一種高實(shí)時(shí)性無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈幀處理技術(shù)

方威, 李德尚, 鄒泉

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 中航工業(yè)飛行仿真航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710089)

一種高實(shí)時(shí)性無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈幀處理技術(shù)

方威, 李德尚, 鄒泉

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 中航工業(yè)飛行仿真航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710089)

為滿足無人機(jī)遙控飛行試驗(yàn)中數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)母邔?shí)時(shí)性和可靠性要求,提出了數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)和處理技術(shù),加入拼幀機(jī)制并改進(jìn)了數(shù)據(jù)鏈傳輸性能。通過在理想仿真環(huán)境、半實(shí)物仿真環(huán)境和真實(shí)飛行中對(duì)幀處理技術(shù)的研究,總結(jié)了拼幀設(shè)計(jì)思路和方法。最后,通過分析遙控飛行試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù),驗(yàn)證了幀設(shè)計(jì)及處理技術(shù)的正確性和可靠性。

無人機(jī); 數(shù)據(jù)鏈; 時(shí)間延遲; 幀處理

0 引言

在空地通信系統(tǒng)發(fā)展的初期,系統(tǒng)主要傳送話音數(shù)據(jù)。此時(shí),空地通信采用甚高頻(VHF)空地通信系統(tǒng)和短波(HF)通信系統(tǒng)。這種通信手段存在一定的局限性,例如話音傳送速度慢、通信質(zhì)量不穩(wěn)定以及容易出錯(cuò)等。因此,20世紀(jì)70年代,美國(guó)ARINC公司開發(fā)了一種基于VHF的空地?cái)?shù)據(jù)通信系統(tǒng),它具有通信速度快、抗干擾能力強(qiáng)、誤碼率低等特點(diǎn),彌補(bǔ)了話音通信的缺點(diǎn)。21世紀(jì)以來,無人機(jī)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,而其中的數(shù)據(jù)鏈(空地?cái)?shù)據(jù)通信)成為連接無人機(jī)與指揮控制站的紐帶,使得此項(xiàng)技術(shù)變得更為關(guān)鍵。

本文側(cè)重于無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的軟件設(shè)計(jì),針對(duì)數(shù)據(jù)鏈通訊技術(shù),基于某軍用級(jí)數(shù)據(jù)鏈路平臺(tái),研究了上下行通訊中數(shù)據(jù)幀的設(shè)計(jì)和處理技術(shù)。

1 數(shù)據(jù)鏈組成及數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)方法

1.1 數(shù)據(jù)鏈組成

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈一般由機(jī)載部分和地面部分組成,如圖1所示。機(jī)載部分包括機(jī)載數(shù)據(jù)終端和天線,地面部分包含地面數(shù)據(jù)終端和一付或幾付天線。

圖1 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的組成Fig.1 Composition of UAV’s data link

從功能方面講,無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈分為上行鏈路和下行鏈路。上行鏈路主要傳輸?shù)孛嬲局翢o人機(jī)的遙控指令,下行鏈路主要傳輸無人機(jī)至地面終端的遙測(cè)數(shù)據(jù),一般下行鏈路的傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上行鏈路[1-2]。

1.2 數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)方法

建立數(shù)據(jù)鏈平臺(tái)后,要確定數(shù)據(jù)以何種格式傳輸,即數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)幀要結(jié)合無人機(jī)使用功能來設(shè)計(jì),需同時(shí)考慮實(shí)時(shí)性要求、傳輸方式以及數(shù)據(jù)傳輸對(duì)數(shù)據(jù)鏈路上下行帶寬的要求。帶寬代表了數(shù)據(jù)鏈的傳輸性能,決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間長(zhǎng)短和數(shù)據(jù)量大小，所以要盡可能地利用帶寬,設(shè)計(jì)滿足使用要求的數(shù)據(jù)幀協(xié)議。

數(shù)據(jù)鏈根據(jù)傳輸長(zhǎng)度一般分為兩種:一種為面向比特型傳輸,例如美軍戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈,數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚挝粸橐粋€(gè)比特位[3-4];另一種為面向字符型傳輸,例如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的軍用數(shù)據(jù)鏈、民用數(shù)傳電臺(tái)等,數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚挝粸橐粋€(gè)字節(jié)(8個(gè)比特位),一般由422總線或232總線傳輸。由于第二種傳輸方式應(yīng)用廣泛,因此,本文討論面向字符型幀協(xié)議。

