摘要：無人機傳感系統在多個領域中廣泛應用，如何為機載計算機選擇合適的處理器是無人機設計時必須回答的問題之一。本文介紹了一種利用電子系統級建模與仿真工具VisualSim建立無人機傳感系統應用場景模型，仿真分析機載計算機使用不同數量和不同工作頻率處理器時對系統性能影響，得到處理器量化性能指標，從而支持處理器選型的方法。

關鍵詞：無人機傳感系統，機載計算機，多處理器，性能仿真，選型 

0. 引言

安裝有傳感器的無人機作為一種空中平臺，與在太空、地面、海面等其他位置上運行的單位協作，共同組成無人機傳感系統，實現對一定范圍內空間的探測工作。相比有人機等其他飛行器，無人機具有價格便宜、使用便利、能進入不宜人類生存環境執行任務等顯著優點，受到國內外多家機構和組織的重視，在多種領域中得到廣泛應用。例如：美國DARPA提出了“自適應跨域殺傷網”（ACK）和“馬賽克戰”，利用無人機傳感系統實現戰場偵查、目標識別、目標打擊、毀傷評估等功能；美國內華達山脈公司提出了基于著艦虛擬映像（VISUAL）的無人機自動著艦系統；美國陸軍提出了空中通用傳感器（ACS）計劃，利用無人機傳感系統為地面單位提供戰場實時信息。在民用領域，也利用無人機傳感系統開展電力線巡檢、安防檢測、環境監測、農作物管理^]等工作。

豐富的應用需求催生了大量攜帶有傳感器的無人機設計，然而在無人機機載計算機初始設計階段，準確評估處理器等核心元器件性能需求對系統整體的影響往往比較困難，導致出現核心元器件選型不當這一問題。該問題不但涉及到無人機機載計算機設計本身，也涉及到地面、太空等其他協作單獨，必須從無人機傳感系統整體角度進行充分分析，合理選取核心元器件參數，才能保證機載計算機符合無人機傳感系統性能要求。

本文以機載計算機中多處理器選型為例，基于面向角色和事務級建模方法，利用電子系統級建模與仿真工具VisualSim，建立了一個無人機傳感系統模型。利用該模型，仿真分析了處理器數量和工作頻率這兩個典型參數對無人機傳感系統性能的影響，實現基于系統應用場景的量化性能指標支持無人機機載計算機核心元器件選型。

1. 建模與仿真方法

國際系統工程協會（INCOSE）、NASA 等機構對各種工程實踐活動進行總結，提出了基于模型的系統工程（Model-based Systems Engineering，MBSE）。MBSE 的主要思想之一是利用計算機可以理解的“語言”對目標工程進行系統性描述、模擬系統運行過程和結果，使得參與工程研制的各方可以對工程目標、進度、變更、參數等內容達成無歧義的一致理解，以推動工程項目在設計約束下合理開展。

將MBSE 思想應用復雜電子系統研制中，產生了電子系統級設計（Electronic System Level，ESL）思想。ESL 思想認為使用Verilog、VHDL 等設計語言描述硬件寄存器和連線在每個時鐘周期內行為的設計方法過于細節并占用了大量仿真計算資源，存在仿真速度慢、難以描述系統中軟件行為等多種問題，為此必須提高系統設計的描述抽象層次，從行為的角度對系統進行建模和仿真，才能在有限算力的約束條件下仿真復雜系統架構。

面向角色建模和事務級建模是ESL 思想的兩種主要實現方式。面向角色建模起源于加州大學伯克利分校，其主要思想是將建模對象分成角色和導演兩大類，不同角色模擬系統中不同組件的行為，導演制定規則并控制各個角色間的互動。面向角色建模方法主要特點之一是角色間只存在數據交互。當數據到達一個角色時，觸發這個角色的行為，產生一段新數據，再交付給其他角色，觸發其他角色行為。事務級建模起源于加州大學爾灣分校，其主要思想是從通信和計算兩個方面對目標系統進行行為分解，再分別對計算行為和通信行為進行不同粒度的建模，以便在仿真算力需求和仿真精度之間取得平衡。比如，在計算行為上，細粒度建?？梢允且粋€寄存器的運算，而粗粒度建?？梢允且唤M復雜公式的運算；在通信行為上，細粒度建?？梢允且粋€周期上的行為，而粗粒度建?？梢允嵌鄠€周期內的行為。

