覃石昌

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所無人機(jī)事業(yè)部，江西景德鎮(zhèn)，333001）

0 引言

對(duì)于無人直升機(jī)來說，其在飛行過程中，需要接收地面控制站對(duì)其發(fā)送飛行控制指令進(jìn)行姿態(tài)調(diào)控；需要接收任務(wù)控制指令執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)；需要向地面站回傳遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示飛行狀態(tài)，操作人員根據(jù)遙測(cè)數(shù)據(jù)判斷飛機(jī)飛行姿態(tài)，向無人機(jī)發(fā)送相應(yīng)的遙控指令。因此，在無人直升機(jī)飛行過程中，地面控制站內(nèi)部之間、內(nèi)部與外部都會(huì)會(huì)有大量的數(shù)據(jù)交互，因而需要穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳送通道。DDS 是分布式系統(tǒng)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的通訊中間件，DDS 能夠滿足非常復(fù)雜、非常靈活的數(shù)據(jù)流要求。本文利用QT 搭建無人直升機(jī)地面站[1-2]綜合處理軟件運(yùn)行框架，基于DDS 實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)外數(shù)據(jù)通信。

1 軟件架構(gòu)

無人直升機(jī)綜合處理軟件采用C++編程語言進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，具有良好的擴(kuò)展性。軟件架構(gòu)如圖1 所示。軟件包含通信、復(fù)合指令解析、綜合管理、遙測(cè)數(shù)據(jù)解析、席位管理、協(xié)議處理、日志管理等七個(gè)主要功能模塊。

圖1 無人直升機(jī)綜合處理軟件架構(gòu)圖

其中基于DDS 的通信模塊是其他功能模塊的基礎(chǔ)，其他功能模塊依賴于通信處理模塊提供數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送通道。

2 基于DDS 的通信模塊的實(shí)現(xiàn)

DDS 是由RTI 公司研發(fā)的通信中間件，其廣泛應(yīng)用于復(fù)雜的分布式應(yīng)用、系統(tǒng)工程集成、控制自動(dòng)化等領(lǐng)域。DDS 是一個(gè)可以解決時(shí)間苛刻和數(shù)據(jù)苛刻難題的通信中間件。DDS 獨(dú)立于操作系統(tǒng)和編程語言，可以實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的通信。其傳輸方式包括以太網(wǎng)、共享內(nèi)存或其他連接方式。另外DDS 具有多種服務(wù)質(zhì)量策略（QoS）參數(shù)可供調(diào)整，方便用戶調(diào)整使應(yīng)用程序達(dá)到性能和資源利用的最佳組合。

無人機(jī)地面站內(nèi)部數(shù)據(jù)交互具有數(shù)據(jù)量大、異構(gòu)系統(tǒng)多、編程語言多樣化、對(duì)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量要求多樣化等特點(diǎn)，因而綜合處理軟件通信模塊需要選擇一個(gè)與系統(tǒng)、編程語言無關(guān)，調(diào)試方便靈活，容易解耦的通信中間件，所以本模塊基于DDS 進(jìn)行開發(fā)，以生成源文件形式供主程序調(diào)用。

■2.1 DDS 調(diào)用模式

DDS 主要有兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：主題模式和回調(diào)模式。

（1）主題模式原理如圖2 所示：通信端點(diǎn)之間創(chuàng)建域來進(jìn)行資源集中配置，每個(gè)域中有若干主題,注冊(cè)在同一個(gè)主題內(nèi)的訂閱者可以獲得發(fā)布者發(fā)布的信息。

圖2 DDS 主題模式原理圖

（2）回調(diào)模式原理如圖3 所示：調(diào)用端和服務(wù)端也需要處于相同的域和主題之下，它們之間的通信交互和普通函數(shù)回調(diào)一樣，調(diào)用端發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)端反饋請(qǐng)求結(jié)果。

圖3 DDS 回調(diào)模式原理圖

DDS 兩種傳輸模式下每個(gè)主題都有獨(dú)立的服務(wù)質(zhì)量策略（QoS）文件，從而針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)傳輸質(zhì)量和傳輸速率之間進(jìn)行優(yōu)化配置。

