面向多模式实时通信的机器人应用框架设计与实现
这是一篇关于机器人框架,通信中间件,ROS,TinyMsg,RAF的论文, 主要内容为机器人作为一种智能化的工具和装置,被广泛应用于生产制造、服务业、医疗健康、教育科研等领域。为了帮助开发者更加高效地构建机器人应用程序,使开发者能够更加专注于具体功能的开发和实现,优秀的实时机器人框架成为机器人研究的热点技术之一。尽管ROS在机器人领域已经非常流行,但是其自身的架构导致其存在着诸如运行效率低、可靠性差、安全性弱、不能应用于实时系统等问题。ROS2在ROS的基础上进行改进,在实时性、安全性方面得到了改观,但在开源实际测试中仍存在时延过高、丢包严重等问题。针对以上问题,本文设计并实现了一种面向多模式实时通信的机器人应用框架,能够适应小数据量的消息指令和大数据量多媒体数据的多模式实时通信,实现复杂任务机器人应用的快速开发。主要工作如下:首先,针对ROS存在的时延大、丢包率高的问题,本文设计开发了一种通信中间件TinyMsg,该通信中间件提供本机进程间通信及多设备间网络通信功能,同时针对不同使用场景设计了点对点、请求-响应和发布订阅三种传输模式,以保证传输过程快速且稳定。其次,针对ROS存在的安全性弱、实时系统难以应用等问题,基于TinyMsg通信中间件设计开发了一种机器人框架RAF(Robotic Application Framework),该框架使用TinyMsg作为通信层,结合其内的多种基础功能包,为用户提供一种安全、稳定、实时、可靠的机器人框架。随后,将ROS框架与本文所提出的RAF框架在多种通信情况下进行比对,分别测试两种框架在时延、丢包率以及实际内存占用方面的表现。实验结果表明,RAF框架在具备更低内存占用的同时,拥有更低的时延和丢包率,并能承受更大数据量的传输。最后,给出了 RAF框架在实际系统中的应用。设计实现了 RAF框架与ROS框架下的Gazebo、Webots等仿真环境的适配应用,并给出了 RAF框架在机器人巡检任务中的实际运行案例,验证了 RAF框架的良好性能。
面向多模式实时通信的机器人应用框架设计与实现
这是一篇关于机器人框架,通信中间件,ROS,TinyMsg,RAF的论文, 主要内容为机器人作为一种智能化的工具和装置,被广泛应用于生产制造、服务业、医疗健康、教育科研等领域。为了帮助开发者更加高效地构建机器人应用程序,使开发者能够更加专注于具体功能的开发和实现,优秀的实时机器人框架成为机器人研究的热点技术之一。尽管ROS在机器人领域已经非常流行,但是其自身的架构导致其存在着诸如运行效率低、可靠性差、安全性弱、不能应用于实时系统等问题。ROS2在ROS的基础上进行改进,在实时性、安全性方面得到了改观,但在开源实际测试中仍存在时延过高、丢包严重等问题。针对以上问题,本文设计并实现了一种面向多模式实时通信的机器人应用框架,能够适应小数据量的消息指令和大数据量多媒体数据的多模式实时通信,实现复杂任务机器人应用的快速开发。主要工作如下:首先,针对ROS存在的时延大、丢包率高的问题,本文设计开发了一种通信中间件TinyMsg,该通信中间件提供本机进程间通信及多设备间网络通信功能,同时针对不同使用场景设计了点对点、请求-响应和发布订阅三种传输模式,以保证传输过程快速且稳定。其次,针对ROS存在的安全性弱、实时系统难以应用等问题,基于TinyMsg通信中间件设计开发了一种机器人框架RAF(Robotic Application Framework),该框架使用TinyMsg作为通信层,结合其内的多种基础功能包,为用户提供一种安全、稳定、实时、可靠的机器人框架。随后,将ROS框架与本文所提出的RAF框架在多种通信情况下进行比对,分别测试两种框架在时延、丢包率以及实际内存占用方面的表现。实验结果表明,RAF框架在具备更低内存占用的同时,拥有更低的时延和丢包率,并能承受更大数据量的传输。最后,给出了 RAF框架在实际系统中的应用。设计实现了 RAF框架与ROS框架下的Gazebo、Webots等仿真环境的适配应用,并给出了 RAF框架在机器人巡检任务中的实际运行案例,验证了 RAF框架的良好性能。
基于DDS的飞行管理仿真平台调度与分发机制研究