本文同時使用面向角色建模和事務級建模兩種方法，將無人機傳感系統中不同組成部分抽象成不同的對象，確保各個對象間只存在數據交互，最大化降低各對象之間的耦合度，以便模型維護和行為參數化。同時，每個角色完成無人機傳感系統中各組件的計算行為，角色間的數據交互則依據無人機傳感系統中各組件間的通信時間特征進行設計。

2. 無人機傳感系統應用場景及機載計算機建模

2.1 應用場景概述

無人機傳感系統應用場景及機載計算機參考前述美國相關項目特征，包括無人機、地面車輛和衛星三類。無人機作為多種傳感器的載具，負責對環境情況的探測，探測數據直接或者通過衛星中繼發放送給地面車輛；地面車輛接收來自無人機或者衛星發來的數據，排除重復數據后進行綜合處理；衛星作為無人機和地面車輛通信的中繼單位，始終將從無人機接收到的數據轉發到地面。

2.2 頂層建模

頂層模型是對無人機傳感系統的整體建模，包括三架無人機、一顆中繼衛星和三個地面車輛，如圖1所示。系統模型總體采用層次化設計，每個模塊內部都建模了其數據處理過程。同時，選用VisualSim中的DigitalSimulator作為運行本模型的仿真器，以便模擬各模塊中數字電路的行為。系統中處理器工作頻率等主要變量建模為可以調整的參數，調整參數即可實現對不同組態下無人機機載計算機及整體系統性能的分析。無人機傳感系統的總體性能為無人機傳感器發出數據到地面車輛完成數據處理后的總體時延。

圖1 無人機傳感系統頂層模型

2.3 無人機建模

每架無人機上搭載實時圖像、蒙面目標檢測、光線探測/測距、測量與特征情報，共四種傳感器，各個傳感器同時工作，向無人機機載計算機發送傳感數據。機載計算機完成傳感器數據處理后，通過無線數據鏈路以廣播形式發出。

無人機模型描述了四類傳感器和機載計算機的行為和性能，各部分采用層次化設計，如圖2所示。其中，四類傳感器建模方法相似，僅數據不同，下文僅以圖像傳感器為例說明建模方法。 

圖2 無人機模型 

2.3.1 圖像傳感器建模

圖像傳感器模型用于模擬傳感器周期性采集無人機外部數據并將數據發送至無人機機載計算機的過程，主要包括數據產生、鏈路延遲、重傳三部分功能，如圖3所示。數據產生部分生成隨機數據，經過鏈路送入機載計算機。當需要重傳時，檢查需要重傳數據的最大數量，之后繼續經過鏈路發送至機載計算機。 

圖3 圖形傳感器模型 

2.3.2 機載計算機建模

機載計算機模型如圖4所示，主要實現功能如下：

圖4 機載計算機模型 

1）帶cache的多處理器系統

這一部分主要模擬機載計算機中多處理器對輸入數據的處理。對于多處理器系統采用一組FIFO建模。FIFO個數模擬處理器數量，數據在FIFO中停留的時間模擬處理器處理數據的時間，FIFO利用率模擬處理器利用率。對于cache部分性能模擬，當數據從FIFO中彈出后，cache隨機延時一段時間。這段時間較長，模擬cache命中率較低情況，反之，模擬cache命中率較高情況。

2）存儲系統

存儲系統與多處理系統的建模方法類似，也采用一個FIFO模擬對存儲系統操作和時延。兩者的主要區別在于由于多處理器系統共享一套存儲系統，因此模擬存儲系統的FIFO只需要一個，而不必像多處理器系統一樣采用多個FIFO。

3）RTOS

這一部分主要模擬RTOS對多處理器系統和存儲系統的調度。當傳感器的數據到達機載計算機后，觸發RTOS對多處理器系統和存儲系統的控制，確保當前傳感器數據被多處理器中某一個處理器所處理，同時，這一處理器得到操作存儲系統的權限。當多處理器系統中的所有處理器都被占用時，RTOS則暫定對接收到的傳感器數據調度，等待某個處理器空閑后再將數據送入多處理器系統和存儲系統。

2.4 地面車輛建模

地面車輛接收來自無人機廣播發送和/或衛星轉發無人機的數據，排除掉來自不同平臺的相同數據和時間上先后順序錯誤的數據之后，根據接收到的數據建模無人機發現目標的數據庫。地面車輛建模如圖5所示，主要建模了判斷接收到的數據是否存在重復或錯誤，以及當數據發生錯誤時，向無人機發出重傳數據請求。在這一模型中，采用延遲模塊模擬地面車輛進行數據計算時的延遲，用查找表模擬對是否需要重傳數據的判斷。 