DDS 開發(fā)分為以下幾個(gè)步驟，流程圖如圖4 所示：

圖4 基于DDS 通信模塊開發(fā)步驟圖

（1）編寫IDL(interface description language)文件；

（2）在服務(wù)端和客戶端編譯IDL 文件，生成獨(dú)立C++頭文件、源文件；

（3）在項(xiàng)目中引入生成的源文件，配置DDS 服務(wù)策略（QoS），編寫通信處理函數(shù)；

（4）代碼編譯；

（5）測(cè)試與集成。

■2.2 編輯IDL 文件

根據(jù)軟件的應(yīng)用場(chǎng)景，軟件的DDS 通信需求分為主題模式與回調(diào)模式，席位管理指令采用回調(diào)模式，其他指令數(shù)據(jù)采用主題模式。

（1）采用回調(diào)模式的用戶登陸指令調(diào)用數(shù)據(jù)格式如下：

數(shù)據(jù)內(nèi)容為用戶名、密碼、用戶角色，密碼采用哈希加密保證數(shù)據(jù)安全，角色代表當(dāng)前登陸用戶的角色。

服務(wù)端反饋指令數(shù)據(jù)格式如下：

數(shù)據(jù)內(nèi)容為操作結(jié)果標(biāo)志，失敗原因（如果操作結(jié)果失敗，此項(xiàng)填寫原因，成功則置空）。

（2）采用主題模式的遙控指令數(shù)據(jù)格式如下：

其中struct_header 是統(tǒng)一的數(shù)據(jù)包頭，里面包含信源、信宿、指令長(zhǎng)度等常規(guī)信息，fmCode 為指令碼，fmData為指令內(nèi)容。

通過類似上述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義，創(chuàng)建了具有12 個(gè)席位管理指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與32 個(gè)飛行指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的IDL 文件。

■2.3 生成源碼和配置策略

打開DDS 客戶端Launcher 界面，在code Generator子界面打開創(chuàng)建的IDL 文件，選擇源文件輸出文件夾，編程語言選擇Modern c++11，運(yùn)行庫(kù)平臺(tái)選擇X64Vs2017，點(diǎn)擊運(yùn)行，可以在源文件輸出文件夾得到如圖5 所示生成的四個(gè)c++文件。

圖5 生成的源文件

在QT 創(chuàng)建的項(xiàng)目工程中導(dǎo)入生成的四個(gè)c++文件，并在環(huán)境變量配置DDS 頭文件目錄與lib 目錄。

席位管理指令要求傳輸可靠，響應(yīng)速度快，請(qǐng)求和接收同步處理，因而采用 DDS的 RELIABILITY(可靠性)Qos策略，可以保障發(fā)布的數(shù)據(jù)內(nèi)容能夠可靠的傳輸。

其他一般的指令數(shù)據(jù)特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸不可靠，數(shù)據(jù)量較大，且傳輸頻率高，因而采用DDS 的 BEST_EFFORT(高效)Qos 策略，可以保障數(shù)據(jù)寫入者能夠以最高效的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，不會(huì)阻塞在函數(shù)調(diào)用上，提升發(fā)送者者的數(shù)據(jù)處理和發(fā)送能力。

■2.4 創(chuàng)建通信線程

為保證綜合處理軟件的并發(fā)處理能力，通信線程由數(shù)據(jù)接收線程(RecvThread)、數(shù)據(jù)處理線程(DealThread)，數(shù)據(jù)發(fā)送線程(SendThread)，回調(diào)處理線程(RRThread)四個(gè)子線程組成。

（1）為了實(shí)現(xiàn)主題模式下數(shù)據(jù)接收、發(fā)送與數(shù)據(jù)處理之間的同步，并提高數(shù)據(jù)交互效率，在RecvThread 與DealThread 之間和SendThread 與DealThread 之間均采用了采用無鎖緩沖區(qū)交換信息。

主題模式下通信處理流程如圖6 所示。

圖6 主題模式數(shù)據(jù)處理流程

（a）數(shù)據(jù)接收子線程(RecvThread)、數(shù)據(jù)處理子線程(DealThread)、數(shù)據(jù)發(fā)送子線程(SendThread)初始化完畢；

（b）RecvThread 通過類WaitSet 的wait()方法阻塞線程，直到接口接收到新數(shù)據(jù)，通過DDSReader 對(duì)象接收新數(shù)據(jù)；

