CAN網(wǎng)絡(luò)任務(wù)調(diào)度在飛行器中的運(yùn)用

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1can總線調(diào)度策略

在汽車和儀表等工業(yè)領(lǐng)域，為保證信息的實(shí)時(shí)性，CAN網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率通常限制在30％以下．但在飛行器控制系統(tǒng)中，其控制周期短和數(shù)據(jù)交換量大的特點(diǎn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率很高，往往高于50％，為了保證系統(tǒng)在高負(fù)載情況下的實(shí)時(shí)性，而采用高效率的任務(wù)調(diào)度策略．CAN總線調(diào)度策略通過合理規(guī)劃總線網(wǎng)絡(luò)中各種數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)占用總線資源的先后順序，在滿足控制系統(tǒng)性能和數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的前提下來提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率．根據(jù)任務(wù)調(diào)度優(yōu)先級(jí)的設(shè)置規(guī)則可將CAN總線調(diào)度策略分為靜態(tài)調(diào)度、動(dòng)態(tài)調(diào)度和混合調(diào)度策略．靜態(tài)調(diào)度策略是一種固定優(yōu)先級(jí)的調(diào)度方法，即在控制系統(tǒng)工作前已經(jīng)為所有數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)分配優(yōu)先級(jí)．運(yùn)用靜態(tài)調(diào)度策略的前提是已知系統(tǒng)所有任務(wù)的時(shí)間特性，并根據(jù)時(shí)間特性來確定每個(gè)任務(wù)的傳輸優(yōu)先級(jí)．常用的靜態(tài)調(diào)度策略有RM調(diào)度策略和DM調(diào)度策略［5］．動(dòng)態(tài)調(diào)度策略是在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配優(yōu)先級(jí)的調(diào)度方法，因此可以靈活適應(yīng)系統(tǒng)變化，提高了網(wǎng)絡(luò)利用率．常用的動(dòng)態(tài)調(diào)度策略有EDF調(diào)度算法［6］．混合調(diào)度策略是在綜合靜態(tài)調(diào)度對系統(tǒng)的可預(yù)測性和動(dòng)態(tài)調(diào)度的靈活性基礎(chǔ)上，而提出的一種折中調(diào)度方法．

2多功能雙CAN網(wǎng)絡(luò)任務(wù)調(diào)度策略在飛行器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2．1飛行器控制系統(tǒng)

CAN網(wǎng)絡(luò)布局基于CAN總線的飛行器控制系統(tǒng)內(nèi)部組成如圖1所示．所有分系統(tǒng)通過2個(gè)CAN接口組成雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)．當(dāng)總線空閑時(shí)，任一節(jié)點(diǎn)可以占用總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)報(bào)文濾波機(jī)制選擇性接收．在飛行器工作階段，機(jī)載計(jì)算機(jī)通過慣性導(dǎo)航單元（IMU）和GPS模塊獲取機(jī)體運(yùn)動(dòng)及姿態(tài)信息，完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)目前飛行器在絕對坐標(biāo)下的姿態(tài)與理論值之間的差異，通過CAN總線向副翼、俯仰舵和偏航舵的舵機(jī)發(fā)出舵偏指令，利用改變舵面偏轉(zhuǎn)角度而形成的空氣動(dòng)力進(jìn)一步控制飛行器姿態(tài)．在滿足導(dǎo)引頭開機(jī)條件下，機(jī)載計(jì)算機(jī)通過CAN總線向?qū)б^發(fā)出開機(jī)指令，導(dǎo)引頭開始對目標(biāo)進(jìn)行搜索、識(shí)別及跟蹤［7］．系統(tǒng)中數(shù)據(jù)記錄儀1和2分別用于記錄2個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵報(bào)文信息，以便于飛行實(shí)驗(yàn)后期的數(shù)據(jù)分析．網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，完成相應(yīng)故障報(bào)警及故障處理等工作．