这是一篇关于组件调度框架,ARINC653仿真器,通信中间件,数据分发服务的论文, 主要内容为随着航空电子系统从联合式架构向综合化架构的转变,机载系统已由机械与电子密集型系统转变为软件密集型系统。因此在综合化航电系统中,机载软件的代码量和复杂度呈指数级攀升,预计在未来的五代机中,机载软件代码量会达到千万行的级别。受这种趋势的影响,机载软件的开发难度越来越大。在真机上开发和调试机载软件会消耗大量时间和成本,而一个能模拟真实机载系统的仿真平台可以大大减少机载软件前期的开发和调试周期。ARINC 653作为一款机载分区实时操作系统,提供了一组可执行应用的规范。此系统的模拟器是飞行管理仿真平台的良好选择。在模拟ARINC 653分区操作系统的过程中,对机载软件的调度是一大难点。为保证各软件协调、有序、准确地执行,本文采用组件技术和框架技术,通过对通用软件进行组件化和模块化,将周期性进程封装入组件框架中,构成周期性的进程组,并设计组件调度器来调度各周期组的进程。机载软件的消息分发机制更为复杂,各个分区间实时通信对机载系统协调设备稳定运行起着至关重要的作用。本文通过对机载系统分区间消息分发的特性进行分析,完成分区端口通信的管道连接,采用DDS标准在分区间的端口上映射发布订阅关系,将底层复杂的通信建立过程进行封装,并设计了消息读写的通信接口,屏蔽分区间通信的细节,从而设计出一种机载软件通信中间件。本中间件通过对飞机运行数据的仿真验证,能够实现不同分区间通信,完成主题匹配并且实现数据收发,增强了机载应用程序的移植性,降低开发的成本。
基于DDS的飞行管理仿真平台调度与分发机制研究
这是一篇关于组件调度框架,ARINC653仿真器,通信中间件,数据分发服务的论文, 主要内容为随着航空电子系统从联合式架构向综合化架构的转变,机载系统已由机械与电子密集型系统转变为软件密集型系统。因此在综合化航电系统中,机载软件的代码量和复杂度呈指数级攀升,预计在未来的五代机中,机载软件代码量会达到千万行的级别。受这种趋势的影响,机载软件的开发难度越来越大。在真机上开发和调试机载软件会消耗大量时间和成本,而一个能模拟真实机载系统的仿真平台可以大大减少机载软件前期的开发和调试周期。ARINC 653作为一款机载分区实时操作系统,提供了一组可执行应用的规范。此系统的模拟器是飞行管理仿真平台的良好选择。在模拟ARINC 653分区操作系统的过程中,对机载软件的调度是一大难点。为保证各软件协调、有序、准确地执行,本文采用组件技术和框架技术,通过对通用软件进行组件化和模块化,将周期性进程封装入组件框架中,构成周期性的进程组,并设计组件调度器来调度各周期组的进程。机载软件的消息分发机制更为复杂,各个分区间实时通信对机载系统协调设备稳定运行起着至关重要的作用。本文通过对机载系统分区间消息分发的特性进行分析,完成分区端口通信的管道连接,采用DDS标准在分区间的端口上映射发布订阅关系,将底层复杂的通信建立过程进行封装,并设计了消息读写的通信接口,屏蔽分区间通信的细节,从而设计出一种机载软件通信中间件。本中间件通过对飞机运行数据的仿真验证,能够实现不同分区间通信,完成主题匹配并且实现数据收发,增强了机载应用程序的移植性,降低开发的成本。
DDS通信中间件服务质量策略设计与实现
这是一篇关于通信中间件,数据分发服务,服务质量策略,可靠性的论文, 主要内容为数据分发服务(Data Distribution Service,DDS)在众多领域得到认可并投入使用。DDS是一种数据交换标准,用于实时数据交换的分布式系统,它是一种面向发布/订阅的消息交换架构。对比于其他中间件,DDS的特点是以数据为中心的发布订阅机制和多样化的服务质量策略(Quality of Service,Qo S),开发者可以通过手动配置不同的服务质量策略参数实现对DDS通信中间件数据通信控制。传统通信模型以客户端服务器模型为基础,存在耦合性强、面对不同复杂的通信场景需要开发不同的功能等问题,增加了系统上移植技术负担。本文针对传统通信模型耦合性强、灵活性差等问题,开展了一种DDS通信中间件的研究,重点研究数据分发服务通信中间件的服务质量策略的作用方法,进行数据分发服务的服务质量策略总体设计、分模块功能设计,并搭建雷达测试环境对通信中间件功能和性能进行验证,主要研究内容如下:1.针对传统通信中间件通信节点的难以灵活控制数据交付、数据可用性差等问题,根据DDS规范对服务质量策略的功能描述,对不同服务质量策略进行功能划分,进行了DDS通信中间件的服务质量策略总体设计,为上层应用提供控制接口,实现了一种服务质量策略可配置的通信中间件。2.针对面对复杂的雷达通信场景需要不同通信功能的问题,本文基于DDS规范设计了不同服务质量策略模块功能,包括系统资源控制、实体状态监听、数据传输备份等功能,为分布式实时数据传输提供了良好的通信控制方法。3.针对传统通信中间件中的弱网下传输数据缺失的问题,参考传统可靠传输方法,本文基于网路群组管理协议,设计一种基于UDP协议的RUDP可靠传输协议,设计协议头、重传机制等功能,改进的可靠数据传输方法,降低了数据传输过程中的总传输时延。最后,基于毫米波雷达实测数据搭建了雷达传输测试环境,对所设计通信中间件进行功能和性能测试。结果表明,本文设计的通信中间件满足松耦合的通信功能,并且能够配置不同服务质量策略策略控制通信过程,验证了雷达传输数据的可靠性与实时性,相比与Open DDS,本文设计的DDS服务质量策略功能减少了27%的平均使用内存,设计的可靠模块功能在丢包率较高时减少了5.7%的总传输时间。
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