WikiDer > БПЛА

UAVCAN
БПЛА
UAVCAN logo.png
Инструмент GUI UAVCAN screenshot.png
Разработчики)Zubax Robotics и сообщество
изначальный выпуск2014
Репозиторийhttps://github.com/UAVCAN
Написано вC ++, C, Python, Rust, JavaScript
Операционная системаКроссплатформенность
ЛицензияЛицензия MIT
Интернет сайтuavcan.org

БПЛА (Несложные автомобильные вычисления и сети на уровне приложений) - это легкий протокол, предназначенный для надежной связи внутри транспортного средства с использованием различных транспортных средств связи, изначально предназначенных для CAN-шина[1] но в последующих версиях ориентирована на различные типы сетей.[2]

История

Первый RFC В начале 2014 г. было опубликовано общее описание общих идей, которые позже лягут в основу основных принципов проектирования UAVCAN.[3]. Это было ответом на предполагаемое отсутствие адекватной технологии, которая могла бы облегчить надежный внутримашинный обмен данными в реальном времени между распределенными компонентами современных интеллектуальных транспортных средств (в первую очередь беспилотных самолетов).

Начиная с исходного RFC, протокол прошел через три основные итерации дизайна, кульминацией которых стал выпуск в 2020 году (6 лет спустя) первой долгосрочной стабильной версии под названием UAVCAN v1.0. Между тем, протокол был развернут во множестве различных систем, включая беспилотные летательные аппараты.[4][5], космический корабль[6], подводные роботы [7], гоночные автомобили[8], общие робототехнические системы[9], и микромобильные автомобили[10].

UAVCAN v1.0 позиционируется его разработчиками как высоко детерминированная, ориентированная на безопасность альтернатива высокоуровневым средам публикации-подписки, таким как DDS или граф вычислений ROS, который достаточно компактен и прост, чтобы его можно было использовать в глубоко встроенных приложениях с высокой степенью интеграции.[11]. Доказано, что UAVCAN можно использовать с микроконтроллерами «голого металла», оснащенными всего лишь 32 КБ ПЗУ и 8 КБ ОЗУ.[12].

Протокол является открытым и может свободно использоваться повторно без утверждения или лицензионных сборов. Разработка базового стандарта и его эталонных реализаций ведется открыто и координируется через общественный дискуссионный форум.[13]. Проект финансируется и поддерживается за счет добровольных взносов усыновителей. С 2020 года проект поддерживают несколько крупных организаций, включая Полупроводники NXP[14] и проект Dronecode[15].

Дизайн

UAVCAN предоставляет доступные и знакомые разработчикам программного обеспечения абстракции с нулевой стоимостью.[16] без ущерба для функциональной безопасности и детерминизма[2]. Как новая технология, она не обременена наследием.[2] и в значительной степени заимствует из последних разработок в области общей информационные технологии[17]. Протокол предлагает модель связи публикация-подписка без сохранения состояния, в которой узел может начать работу сразу после подключения к сети для поддержки приложений с высокой степенью целостности.[18].

Протокол состоит из двух четко разделенных основных компонентов.[19]: транспортный уровень, который работает поверх надежных автомобильных сетей, таких как Ethernet или CAN FDи уровень представления (сериализации), не зависящий от транспорта, на основе так называемого языка описания структуры данных (DSDL). Было показано, что протокол реализуем менее чем в 1000 логических строк кода.[20].

DSDL идеологически похож на язык описания интерфейса используется в ROS, за исключением того, что он вводит дополнительные статические ограничения, чтобы сделать решение подходящим для встроенных систем с высокой степенью интеграции в реальном времени. Сходство побудило некоторых разработчиков связать ROS с UAVCAN с использованием уровней автоматической трансляции.[9]

Основные принципы

Протокол построен на следующих основных принципах проектирования, которые призваны гарантировать, что решение хорошо подходит для современных сложных транспортных систем, критичных к безопасности.

  • Демократическая сеть - Нет главного узла. Все узлы в сети имеют одинаковые права связи; не должно быть единой точки отказа.
  • Обеспечение функциональной безопасности - Разработчики систем UAVCAN имеют в своем распоряжении необходимые гарантии и инструменты для анализа системы и обеспечения ее правильного поведения.
  • Коммуникационные абстракции высокого уровня - Протокол поддерживает семантику связи публикации / подписки и удаленного вызова процедур со статически определенными и статически проверенными типами данных (схемой). Типы данных, используемые для связи, определены ясным и независимым от платформы способом, который может быть легко понят как машинами, так и людьми.
  • Облегчение взаимодействия между поставщиками - UAVCAN обеспечивает общую основу, на которую могут опираться различные поставщики, чтобы гарантировать совместимость своего оборудования. UAVCAN предоставляет общий набор стандартных типов данных связи, не зависящих от приложений.
  • Четко определенные универсальные высокоуровневые функции - UAVCAN определяет стандартные службы и сообщения для общих функций высокого уровня, таких как: обнаружение сети, конфигурация узла, обновление программного обеспечения узла, мониторинг состояния узла, синхронизация времени в масштабе сети, поддержка узлов plug-and-play и т. Д.
  • Абстракции атомарных данных - Узлы могут обмениваться большими структурами данных, которые превышают емкость одного транспортного кадра. UAVCAN выполняет автоматическую декомпозицию и повторную сборку данных на уровне протокола, скрывая связанную с этим сложность от приложения.
  • Высокая пропускная способность, низкая задержка, детерминизм - UAVCAN добавляет очень низкие накладные расходы к базовому транспортному протоколу, что обеспечивает высокую пропускную способность и низкую задержку. Это делает UAVCAN хорошо подходящим для приложений жесткого реального времени.
  • Поддержка избыточных интерфейсов и резервных узлов - UAVCAN подходит для приложений, требующих модульного резервирования.
  • Простая логика, низкие вычислительные требования - UAVCAN нацелен на широкий спектр встраиваемых систем, от высокопроизводительных бортовых компьютеров до микроконтроллеров с крайне ограниченными ресурсами. Поддержка стоит недорого с точки зрения вычислительной мощности и часов разработки, а расширенные функции могут быть реализованы постепенно, по мере необходимости.
  • Богатые типы данных и абстракции интерфейса - Язык описания интерфейса - это основная часть технологии, позволяющая глубоко встроенным подсистемам взаимодействовать с системами более высокого уровня напрямую (и в удобной для обслуживания манере), обеспечивая при этом моделирование и функциональное тестирование.
  • Поддержка различных транспортных протоколов - UAVCAN может использоваться с несколькими различными транспортными средствами и может быть расширен для поддержки других транспортных протоколов в будущем.
  • API-независимый стандарт - В отличие от некоторых других сетевых стандартов, UAVCAN не пытается описать интерфейс прикладных программ (API). Любые детали, которые не влияют на поведение реализации, наблюдаемое другими участниками сети, выходят за рамки спецификации.
  • Открытая спецификация и эталонные реализации - Спецификация UAVCAN была и всегда будет открытой и бесплатной для всех. Эталонные реализации распространяются в соответствии с условиями разрешающей лицензии MIT или передаются в общественное достояние.