2．2雙CAN網(wǎng)絡(luò)混合調(diào)度策略

隨著飛行器內(nèi)各子系統(tǒng)需要共享的數(shù)據(jù)越來越多和系統(tǒng)控制周期越來越快，CAN總線的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率越來越高，單CAN網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的要求，而且飛行器控制系統(tǒng)工作環(huán)境特殊，從可靠性角度考慮需要采取冗余設(shè)計(jì)方案，但是由于其工作時(shí)間短，主網(wǎng)絡(luò)癱瘓的概率比較小，備份網(wǎng)絡(luò)往往利用不上而浪費(fèi)了系統(tǒng)資源．針對這些情況，本文提出一種基于雙CAN網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)調(diào)度方案，該方案不但可以對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行備份，提高可靠性，而且可以通過合理利用備份總線的網(wǎng)絡(luò)資源，有效降低主網(wǎng)絡(luò)的總線負(fù)載率，同時(shí)通過采取合適的調(diào)度策略，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性．為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，其中指令網(wǎng)負(fù)責(zé)傳輸控制類指令報(bào)文如機(jī)載計(jì)算機(jī)發(fā)送的舵機(jī)偏轉(zhuǎn)指令，這類指令信息對實(shí)時(shí)性要求比較嚴(yán)格，如果不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)送出去則可能造成系統(tǒng)工作異常甚至癱瘓的后果，同時(shí)為保證指令網(wǎng)上傳輸報(bào)文的可靠性，傳輸波特率不能太高而采用500kB／s；數(shù)據(jù)網(wǎng)負(fù)責(zé)傳輸實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)幀如分系統(tǒng)狀態(tài)幀，這類數(shù)據(jù)幀對實(shí)時(shí)性要求不高，即使出現(xiàn)較長時(shí)間延時(shí)也不影響系統(tǒng)正常工作，傳輸波特率采用1MB／s．網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)該調(diào)度策略的關(guān)鍵，其通過監(jiān)測指令網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)整報(bào)文幀的傳輸路徑，完成系統(tǒng)的故障檢測和故障恢復(fù)．由于指令網(wǎng)中傳輸?shù)氖菍?shí)時(shí)性關(guān)鍵信息，其發(fā)送成功與否直接影響到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)要?jiǎng)討B(tài)監(jiān)控這類報(bào)文．如果發(fā)現(xiàn)多次發(fā)送失敗要進(jìn)行傳輸通道更換后重發(fā)，而備份網(wǎng)中傳輸?shù)氖欠菍?shí)時(shí)性信息，即使傳輸失敗也不會(huì)影響系統(tǒng)正常工作，因此，為了不影響主網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和提高管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控管理能力，對此類非關(guān)鍵信息不進(jìn)行監(jiān)控和處理．對于主網(wǎng)絡(luò)上的非周期實(shí)時(shí)性報(bào)文，由于該類報(bào)文的產(chǎn)生時(shí)刻不可預(yù)測，網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)無法判斷報(bào)文是否發(fā)送成功，因此在實(shí)際飛行器工作過程中采取雙網(wǎng)同時(shí)發(fā)送方式，即此類報(bào)文在主網(wǎng)絡(luò)和備份網(wǎng)絡(luò)中先后發(fā)送出去，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)成功接收后不再響應(yīng)另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的相同報(bào)文．

對于主網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)闹芷趯?shí)時(shí)性報(bào)文，網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)采取固定周期監(jiān)控方式，這個(gè)固定周期通常選取系統(tǒng)控制周期的整數(shù)倍。主網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)故障的原因主要有發(fā)送節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的程序故障、發(fā)送節(jié)點(diǎn)的硬件故障和主網(wǎng)絡(luò)故障3類，針對不同的故障需采取不同的處理機(jī)制：（1）對于發(fā)送節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的程序故障，網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)通過主網(wǎng)絡(luò)向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送分系統(tǒng)復(fù)位指令幀，節(jié)點(diǎn)接收到復(fù)位指令幀后執(zhí)行軟件復(fù)位操作．（2）對于發(fā)送節(jié)點(diǎn)的主網(wǎng)絡(luò)通道的硬件故障，網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)通過備份網(wǎng)向故障節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切換指令幀，并同時(shí)發(fā)送一個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶寬優(yōu)化廣播指令幀．首先，故障節(jié)點(diǎn)接收到通道切換指令幀后，將其在主網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)乃袌?bào)文幀變換到備份網(wǎng)絡(luò)中傳輸．然后，當(dāng)備份網(wǎng)上所有節(jié)點(diǎn)收到優(yōu)化帶寬廣播指令幀后，所有節(jié)點(diǎn)將其在備份網(wǎng)中傳輸?shù)牟糠址菍?shí)時(shí)性周期信號(hào)（如分系統(tǒng)狀態(tài)信息）的發(fā)送周期擴(kuò)大1倍，以降低備份網(wǎng)的總線負(fù)載率，保證從主網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到備份網(wǎng)中傳輸報(bào)文幀的實(shí)時(shí)性．（3）當(dāng)判斷為主網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，其產(chǎn)生原因多為硬件故障或外界干擾導(dǎo)致的主網(wǎng)絡(luò)癱瘓．這種情況也可理解成第2種故障的特殊形式，即主網(wǎng)絡(luò)上的6個(gè)節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)通信通道故障，解決措施與第2種措施相同，將主網(wǎng)絡(luò)中所有報(bào)文轉(zhuǎn)移到備份網(wǎng)中傳輸，并同時(shí)將原來備份網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)牟糠址菍?shí)時(shí)性周期報(bào)文的發(fā)送周期擴(kuò)大6倍．考慮到系統(tǒng)最壞情況即主網(wǎng)絡(luò)癱瘓時(shí)，所有數(shù)據(jù)均在備份網(wǎng)中傳輸．雖然采取了一定的優(yōu)化措施，但此時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)的總線負(fù)載率仍然急劇增加．為不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，采用了高效率的任務(wù)調(diào)度算法，在確保控制系統(tǒng)正常工作的同時(shí)，提高了關(guān)鍵報(bào)文的實(shí)時(shí)性和非實(shí)時(shí)性報(bào)文的公平性．其中非實(shí)時(shí)性報(bào)文幀的標(biāo)志符采用EDF＋固定優(yōu)先級(jí)的混合編碼方式，其EDF動(dòng)態(tài)區(qū)采取對數(shù)分區(qū)法，具體標(biāo)志符分配方案如表1所示，對實(shí)時(shí)性報(bào)文幀的標(biāo)志符采取固定優(yōu)先級(jí)的編碼方式。