圖2介紹了兩種幀格式,其共同點(diǎn)是均有同步字和校驗(yàn)碼。設(shè)置同步字是為了標(biāo)明幀頭位置,校驗(yàn)碼用于檢驗(yàn)誤碼。圖2(a)端對(duì)端幀格式簡(jiǎn)單、長(zhǎng)度固定,最大程度地實(shí)現(xiàn)了多數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸,特別適用于端對(duì)端、要求實(shí)時(shí)性高的遙控操縱;其不足之處

是所有數(shù)據(jù)都有其固定位置、不夠靈活,且對(duì)帶寬有一定的要求。圖2(b)廣播幀格式較為復(fù)雜、長(zhǎng)度變化,除數(shù)據(jù)段外還有發(fā)送端和接收端號(hào)、信息種類、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息,適用于廣播式發(fā)送、要求實(shí)時(shí)性一般的場(chǎng)合;其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)沒有固定位置,軟件處理復(fù)雜[5]。

圖2 數(shù)據(jù)鏈幀格式Fig.2 Frame format of UAV’s data link

2 幀處理技術(shù)

2.1 概述

本文基于實(shí)時(shí)性要求較高的遙控飛行,對(duì)幀處理技術(shù)的研究均基于端對(duì)端數(shù)據(jù)幀格式。數(shù)據(jù)幀處理技術(shù)包括幀發(fā)送和幀接收處理。數(shù)據(jù)幀發(fā)送參照幀協(xié)議要求,在發(fā)送緩沖區(qū)中對(duì)應(yīng)位置填上同步字、數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)字即可;幀接收相對(duì)復(fù)雜,不僅要參考幀協(xié)議要求,還要考慮硬件設(shè)備及其應(yīng)用環(huán)境。以下結(jié)合無人機(jī)遙控飛行的試驗(yàn)過程,介紹幀處理技術(shù)以及加入拼幀機(jī)制的處理方法。不同仿真環(huán)境下的幀處理方式如圖3所示。

圖3 仿真環(huán)境Fig.3 Simulation environment

2.2 理想仿真環(huán)境中的幀處理技術(shù)

圖3(a)中,兩臺(tái)工控機(jī)分別運(yùn)行串口發(fā)送軟件和接收軟件,設(shè)置定時(shí)器為15 ms,循環(huán)發(fā)送和循環(huán)接收。測(cè)試在理想仿真環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G幀率、時(shí)間延遲。試驗(yàn)中取出接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù),根據(jù)幀協(xié)議判斷同步字頭、幀長(zhǎng)和校驗(yàn)碼分析測(cè)試結(jié)果。在沒有作任何接收處理技術(shù)時(shí),所有接收幀與發(fā)送幀完全一致,數(shù)據(jù)解包正確、丟幀率為零,時(shí)間延遲為15 ms(等于程序運(yùn)行周期)。反映出在有線連接條件下,422總線之間的通訊正常,數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果理想。

2.3 實(shí)物仿真環(huán)境中的幀處理技術(shù)

圖3(b)中,數(shù)據(jù)鏈地面終端和機(jī)載終端分別連接工控機(jī)上串口,地面終端和機(jī)載終端用同軸電纜相連。取出接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù),根據(jù)幀協(xié)議判斷同步字頭、幀長(zhǎng)和校驗(yàn)碼。從結(jié)果看,接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不等于發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,且長(zhǎng)度不斷變化,導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法解包。分析原因,由于此種環(huán)境下系統(tǒng)參與的硬件較多,每個(gè)硬件有各自的時(shí)鐘,數(shù)據(jù)發(fā)送和接收在時(shí)序上不能保證精確統(tǒng)一,所以接收到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度會(huì)不斷變化,解決方式是采用拼幀機(jī)制。拼幀機(jī)制如圖4所示。

圖4 拼幀示意圖Fig.4 Schematic diagram of frame piecing

圖4中,軟件中設(shè)置一個(gè)固定長(zhǎng)度緩沖區(qū)(長(zhǎng)度設(shè)置足夠大),并為該緩沖區(qū)設(shè)置輸入和輸出兩個(gè)指針。輸入指針始終指向該緩沖區(qū)中最新接收數(shù)據(jù)段尾,輸出指針始終指向前一次取出一個(gè)完整幀的幀尾對(duì)應(yīng)在固定緩沖區(qū)的位置。實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)后,取出接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù),將其放入固定緩沖區(qū)中,同時(shí)累加輸入指針指向新數(shù)據(jù)段尾。接下來,從輸出指針和輸入指針之間的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)中,即圖中顯示待處理幀數(shù)據(jù)段,根據(jù)同步字、幀長(zhǎng)和校驗(yàn)碼取出一個(gè)完整的幀數(shù)據(jù),即圖中顯示的一個(gè)完整幀,再根據(jù)幀協(xié)議解出對(duì)應(yīng)參數(shù)。最后更新輸出指針位置到字節(jié)N+1位置。

