一種用于無人機(jī)集群發(fā)射控制系統(tǒng)調(diào)度機(jī)制的應(yīng)用研究

李博, 張盛兵, 張小林, 席博聞, 田云鵬

1.西北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 陜西 西安 710072;2.西北工業(yè)大學(xué) 第365研究所, 陜西 西安 710065; 3.空軍駐西安地區(qū)軍事代表室, 陜西 西安 710065

當(dāng)前，集群無人機(jī)作戰(zhàn)的理念越來越受到各國(guó)軍方的重視。集群無人機(jī)作戰(zhàn)不僅能夠增加無人機(jī)的打擊力度，也能夠使各個(gè)無人機(jī)協(xié)同配合達(dá)到最佳的戰(zhàn)斗性能[1]。集群發(fā)射階段是無人機(jī)集群作戰(zhàn)的第一階段?？焖?、有效地將無人機(jī)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)射升空，直接關(guān)系無人機(jī)系統(tǒng)在戰(zhàn)場(chǎng)上的作戰(zhàn)能力和生存能力，其相關(guān)技術(shù)是無人機(jī)集群作戰(zhàn)裝備研究的重要領(lǐng)域。

本文所研究的無人機(jī)集群發(fā)射控制系統(tǒng)是一種基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，下文將其簡(jiǎn)稱為發(fā)射控制系統(tǒng)。其中指揮控制節(jié)點(diǎn)和無人機(jī)號(hào)位控制節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了控制系統(tǒng)的主網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)號(hào)位控制節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)傳感器、測(cè)量傳感器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)成了子系統(tǒng)。

由于CAN總線數(shù)據(jù)傳輸是依據(jù)仲裁機(jī)制進(jìn)行的[2]，因此在發(fā)射控制系統(tǒng)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬等系統(tǒng)資源進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，從而造成網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)或擁塞，甚至可能將低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)丟棄，從而影響了系統(tǒng)的正常工作。為此，本文中提出了一種基于SnPWFQ機(jī)制的調(diào)度方法來解決此問題。

1 發(fā)射控制系統(tǒng)工作原理分析

在發(fā)射無人機(jī)集群過程中，發(fā)射控制系統(tǒng)的傳感器會(huì)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)前狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并回傳給指揮控制節(jié)點(diǎn)。發(fā)射控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 發(fā)射控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

在發(fā)射控制系統(tǒng)中指揮控制節(jié)點(diǎn)用于控制管理各個(gè)號(hào)位，即向各個(gè)號(hào)位控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令數(shù)據(jù)、任務(wù)數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)等。每個(gè)子系統(tǒng)由本號(hào)位控制節(jié)點(diǎn)與傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成閉環(huán)的控制系統(tǒng)。因此，在網(wǎng)絡(luò)帶寬給定的情況下，當(dāng)集群發(fā)射的無人機(jī)越多，發(fā)射控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)越重，故在網(wǎng)絡(luò)通信中，普遍采用了網(wǎng)絡(luò)調(diào)度技術(shù)。

在發(fā)射控制系統(tǒng)中，用于各個(gè)子系統(tǒng)自動(dòng)控制的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)性的，而用于更改系統(tǒng)工作狀態(tài)、處理意外狀態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)是非實(shí)時(shí)性的。發(fā)射控制系統(tǒng)中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)調(diào)度機(jī)制時(shí)，應(yīng)分別為各種數(shù)據(jù)分配合適帶寬，以實(shí)現(xiàn)調(diào)度的公平性。同時(shí)，在發(fā)射控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)某些數(shù)據(jù)是有嚴(yán)格的順序性，即發(fā)送端應(yīng)將數(shù)據(jù)有序發(fā)送，否則接收端會(huì)認(rèn)為數(shù)據(jù)無效而丟棄。