3仿真實(shí)驗(yàn)

通過搭建半物理仿真平臺(tái)，建立飛行器空間運(yùn)動(dòng)模型并實(shí)現(xiàn)位置、姿態(tài)等環(huán)境的仿真，進(jìn)而模擬飛行器的實(shí)際飛行參數(shù)，構(gòu)造各分系統(tǒng)盡量逼真的工作環(huán)境，完成對基于雙CAN網(wǎng)絡(luò)混合調(diào)度策略的飛行器控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作．實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成如圖3所示．其中：仿真機(jī)用于完成飛行器理論彈道的仿真，通過獲取飛行器上副翼和前舵舵機(jī)的實(shí)際舵偏角信息并結(jié)合理論彈道數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)向轉(zhuǎn)臺(tái)輸出姿態(tài)角和姿態(tài)角速度等信息來控制三軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)模擬飛行器實(shí)際的飛行環(huán)境；三軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)通過接收仿真機(jī)指令，按照理論彈道設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的姿態(tài)角和姿態(tài)角速度，為機(jī)載計(jì)算機(jī)提供姿態(tài)運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)；舵機(jī)力矩加載器用于模擬舵機(jī)實(shí)際工作中的鉸鏈力矩；CANoe用于實(shí)現(xiàn)對總線網(wǎng)絡(luò)的全面分析，如負(fù)載率和報(bào)文幀時(shí)間信息等；CANstress是一款專業(yè)的CAN總線干擾儀，具有靈活的干擾觸發(fā)方式，可以實(shí)現(xiàn)對CAN總線的數(shù)字干擾和模擬干擾．半物理仿真實(shí)驗(yàn)是以上述的軟硬件系統(tǒng)為平臺(tái)，主要完成以下幾個(gè)方面的測試：（1）基于單CAN網(wǎng)絡(luò)的飛行器控制系統(tǒng)測試．在未采取任何策略情況下，測試基于單CAN網(wǎng)絡(luò)的飛行器控制系統(tǒng)中傳輸報(bào)文幀的平均延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，總線波特率為1MB／s．（2）采用雙CAN網(wǎng)絡(luò)混合調(diào)度策略并在主網(wǎng)絡(luò)正常工作時(shí)，分別測試主網(wǎng)絡(luò)和備份網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文幀的平均延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，其中指令網(wǎng)總線波特率為500kB／s，數(shù)據(jù)網(wǎng)為1MB／s．（3）采用雙CAN網(wǎng)絡(luò)混合調(diào)度策略并通過CANstress對主網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行錯(cuò)誤幀干擾，直到主網(wǎng)絡(luò)癱瘓，然后測試飛行器控制系統(tǒng)備份網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況．表4為3項(xiàng)試驗(yàn)過程中飛行器控制系統(tǒng)內(nèi)所傳輸?shù)膱?bào)文幀，表5為CANoe中記錄的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)，表6為報(bào)文幀平均延時(shí)和最大延時(shí)的統(tǒng)計(jì)信息．

4結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用雙CAN網(wǎng)絡(luò)混合調(diào)度策略后，飛行器通信網(wǎng)絡(luò)的總線負(fù)載率從61％下降到指令網(wǎng)為8％和數(shù)據(jù)網(wǎng)為54％，大幅度降低了飛行器控制類報(bào)文幀的平均延時(shí)和最大延時(shí)，保證了此類關(guān)鍵報(bào)文的實(shí)時(shí)性，并在一定程度上降低了非實(shí)時(shí)性報(bào)文幀的傳輸延時(shí)，提高了系統(tǒng)整體的實(shí)時(shí)性．而且當(dāng)指令網(wǎng)因干擾而通信癱瘓時(shí)，所有實(shí)時(shí)性報(bào)文都能夠轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)網(wǎng)中傳輸，并由于采用了網(wǎng)絡(luò)帶寬優(yōu)化措施，此時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)的總線負(fù)載率也僅為31％，整個(gè)控制系統(tǒng)在正常且穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，保證了控制類報(bào)文幀的實(shí)時(shí)性，提高了系統(tǒng)的可靠性．因此，采用雙CAN網(wǎng)絡(luò)混合調(diào)度策略不僅可以提高飛行器控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，而且當(dāng)主網(wǎng)絡(luò)癱瘓后，雖然備份網(wǎng)中非實(shí)時(shí)性周期報(bào)文的發(fā)送周期變大，但卻保證了與控制飛行器飛行相關(guān)指令幀的實(shí)時(shí)性，飛行器仍然可以正常運(yùn)行，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性．

作者：張宏巍張文娟賈宏光單位：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所東北師范大學(xué)應(yīng)用電子研究所