圖5 地面車輛模型 

2.5 衛星建模

衛星接收無人機發送的廣播數據，如果是沒有轉發過的數據，則向地面廣播，如果由于多徑原因接收到已經轉發的數據，則刪除掉該數據。衛星模型如圖6所示，利用查找表模擬判斷是否存在重復發送的數據，并利用延遲模塊模擬衛星對數據包處理的時延。當判斷接收到數據包并非重復發送時，則將數據包向地面車輛轉發。 

圖6 衛星模型 

3. 性能分析

3.1 仿真環境

本文所述無人機傳感系統模型在VisualSim 2040版本中完成設計和仿真，運行電腦主要配置為：處理器AMD Ryzen7 5800U 3.2GHz、內存16GB、硬盤512GB。VisualSim完成一次仿真約需要2.5秒。

3.2 主要仿真參數

主要仿真參數分為固定和可變兩類。其中，固定參數約束了無人機傳感系統的基本應用場景，包括仿真時間（10s）、傳感器生成數據量及頻率（0.01s~0.02s之間以均勻分布產生40~120Byte之間的隨機數據）、無人機和衛星與地面車輛的通信速率（12000bps）、機載計算機多處理器系統cache延遲時間（90us~1000us之間隨機）?？勺儏蛋ǘ嗵幚砥飨到y中處理器的數量和工作頻率，通過改變這兩個參數觀察對無人機傳感器系統性能的影響，從而得到機載計算機處理器選型的量化依據。

3.3 機載計算機多處理器系統仿真結果及分析

針對無人機機載計算機中多處理器系統的分析，分別將機載多處理器系統的工作頻率配置為10MHz、50MHz、100MHz和500MHz，處理器數量分別配置1個、2個、4個、6個、8個和12個，仿真結果如圖7至圖10所示。

1）無人機傳感系統傳輸延遲。首先，從增加處理器數量的角度分析，多處理器系統工作在上述四個頻率時，增加多處理器系統中處理器的數量對提高無人機傳感系統性能未見顯著貢獻。這是由于使用一個處理器時雖然其利用率接近100%（10MHz時處理器利用率為96.07%），但依舊能夠滿足系統需要。此時繼續增加處理器數量，計算任務會均攤到每個處理器上，降低了每個處理器的平均使用率，并不會提升同性能。其次，從提升處理器工作頻率的角度分析，當機載多處理器系統工作在10MHz時，無人機傳感系統平均延遲在0.28s左右。當工作頻率提升到50MHz、100MHz和500MHz時，系統的平均延遲穩定在0.025秒左右，性能提升了約10倍。但這種性能提高僅發生在多處理器系統工作頻率從10MHz提升到50MHz時，50MHz之后繼續提升多處理器系統工作頻率則不再提升無人機傳感系統性能。對于仿真結果，可從以下三個方面分析無人機機載多處理器系統對無人機傳感系統性能的影響：

2）無人機傳感系統傳輸穩定性。當多處理器系統工作在10MHz時，無人機傳感系統最大延遲與平均延遲存在較大偏差，說明系統的穩定性有待提高。當多處理器系統工作在50MHz、100MHz和500MHz時，無人機傳感系統最大延遲、最小延遲、平均延遲三者數值接近，說明提升多處理器系統工作頻率有助于提高無人機傳感系統的穩定性。

3）機載多處理器系統剩余計算能力。無論是提高多處理器系統中的處理器數量，還是提高多處理器系統的工作頻率，都可以觀察到處理器平均利用率與處理器數量和工作頻率成反比，說明在多處理器系統中處理器數量增加、工作頻率增高后，可以提升機載計算機完成傳感器數據處理和轉發之外的剩余計算能力。這些剩余計算能力為無人機執行更多其他任務的提供可能。

綜上所述，在本文所述無人機傳感系統應用場景及相關參數約束下，機載計算機多處理器系統對于處理器選型的基本參數要求為處理器數量至少1顆、工作頻率不低于50MHz，是否選用更高工作頻率、更多處理器數量，視無人機承擔的其他任務而定。 

4. 結束語

本文針對無人機創建系統應用場景中，機載航電系統處理器選型問題，介紹了一種利用電子系統級建模與仿真工具VisualSim建立無人機傳感系統應用模型，通過仿真分析機載計算機中多處理器系統不同數量和不同工作頻率對無人機傳感系統性能影響的方法。通過這種方法可以快速得到基于量化數據的處理器性能參數選型依據，有效支持無人機機載計算機設計。