目前常用的隊(duì)列調(diào)度算法或者動(dòng)態(tài)調(diào)度算法[3]，例如WFQ算法[4]、EDF算法[5]及其相關(guān)的改進(jìn)算法等，是以獨(dú)立性數(shù)據(jù)為的假設(shè)條件，即前一時(shí)刻數(shù)據(jù)和下一時(shí)刻數(shù)據(jù)相關(guān)性為零，發(fā)送順序可以顛倒。所以無法直接應(yīng)用到發(fā)射控制系統(tǒng)中。根據(jù)發(fā)射控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，本文提出了一種新的調(diào)度機(jī)制——SnPWFQ調(diào)度機(jī)制，以期解決發(fā)射控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的順序性、實(shí)時(shí)性和公平性等調(diào)度問題。

2 發(fā)射控制網(wǎng)絡(luò)SnPWFQ調(diào)度機(jī)制

2.1 調(diào)度機(jī)制設(shè)計(jì)

發(fā)射控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度機(jī)制可分為3部分：狀態(tài)監(jiān)控模塊、動(dòng)態(tài)調(diào)度模塊、輸出調(diào)度模塊。調(diào)度機(jī)制的原理如圖2所示：

圖2 發(fā)射控制網(wǎng)絡(luò)調(diào)度機(jī)制原理框圖

狀態(tài)監(jiān)控模塊用于接收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擬發(fā)送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，其參數(shù)包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)P，數(shù)據(jù)的截止期DL，數(shù)據(jù)的順序號(hào)Sn，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ID。在狀態(tài)監(jiān)控模塊中，設(shè)置了1個(gè)輸入緩存FIFO隊(duì)列，用于存儲(chǔ)所接收到的請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)，以避免在調(diào)度過程中丟失數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分類模塊用于將發(fā)射控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并保存在各自的數(shù)據(jù)隊(duì)列中。在此模塊中設(shè)置了4個(gè)FIFO隊(duì)列，分別存儲(chǔ)4類發(fā)射控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。4類數(shù)據(jù)按表1進(jìn)行分類:

表1 發(fā)設(shè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分類表

隊(duì)列Q1～Q4分別存儲(chǔ)4類優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù),4個(gè)隊(duì)列長(zhǎng)度為l,優(yōu)先級(jí)P1>P2>P3>P4。在保存數(shù)據(jù)時(shí),為了保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性,每個(gè)隊(duì)列按照截止期DL從小到大的順序保存數(shù)據(jù)。

輸出調(diào)度模塊中設(shè)置了輸出緩存FIFO隊(duì)列。模塊中FIFO隊(duì)列通過SnPWFQ調(diào)度算法,將請(qǐng)求數(shù)據(jù)的ID放入輸出緩存FIFO隊(duì)列中,并通過CAN總線發(fā)送給所屬的節(jié)點(diǎn)。在此模塊中,輸入的參數(shù)是各個(gè)請(qǐng)求的D和ID,輸出為調(diào)度的結(jié)果。

2.2 SnPWFQ算法設(shè)計(jì)

2.2.1 WFQ算法實(shí)現(xiàn)方法

WFQ是一個(gè)基于虛擬完成時(shí)間的調(diào)度算法,是對(duì)GPS(通用處理器共享)調(diào)度算法的模擬實(shí)現(xiàn)[6]。雖然GPS 算法的服務(wù)原則是絕對(duì)公平的[7],但由于它是依據(jù)理想流模型把數(shù)據(jù)包分成無窮小的數(shù)據(jù)元。在發(fā)射控制網(wǎng)絡(luò)中,數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚卧峭暾臄?shù)據(jù)幀,因此GPS算法是不可能實(shí)現(xiàn)的。WFQ算法是通過對(duì)GPS算法的改進(jìn),在算法中引入了虛擬時(shí)間函數(shù)和虛擬時(shí)鐘,并按照 GPS處理過程對(duì)每一個(gè)分組進(jìn)行處理,是一個(gè)基于虛擬完成時(shí)間的調(diào)度算法。虛擬時(shí)間越小,則優(yōu)先級(jí)越高[8-9]。