加入了拼幀機(jī)制之后,解決了接收長(zhǎng)度不斷變化的問題,最終可以得到一個(gè)完整正確的幀數(shù)據(jù)。

2.4 真實(shí)飛行環(huán)境中的幀處理技術(shù)

圖3(c)中,進(jìn)行人在環(huán)地面閉環(huán)試驗(yàn)時(shí),出現(xiàn)了操縱延遲隨時(shí)間累積的現(xiàn)象。現(xiàn)象描述為開始操縱和響應(yīng)的時(shí)間延遲較小,約為300 ms(數(shù)據(jù)鏈路延遲和飛機(jī)本體操縱響應(yīng)延遲之和),但隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,時(shí)間延遲開始逐漸增加,達(dá)到2 s左右的時(shí)間延遲,且仍有增加趨勢(shì),此時(shí)的遙控飛行操縱根本無法進(jìn)行。

分析其原因,現(xiàn)有拼幀機(jī)制雖然保證可以接收到完整幀,但并沒有考慮到實(shí)時(shí)性要求。例如,當(dāng)固定緩沖區(qū)中輸入指針和輸出指針間的數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí),采用先入先出(FIFO)順序取出一個(gè)完整幀,此時(shí)在時(shí)間上靠后的數(shù)據(jù)即便也形成了一個(gè)完整幀(圖4中實(shí)線輸出指針和輸入指針間的數(shù)據(jù)段),也不會(huì)提取出來,而是等待到下一個(gè)循環(huán)接收處理時(shí)再取出。所以接收到最新的數(shù)據(jù)要等到一個(gè)循環(huán)周期或多個(gè)循環(huán)周期才被取出,且循環(huán)周期會(huì)隨時(shí)間不斷累加,最終出現(xiàn)了操縱延遲隨時(shí)間累積的現(xiàn)象。

解決方法是采用后入先出(LIFO)順序取出一個(gè)完整幀。即在新數(shù)據(jù)段中找出所有的幀同步字,并作標(biāo)記。首先判斷數(shù)據(jù)段尾部的幀同步字是否能構(gòu)成一個(gè)完整幀,如果是一個(gè)完整幀則取出,同時(shí)解出對(duì)應(yīng)參數(shù),此時(shí)這些參數(shù)即最新一次接收的數(shù)據(jù),滿足了實(shí)時(shí)性要求;如果不是一個(gè)完整幀(幀長(zhǎng)度不夠或校驗(yàn)碼出錯(cuò)),則取該幀之前的一幀數(shù)據(jù),滿足了減少丟幀率的要求。拼幀機(jī)制流程如圖5所示。

圖5 拼幀機(jī)制流程圖Fig.5 Flow chart of frame piecing

與前次試驗(yàn)結(jié)果相比,數(shù)據(jù)鏈時(shí)間延遲約為110 ms,且沒有了操縱延遲隨時(shí)間累積的現(xiàn)象,遙控飛行操縱基本可以進(jìn)行。但從記錄數(shù)據(jù)來看,會(huì)出現(xiàn)間歇性時(shí)間延遲變大和解出參數(shù)出錯(cuò)問題,后又恢復(fù)正常。

分析數(shù)據(jù)源,發(fā)現(xiàn)串口接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度會(huì)突然增加很大,原因與機(jī)載飛控計(jì)算機(jī)的串口卡緩沖區(qū)設(shè)置及雙余度管理、數(shù)據(jù)鏈終端的發(fā)送或接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)堆積有關(guān)。解決方式是將接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)放入固定緩沖區(qū)之前,加入接收長(zhǎng)度判斷。若長(zhǎng)度超過限定最大長(zhǎng)度,則認(rèn)為此組數(shù)據(jù)無效,丟棄不做處理,參數(shù)值維持在前一幀狀態(tài),直到接收到下一幀數(shù)據(jù),狀態(tài)才會(huì)改變。

3 在遙控飛行試驗(yàn)中的應(yīng)用

經(jīng)過上述對(duì)拼幀機(jī)制的改進(jìn),進(jìn)行了多次的空中遙控飛行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果滿足飛行要求。

3.1 數(shù)據(jù)鏈時(shí)間延遲

圖6為數(shù)據(jù)鏈時(shí)間延遲結(jié)果圖。圖中:實(shí)線為地面站接收信號(hào)test-rx;虛線為地面站發(fā)送信號(hào)test-tx;橫軸為時(shí)間;縱軸為測(cè)試信號(hào)參數(shù)值(無量綱)。

