程是一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)。任務(wù) 調(diào)度由MAIN線程執(zhí)行,由高精度定時(shí)器(納秒精度)發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào),按照預(yù)定義的頻率激活MAIN線程。根據(jù)功能的復(fù)雜性，分配給每個(gè)線程一個(gè)時(shí)間范圍/槽。
Cai等16使 用基于行為的飛行調(diào)度塊來(lái)區(qū)分不同的飛行模式。飛行計(jì)劃可以存儲(chǔ)在無(wú)人直升機(jī)的飛行調(diào)度塊里或由地面站生成。任何無(wú)人機(jī)直升機(jī)的作業(yè)都被認(rèn)為是帶有特定參 數(shù)的特定行為(如控制信號(hào)和執(zhí)行時(shí)間限制)。分層控制系統(tǒng)塊(CTL)用于識(shí)別行為和實(shí)施相應(yīng)的自動(dòng)控制算法,驅(qū)動(dòng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
SheLion的地面控制站是一個(gè)監(jiān)控和指揮無(wú)人直升機(jī)的無(wú)線用戶終端。在飛行測(cè)試中,數(shù)據(jù)由板載系統(tǒng)傳輸?shù)降孛嬲静@示。SheLion地面控制站框架如圖7所示。
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圖7 SheLion地面控制站軟件框架 (2011)7
5 未來(lái)無(wú)人機(jī)
根據(jù)2010年3月發(fā)布的“信息請(qǐng)求”（Request for Information ，RFI），美國(guó)海軍請(qǐng)求額外信息用于一個(gè)無(wú)人艦載發(fā)射監(jiān)視與攻擊(UCLASS) UAV，以此作為諾斯羅普?格魯曼 X-47B和飛馬座(Pegasus)UCAS-D的后續(xù)。負(fù)責(zé)情報(bào)優(yōu)勢(shì)(N2/N6)的副海軍作戰(zhàn)部長(zhǎng)（The Deputy Chief of Naval Operations，DCNO）已明確指出需要一種航母艦載機(jī)系統(tǒng)，以提供持續(xù)的情報(bào)、監(jiān)視、偵查（ISR）以及精確打擊能力。海軍也對(duì)航母艦載作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)能夠與有人機(jī)集成以加入航母航空聯(lián)隊(duì)的這一能力表示出興趣。
6 結(jié)論
在1940早期，美國(guó)空軍用作靶機(jī)后作為監(jiān)視平臺(tái)的遙控?zé)o人機(jī)并沒(méi)有軟件架構(gòu)。21世紀(jì)無(wú)人機(jī)的先驅(qū)者，AQM-34L 螢火蟲(chóng)(1964-1975)，裝備有先進(jìn)的技術(shù)裝備，如電子雷達(dá)干擾器以及AN/ALE-38箔條投放器，可以能夠?qū)崟r(shí)電視圖像傳輸。
世紀(jì)之交的無(wú)人機(jī)，得益于衛(wèi)星通訊能力以及計(jì)算機(jī)速度、算法、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、機(jī)電飛行控制、視覺(jué)/雷達(dá)系統(tǒng)、火控計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展。以上所有的第一代能力影響了軟件架構(gòu)的發(fā)展。General Atomics的捕食者以及Northrop Grumman 的RQ-4全球鷹是這一類(lèi)無(wú)人機(jī)的主要代表。全球鷹設(shè)計(jì)為完全程序控制，利用GPS實(shí)現(xiàn)從起飛至降落的全程自主作業(yè)。他們同時(shí)設(shè)計(jì)有常規(guī)的地面控制站。
21世紀(jì)的第二代無(wú)人機(jī)得益于第一代的技術(shù)進(jìn)步以及有效載荷、目標(biāo)鎖定、偵察和其他任務(wù)能力的顯著增強(qiáng)。相比于固定翼飛機(jī)，火力偵察兵作為一種旋翼無(wú)人機(jī)，其飛行控制更為復(fù)雜。火力偵察兵和X-47B設(shè)計(jì)用于艦面自主作業(yè)，這或許是對(duì)軟件架構(gòu)的最大挑戰(zhàn)。美海軍的無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)(UCAV) Northrop Grumman的X-47B飛馬座的設(shè)計(jì)用途為“長(zhǎng)航時(shí)、高生存能力,和用于自主艦上起降的低速空氣動(dòng)力飛行品質(zhì)”2。
美國(guó)海軍的廣域海上監(jiān)視(BAMS) MQ-4C是一種多用途無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，可用于攻擊支援、信號(hào)情報(bào)以及通訊中繼。這是一種Northrop Grumman的RQ-4海軍改進(jìn)型，裝備有360°多功能主動(dòng)傳感器（Multi-Function Active Sensor，MFAS），這種傳感器是一種主動(dòng)電掃描陣列雷達(dá)（active electronically scanned array ，AESA），以及海軍特制的地面站。
本文所研究的UAV采用了一種以下架構(gòu)的組合方式，如圖1Garlan and Shaw1所總結(jié)的軟件架構(gòu)所示——控制回路、層級(jí)、隱式調(diào)用以及黑板。具有層級(jí)結(jié)構(gòu)的基于行為架構(gòu)（vs.基于模型）即使不是最優(yōu)的UAV軟件架構(gòu)，也是最為流行的。使用實(shí)時(shí)系統(tǒng)以及自主控制器是當(dāng)前的尖端科技。Samad與Balas在2003時(shí)預(yù)測(cè)道“計(jì)算資源目前足夠執(zhí)行復(fù)雜的狀態(tài)和模型優(yōu)化（用于飛行器的實(shí)時(shí)快速動(dòng)態(tài)）”3。Doherty等使用CORBA/client server/distributed “具有多個(gè)交互控制和同步發(fā)生服務(wù)進(jìn)程的架構(gòu)” Sinsley、Long等5使用ARL/PSU智能控制器開(kāi)發(fā)了一個(gè)最接近于人工智能軟件的飛行控制器，此控制器使用了基于行為的架構(gòu)。一種形如Paunicka等人11的無(wú)人機(jī)CORBA/分層架構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于艦載F/A-18飛機(jī)，應(yīng)當(dāng)也適合于未來(lái)的UCLASS自主艦上起降。以上為自1940年代的無(wú)線電（非軟件）控制直至最近的進(jìn)進(jìn)展。
美國(guó)國(guó)防部計(jì)劃在下個(gè)十年總計(jì)增加45%的UAV儲(chǔ)備13，并且有一個(gè)無(wú)人控制系統(tǒng)（Unmanned Control Systems）的控制部分工作小組（Control Segment Working Group）來(lái)建立一個(gè)無(wú)人機(jī)地面站的共同架構(gòu)和開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)14。美國(guó)海軍已經(jīng)發(fā)布一個(gè)信息請(qǐng)求，需要在21世紀(jì)30年代用新的第六代戰(zhàn)斗機(jī)來(lái)取代Boeing F/A-18E/F超黃蜂和EA-18G 咆哮者艦載機(jī)，取代者很有可能會(huì)是無(wú)人機(jī)。
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