WFQ算法帶寬分配方法是:假設(shè)有事件j,ti表示到達(dá)時(shí)間,Bj表示通路,事件的權(quán)值為φi。V(t)表示虛擬時(shí)間,在服務(wù)器處于空閑狀態(tài)的所有時(shí)間均置為0。在任意忙碌周期,虛時(shí)間都從V(0)開始。V(t)可定義為:

V(0)=0

V(tj-1+τ)=V(tj-1)+τ∑i∈Bjφi

τ≤tj-tj-1,j=2,3…

(1)

設(shè)第i個(gè)隊(duì)列中的第k個(gè)數(shù)據(jù)在tk時(shí)刻到達(dá),數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為L(zhǎng)i,k。Si,k表示這個(gè)數(shù)據(jù)開始調(diào)度的時(shí)間,Fi,k表示這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)束調(diào)度的時(shí)間,ωi為調(diào)度器服務(wù)事件的速率。對(duì)所有的i,定義Fi,0=0,則有下面公式

Fi,0=0

Si,k=max{Fi,k-1,V(tk)}

Fi,k=Si,k+Li,kωi

(2)

在WFQ算法情況下對(duì)每幀數(shù)據(jù)所分配的帶寬為

gi=ωi∑Nj=1ωjC

C≥∑Ni=1ωi

(3)

式中,C表示數(shù)據(jù)調(diào)度平均速率。從(2)式、(3)式中可以看出,WFQ算法對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)度僅與數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和到達(dá)時(shí)間相關(guān),可以滿足數(shù)據(jù)發(fā)送調(diào)度的要求,且能保證公平性。但是,WFQ算法并不考慮當(dāng)前時(shí)刻數(shù)據(jù)的順序性,因此在實(shí)際調(diào)度中會(huì)將到達(dá)的所有數(shù)據(jù)打亂順序發(fā)送,從而無法滿足發(fā)射控制網(wǎng)絡(luò)中,某些順序性數(shù)據(jù)發(fā)送的需要。并且WFQ是按照各個(gè)數(shù)據(jù)的權(quán)值分配帶寬,會(huì)增大實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的排隊(duì)延時(shí)。

2.2.2 SnPWFQ算法

SnPWFQ算法是在WFQ算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的產(chǎn)物。在帶寬分配時(shí),將數(shù)據(jù)的隊(duì)列 優(yōu)先級(jí)Pi和順序號(hào)Sn作為數(shù)據(jù)速率ω計(jì)算的因子。從而將帶寬分配計(jì)算方法從(3)式變?yōu)橄率健?/p>

gi=ωi∑Nj=1ωjC

C≥∑Ni=1ωi

i∈R

(4)

式中，a為Pi的底數(shù),b為Sn的底數(shù)。當(dāng)數(shù)據(jù)為無序時(shí),Sn=0;當(dāng)為有序數(shù)據(jù)時(shí),Sn則表示數(shù)據(jù)的順序號(hào)。

由于在控制系統(tǒng)中,隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性級(jí)別相對(duì)應(yīng),所以,從(4)式中可以看出:在改進(jìn)后的算法中,ωi與數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)指數(shù)成正比,與順序號(hào)指數(shù)成反比。如果數(shù)據(jù)無順序性,則Sn=0時(shí),ωi與順序號(hào)無關(guān)。因此在隊(duì)列Qi中優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)權(quán)值較大,優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)權(quán)值較小;在發(fā)射控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中,實(shí)時(shí)性高的數(shù)據(jù)權(quán)值較大,實(shí)時(shí)性低的數(shù)據(jù)權(quán)值較小。同理對(duì)有序數(shù)據(jù)而言,順序號(hào)靠后的數(shù)據(jù)權(quán)值較小。于是SnPWFQ機(jī)制中,會(huì)將實(shí)時(shí)性較高、順序號(hào)靠前的數(shù)據(jù)分配更多的帶寬。

3 性能分析

3.1 隊(duì)列數(shù)據(jù)的公平性

公平性是發(fā)射控制系統(tǒng)調(diào)度機(jī)制性能的重要指標(biāo),本文采用隊(duì)列公平性指數(shù)來分析[9],即在發(fā)射控制系統(tǒng)中,任意2個(gè)隊(duì)列Qm,Qn在時(shí)間段[tk,tk+1]內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生等待發(fā)送數(shù)據(jù),則有:

fi=LiLmin

Si(tk,tk+1)fi-Sj(tk,tk+1)fj≤M

(5)