（c）RecvThread 接收到新數(shù)據(jù)后，解析數(shù)據(jù)幀，從幀頭讀取數(shù)據(jù)信源、信宿等屬性，根據(jù)信宿分發(fā)到不同的接收緩沖區(qū)；

（d）DealThread 循環(huán)處理接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，分發(fā)到對(duì)應(yīng)的處理數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；

（e）SendThread 從處理緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)，通過DDS發(fā)送出去。

（2）回調(diào)處理線程(RRThread)負(fù)責(zé)處理回調(diào)模式的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，如圖7 所示，針對(duì)每一種類型回調(diào)指令，通過實(shí)例化一個(gè)監(jiān)聽器(ReplierListener 類對(duì)象)來監(jiān)聽數(shù)據(jù)接收接口，并最終在ReplierListener 類內(nèi)的on_request_available()方法內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理邏輯，最后返回處理結(jié)果。

圖7 回調(diào)模式處理流程

3 其他功能模塊的實(shí)現(xiàn)

在通信模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)完成后，使用QT Creator 進(jìn)行軟件其他功能模塊開發(fā)，其他的功能模塊有：

（1）席位管理模塊：管理各個(gè)控制臺(tái)席位的登陸、注銷、狀態(tài)管理，權(quán)限管理；

（2）日志管理模塊：記錄軟件運(yùn)行期間的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，記錄上行的遙控指令幀，下行的遙測(cè)數(shù)據(jù)幀；

（3）協(xié)議處理模塊：讀取協(xié)議文件，對(duì)上行遙控指令、下行遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析；

（4）復(fù)合指令解析模塊：解析上行飛行遙控指令、上行遙調(diào)指令、連續(xù)量指令等，組成復(fù)合幀，發(fā)送到無人機(jī)；

（5）遙測(cè)數(shù)據(jù)解析模塊：解析下行遙測(cè)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)到地面控制站各個(gè)設(shè)備；

（6）綜合管理模塊：完成系統(tǒng)初始化配置，運(yùn)行狀態(tài)自檢，各個(gè)通信通道冗余切換等功能。

以上功能模塊與通信模塊通過內(nèi)部接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、相互調(diào)用，共同實(shí)現(xiàn)了綜合處理軟件的主體功能。

4 應(yīng)用實(shí)例

在U-Y 型無人直升機(jī)地面站服務(wù)器內(nèi)部署該綜合處理軟件。在軟件正常啟動(dòng)后：

（1）控制臺(tái)席位均可以正常登陸，注銷，超時(shí)下線，站內(nèi)各個(gè)設(shè)備可以定時(shí)接收到綜合處理軟件發(fā)送的控制站自檢狀態(tài)數(shù)據(jù)；

（2）只有具有權(quán)限的計(jì)算機(jī)才可以發(fā)送遙控，遙調(diào)指令；

（3）U-Y 無人直升機(jī) 接收到的遙控復(fù)合指令幀數(shù)據(jù)校驗(yàn)合格，指令幀傳輸時(shí)延符合設(shè)計(jì)要求；

（4）站內(nèi)設(shè)備均可接收到綜合處理軟件轉(zhuǎn)發(fā)的U-Y 無人直升機(jī)發(fā)送的遙測(cè)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)校驗(yàn)和時(shí)延均符合設(shè)計(jì)要求；

（5）查看日志文件，完整記錄了系統(tǒng)運(yùn)行期間的狀態(tài)與各種上行、下行數(shù)據(jù)。

綜上所述，在U-Y 無人直升機(jī)地面試驗(yàn)或飛行操作中，綜合處理軟件運(yùn)行穩(wěn)定，完全符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了基于DDS 的無人直升機(jī)綜合處理軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程。用本文方法編制的綜合處理軟件，經(jīng)過在U-Y 無人直升機(jī)地面站實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，該綜合處理軟件能夠完成控制臺(tái)管理、指令發(fā)送、遙測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，具有運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行效率高等特點(diǎn)，為U-Y 無人直升機(jī)的飛行提供了必要的幫助。日后從提高軟件通用性的角度出發(fā)，將大功能部件模塊化，生成庫(kù)文件，達(dá)到其他軟件可以迅速?gòu)?fù)用的效果。