圖6 數(shù)據(jù)鏈時(shí)間延遲Fig.6 Time delay of UAV’s datalink

根據(jù)信號(hào)傳輸路徑和硬件數(shù)據(jù)刷新率,可計(jì)算出理論時(shí)間延遲85 ms[6]。由于忽略了信號(hào)在其他介質(zhì)中傳播花費(fèi)的時(shí)間,實(shí)際的時(shí)間延遲略大于85 ms。分析圖6,選取每個(gè)鋸齒波頂端為分析點(diǎn),實(shí)線滯后虛線,觀察多個(gè)頂端點(diǎn),滯后時(shí)間基本相同,可知時(shí)間延遲固定無累加。從圖中測(cè)量時(shí)間延遲范圍在90～110 ms,與理論計(jì)算基本相符。

圖7和圖8給出了遙控飛行時(shí)的橫向和縱向操縱時(shí)間延遲。操縱信號(hào)we和wa為地面站側(cè)桿指令;p和q為回傳到地面站的飛機(jī)滾轉(zhuǎn)角速度和俯仰角速度;橫向和縱向操縱時(shí)間延遲分別為324 ms和365 ms,是數(shù)據(jù)鏈和飛機(jī)本體時(shí)間延遲之和,基本滿足遙控飛行。

圖7 橫向操縱時(shí)間延遲Fig.7 Time delay of lateral control

圖8 縱向操縱時(shí)間延遲Fig.8 Time delay of longitudinal control

3.2 系統(tǒng)丟幀率

系統(tǒng)丟幀率包括整個(gè)鏈路受到干擾丟幀、終端處理丟幀以及為滿足實(shí)時(shí)性而主動(dòng)丟幀,如圖9所示。圖中每個(gè)點(diǎn)表示一幀數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)幀從1以一個(gè)單位遞增到100。統(tǒng)計(jì)可得1～100單位中丟失的數(shù)據(jù)幀大多為22～27個(gè),所以系統(tǒng)丟幀率范圍為22%～27%。

圖9 系統(tǒng)丟幀率Fig.9 System frame loss rate

幀缺失計(jì)數(shù)是指當(dāng)程序每周期接收中出現(xiàn)接收零字節(jié)、接收緩沖區(qū)中無幀頭、接收幀長(zhǎng)度錯(cuò)誤及接收幀校驗(yàn)碼出錯(cuò)時(shí)的幀缺失計(jì)數(shù)累加。當(dāng)上述任一條件不滿足時(shí),幀缺失計(jì)數(shù)清零。加入拼幀機(jī)制后,可知程序運(yùn)行1～2個(gè)周期即可形成一個(gè)完整幀。幀缺失計(jì)數(shù)如圖10所示。可以看出,幀缺失計(jì)數(shù)在0～1之間,與前述結(jié)果相符。遙控飛行時(shí),地面虛擬視景畫面運(yùn)動(dòng)連續(xù),飛機(jī)狀態(tài)參數(shù)顯示數(shù)值連續(xù),基本滿足地面操作員觀察的需要。

圖10 幀缺失計(jì)數(shù)Fig.10 Frame loss count

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)和處理技術(shù)加入了拼幀機(jī)制,并結(jié)合實(shí)時(shí)性要求作了進(jìn)一步改進(jìn)。對(duì)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明,數(shù)據(jù)鏈上下行時(shí)間延遲約為110 ms,遙控操縱時(shí)間延遲約為350 ms,丟幀率約為25%。該幀處理技術(shù)已經(jīng)過多次遙控飛行試

驗(yàn)驗(yàn)證,其實(shí)時(shí)性和可靠性基本滿足飛行員提出的遙控駕駛要求。

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(編輯：李怡)

UAV’s data link frame processing technology with high real time

FANG Wei, LI De-Shang, ZOU Quan

(AVIC Aeronautical Science and Technology Key Laboratory of Flight Simulation, CFTE, Xi’an 710089, China)

To meet the requirements of good real-time and high reliability for data-link transmission in UAV remote control flight tests, the data frame design and processing technology with frame piecing mechanism were introduced. The technology could improve data-link transmission performance. The frame piecing design concept and method were summarized through the research on the frame processing technology in the ideal simulation, semi physical simulation and actual fight test environments. Finally, feasibility and reliability of the frame design and processing technology were validated based on the analysis of remote control fight test data.

UAV; data link; time delay; frame process

2014-05-19;

2014-09-10;

時(shí)間:2014-11-04 08:27

方威(1983-)，男，江蘇徐州人，工程師，主要從事飛行控制、無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路通信研究。

V279; V217

A

1002-0853(2015)01-0087-05