表明此調(diào)度機(jī)制具有公平性。其中:Li表示隊(duì)列中可被成功發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,Lmin表示隊(duì)列中可被成功發(fā)送數(shù)據(jù)的最小長(zhǎng)度,M表示公平性指數(shù),Si(tk,tk+1)表示在時(shí)間[tk,tk+1]內(nèi)隊(duì)列Q發(fā)送的數(shù)據(jù)量。公式(5)的正確性可論證如下。

證明:假設(shè)在時(shí)間段[tk,tk+1]內(nèi)隊(duì)列Qi發(fā)送的數(shù)據(jù)量為Si(tk,tk+1),令tq為隊(duì)列Qi調(diào)度一次的時(shí)間,由(4)式可知,在調(diào)度機(jī)制下,數(shù)據(jù)發(fā)送量小于存儲(chǔ)隊(duì)列Qi, 則有:

Si(tk,tk+1)≤li+(vout-vin)(tk+1-tk)

(6)

(tk+1-tk)=tk+1-tktqtq≤tk+1-tktq+1tq

(7)

將上式代入(6)式得到

Si(tk,tk+1)≤li+(vout-vin)tk+1-tktq+1tq

(8)

因?yàn)閠q(vout-vin)=Li,所以

Si(tk,tk+1)≤li+tk+1-tktq+1Li

(9)

因?yàn)閒i=LiLmin,fi>0所以

tk+1-tktq+1Lmin-Lmaxfj≤Sj(tk,tk+1)fj

(10)

代入(9)式得到

Si(tk,tk+1)fi-Sj(tk,tk+1)fj≤lifi+Lmaxfj+Lmin=M

(11)

3.2 隊(duì)列數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性

在本文的調(diào)度機(jī)制中,根據(jù)公平性論證過程可得到一次調(diào)度周期的最長(zhǎng)時(shí)間為:

Tmax=Lmaxvin-vout+lvin-vout+∑2i=1Livout

(12)

式中:Lmaxvin-vout表示隊(duì)列Q1中強(qiáng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的最長(zhǎng)調(diào)度時(shí)間;lvin-vout表示隊(duì)列Q2周期性數(shù)據(jù)中的最長(zhǎng)調(diào)度時(shí)間;Livout表示Q3和Q4中非實(shí)時(shí)的調(diào)度時(shí)間。由于在發(fā)射控制系統(tǒng)中Lmax≤l,vin-vout≤vout,因此在調(diào)度過程中,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的調(diào)度時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。即

Lmaxvin-vout≤lvin-vout≤∑2i=1Livout

(13)

設(shè)D為發(fā)射控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度延時(shí)上限,根據(jù)(13)式分析結(jié)論可知DQ1

4 仿真實(shí)驗(yàn)

本文中使用的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是基于MATLAB/Simulink建立瞬態(tài)分析環(huán)境,同時(shí)加載自定義的目標(biāo)配置模塊及CAN模塊。通過Simulink 模型生成硬件下可運(yùn)行的代碼,實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的模擬。指揮控制節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)采用Windows+RTX的架構(gòu),各個(gè)號(hào)位控制節(jié)點(diǎn)的微處理器采用Freescale公司的MPC82XX系列處理器,操作系統(tǒng)為VxWorks5.5.1。