Транспортный уровень

БПЛА / CAN

Транспорт CAN построен поверх CAN и CAN FD с использованием 29-битных идентификаторов. Полезная нагрузка CAN включает в себя накладные расходы фиксированного размера из одного байта на кадр для нужд транспортного уровня.[19].

UAVCAN / UDP

Транспорт UAVCAN / UDP был предложен для транспортных сетей на базе Ethernet в реальном времени. Говорят, что на дизайн повлияли AFDX, DDS / RTPS и НЕКОТОРЫЕ / IP[21].

Стандартные типы данных

Как и другие подобные технологии, UAVCAN предоставляет библиотеку общих типов данных, управляемую и курируемую специалистами по сопровождению протокола, которые предназначены для решения определенных общих проблем в популярных приложениях.[22]. Эти типы данных дополняют типы данных, зависящие от поставщика или приложения, определенные разработчиками, подобно тому, как язык программирования обычно определяет стандартная библиотека на него полагается программное обеспечение, разработанное пользователем. Спецификация протокола предоставляет набор правил, предназначенных для предотвращения конфликтов и повышения совместимости типов данных, определенных независимыми поставщиками.[23].

внешняя ссылка

Рекомендации

  1. ^ «О UAVCAN». Получено 28 февраля 2020.
  2. ^ а б c «UAVCAN - Kvaser - Advanced CAN Solutions». Получено 16 октября 2019.
  3. ^ "Дроны обсуждают | UAVCAN - CAN-шина для БПЛА". groups.google.com/forum/#!topic/drones-discuss. Получено 2020-02-27.
  4. ^ Мейер, Лоренц (2017). Архитектура динамического робота для надежного компьютерного зрения в реальном времени (Тезис). ETH Zurich. Дои:10.3929 / ethz-a-010874068.
  5. ^ «Разработчик ArduPilot | Шина CAN и протокол UAVCAN». ardupilot.org. Получено 2020-02-27.
  6. ^ Лосекамм, Мартин; Милде, Майкл; Poschl, Thomas; Гринвальд, Дэвид; Пол, Стефан (2016). Всенаправленный радиационный мониторинг в реальном времени на космических аппаратах (бумага). Дои:10.2514/6.2016-5532.
  7. ^ Бхат, Шрихарша; Стений, Иван; Скука, Нильс; Севергольт, Жозефина; Люнг, Карл; Торроба Балмори, Игнасио (2019). «На пути к киберфизической системе для гидробатических АПА». ОКЕАНЫ 2019 - Марсель. С. 1–7. Дои:10.1109 / OCEANSE.2019.8867392. ISBN 978-1-7281-1450-7.
  8. ^ http://robotek.no/filer/dokumenter/Revolve-NTNU.pdf
  9. ^ а б "GitHub - MonashUAS / Canros: интерфейс UAVCAN и ROS".
  10. ^ https://www.electric-skateboard.builders/t/all-new-2019-vesc-tool-release/83619
  11. ^ https://forum.uavcan.org/t/uavcan-a-highly-dependable-publish-subscribe-protocol-for-real-time-intravehicular-networking/557
  12. ^ https://diydrones.com/profiles/blogs/new-opengrab-epm-v3-for-uav-cargo-holding
  13. ^ https://forum.uavcan.org/
  14. ^ https://community.nxp.com/docs/DOC-345215
  15. ^ «Dronecode | Ведущие компоненты с открытым исходным кодом для БПЛА». www.dronecode.org. Получено 2020-02-27.
  16. ^ http://www.olliw.eu/2017/uavcan-for-hobbyists/
  17. ^ https://forum.uavcan.org/t/alternative-transport-protocols/324
  18. ^ https://forum.uavcan.org/t/uavcan-a-highly-dependable-publish-subscribe-protocol-for-real-time-intravehicular-networking/557
  19. ^ а б https://uavcan.org/specification
  20. ^ https://github.com/UAVCAN/libcanard
  21. ^ https://forum.uavcan.org/t/alternative-transport-protocols/324
  22. ^ https://github.com/UAVCAN/public_regulated_data_types
  23. ^ https://forum.uavcan.org/t/data-type-regulation-policy-and-membership-fees/707