4.1 實(shí)時(shí)性仿真

硬件平臺(tái)設(shè)置如下:共設(shè)置10個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn),分別模擬了指揮控制節(jié)點(diǎn)和9個(gè)發(fā)射號(hào)位節(jié)點(diǎn)。CAN總線速率設(shè)置為500 kb/s,4類數(shù)據(jù)長(zhǎng)度均為16byte。分別采用本文的調(diào)度機(jī)制、WFQ算法以及動(dòng)態(tài)EDF算法進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)方法如下:設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘處于同步狀態(tài);在實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)報(bào)文內(nèi)容填入節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間tout,最小單位為0.1 ms,接收端接收到數(shù)據(jù)后在數(shù)據(jù)報(bào)文中填入接收時(shí)間tin,仿真軟件根據(jù)公式d=tout-tin計(jì)算延時(shí)。本論文分別取指揮控制節(jié)點(diǎn)和第3號(hào)位節(jié)點(diǎn)的延時(shí)數(shù)據(jù),對(duì)比3種調(diào)度算法,結(jié)果如下:

圖3 指揮指控節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)延時(shí)對(duì)比

圖4 3號(hào)位節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送延時(shí)對(duì)比

圖3、圖4表明在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí),采用本文方法數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)與EDF算法的延時(shí)比較接近。而采用WFQ算法,系統(tǒng)延時(shí)較大。

4.2 公平性仿真實(shí)驗(yàn)

硬件平臺(tái)設(shè)置如下:在仿真系統(tǒng)中設(shè)置CAN節(jié)點(diǎn)共10個(gè),分別模擬了指揮控制節(jié)點(diǎn)和9個(gè)發(fā)射號(hào)位節(jié)點(diǎn),設(shè)置CAN總線速率為256 kb/s～1Mb/s的變化范圍,網(wǎng)絡(luò)中4類數(shù)據(jù)長(zhǎng)度均為8 byte,發(fā)送周期為20 ms,分別采用本文方法、WFQ算法以及動(dòng)態(tài)EDF算法進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)。通過統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟包的情況分析每種算法對(duì)公平性的影響。

實(shí)驗(yàn)方法如下:系統(tǒng)工作后,所有節(jié)點(diǎn)將發(fā)送節(jié)點(diǎn)號(hào)、接收節(jié)點(diǎn)號(hào)、順序號(hào)和計(jì)數(shù)周期填入要發(fā)送的數(shù)據(jù)包中;系統(tǒng)工作3分鐘,每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)將接收到數(shù)據(jù)包的順序號(hào)上傳給仿真軟件進(jìn)行分析。其中發(fā)送端的順序號(hào)位連續(xù)計(jì)數(shù),從0計(jì)數(shù)到255,滿255后從0重新開始計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)周期+1。如果數(shù)據(jù)包未發(fā)送成果則仿真軟件無法收到對(duì)應(yīng)的順序號(hào)。

丟包率計(jì)算公式為r=∑n/∑m×100%,其中r表示丟包率,m表示所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文的數(shù)量,n表示系統(tǒng)中報(bào)文丟失的數(shù)量。本實(shí)驗(yàn)中順序性數(shù)據(jù)的Snmax=20。以指揮控制節(jié)點(diǎn)和3號(hào)位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,結(jié)果如下:

圖5 指揮控制節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)丟失統(tǒng)計(jì)分析

從圖中可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬越高，3種方法法的丟包率越來越小。在帶寬較低的情況下，本文方法與WFQ算法的丟包率相差不大，說明本算法在公平性上與WFQ算法相一致。

圖6 3號(hào)位節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)丟失統(tǒng)計(jì)分析

同時(shí)在仿真實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)WFQ算法和EDF算法調(diào)度后的有序數(shù)據(jù)已無法保持原有的順序性。在實(shí)際應(yīng)用中，這類數(shù)據(jù)即使成功傳輸給接收端，接收端無法正常執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，從而導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。

5 結(jié) 論

本文提出了基于優(yōu)先級(jí)和順序性的SnPWFQ算法，通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此算法能夠滿足無人機(jī)集群發(fā)射控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的順序性、公平性和實(shí)時(shí)性要求，在無人機(jī)集群發(fā)射應(yīng)用中有重要意義。但由于本算法是對(duì)WFQ算法進(jìn)行改進(jìn)而得，因此，仍需要實(shí)時(shí)更新虛擬時(shí)間集合。所以如何簡(jiǎn)化虛擬時(shí)間計(jì)算，仍是作者以后的主要研究方向。

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