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CN111756580B - 一种多节点系统的协同作业同步方法及系统 - Google Patents

一种多节点系统的协同作业同步方法及系统 Download PDF

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CN111756580B CN202010598585.7A CN202010598585A CN111756580B CN 111756580 B CN111756580 B CN 111756580B CN 202010598585 A CN202010598585 A CN 202010598585A CN 111756580 B CN111756580 B CN 111756580B
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Abstract

本发明涉及一种多节点系统的协同作业同步方法及系统，该方法通过计算主控节点对系统中的所有作业节点的平均时间误差以及对应时间误差的离散程度；并根据所有作业节点的平均时间误差以及对应时间误差的离散程度，计算出系统整体的时间误差；主控节点依据整体时间误差提前下发任务，该系统采用集中式和分布式相结合，解决了现有技术中多节点系统同步性和协调性差的问题，提升了多节点系统的时间同步性，增强了多节点同步协作能力，也提高了系统环境适应性。

Description

一种多节点系统的协同作业同步方法及系统
技术领域
本发明涉及多节点系统协同作业技术领域，具体的说是一种多节点系统的协同作业同步方法及系统。
背景技术
对于多节点系统的协同作业，无论是无人飞行器、无人船、无人车，亦或是其它无人平台，主要的难点包含两项，一是控制命令的时间误差同步性，二是多节点协作模型的选取。
对于控制命令的时间误差同步性，现有技术只考虑的时间的同步性，而忽略了空间同步性，中国专利文献CN103889046B公开了一种水下传感器网络时间同步方法，该方法利用标准时间节点和待同步节点发出的数据包在待同步节点接收端的冲突，确定标准时间节点发送的信息到达待同步节点前，其最后一次与待同步节点发出的数据包相遇的时刻；以此时刻为基准时间点，列写方程式；多次重复上述过程获得二元一次方程组计算得出时间偏移和漂移率，从而消除节点移动的影响，而中国专利文献CN105680975B公开了一种主从结构多节点网络的时间同步方法，其网络的各个节点物理上通过有线进行连接，并设计了两种时钟同步机制：一种是应答式机制，另一种是广播式机制。应答式机制通过FPGA时钟采样得到各个报文发送和接收的准确时刻；通过应答式同步方式计算传输平均时延和主从时钟偏移，从而加以补偿时间精度达到纳秒级的高精度时间同步；广播式机制通过广播式同步方式，在忽略通道传输时延的条件下可以达到较高精度的时间同步。
但上述专利均是采用数据包从一个节点到另一个节点的传输延时，计算出两个节点间的时间偏差，从而进行修正以达到时间同步目的。当多个节点距离较远，或者是通过互联网传输，空间同步性的重要性就凸显出来，若是不能控制命令在实际执行时刻到达作业节点，则整个系统的作业处理都将被打乱。
对于协作模型方面，现有技术采用了集中式或者分布式的模型。集中式是指主控节点掌握所有环境信息和控制信息，负责所有任务的规划和分配以及指令下发，集中式容错性能低，当某一作业节点异常时，通常会导致整个系统崩溃，同时环境适用性差，只能针对于特定的任务，很难对周围环境做出优化调整。分布式则没有主控节点，所有作业节点时平等的，均可自主进行决策，但是会出现每个节点都以自身任务优先，从而导致整体任务效率低下，失去了协同作业的意义。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明公布了一种多节点系统的协同作业同步方法及系统，解决了现有技术中多节点系统同步性和协调性差的问题，提升了多节点系统的时间同步性，增强了多节点同步协作能力，也提高了系统环境适应性。
本发明所公开的具体的技术方案如下：一种多节点系统的协同作业同步方法，包括如下步骤：
S01.主控节点在A1时刻向其中一个作业节点发送同步报文消息；
S02.该作业节点在A2接收到同步报文消息，并在A3时刻向主控节点发送延时测量请求消息；
S03.主控节点在A4时刻接收到延时测量请求消息；
S04.主控节点根据A1、A2、A3、A4四个时刻计算出主控节点与该作业节点之间的平均时间误差和该作业节点时间误差的离散程度；
S05.主控节点对系统中的所有作业节点分别计算平均时间误差以及对应时间误差的离散程度；
S06.根据所有作业节点的平均时间误差以及对应时间误差的离散程度，计算出系统整体的时间误差；
S07.主控节点依据系统整体的时间误差和预期执行时刻，提前下发任务至所有作业节点。
进一步的，主控节点可根据每个作业节点时间误差的离散程度和预设的系统作业精度自动调整计算该作业节点平均时间误差的更新频率：当时间误差的离散程度减小时，减小该作业节点中平均时间误差更新频率，反之时间误差的离散程度增大时，增加该作业节点中平均时间误差更新频率。
时间误差是系统误差的一种，系统误差又叫做规律误差。它是在一定的测量条件下，对同一个被测尺寸进行多次重复测量时，误差值的大小和符号(正值或负值)保持不变；或者在条件变化时，按一定规律变化的误差。本发明中的时间误差是指主控节点与作业节点之间的信息传输时差，在非常短的时间内，该时差的大小可以近似认为不发生变化或变化波动小。
离散程度是指通过随机地观测变量各个取值之间的差异程度，用来衡量风险大小的指标，本发明中离散程度是指作业节点随机选取计算的多个时间误差之间的差异程度，用来判断作业节点中时间误差是否稳定。可用来测度观测时间误差之间差异程度的指标有很多，在统计分析推断中最常用的主要有极差、平均差和标准差等几种。
进一步的，每个作业节点的时间误差的计算方法为：
d＝[(A2-A1)+(A4-A3)]/2，
其中d为单个作业节点的时间误差。
进一步的，每个作业节点时间误差的离散程度的计算方法为：
Figure GDA0002827487920000031
其中，t为单个作业节点时间误差的离散程度，d1、d2、…、dn为该作业节点中最近n次的时间误差；
Figure GDA0002827487920000032
为该作业节点最近n次时间误差的平均时间误差。
进一步的，所述S06步骤中系统整体的时间误差的计算方法为：
da＝[(t1/tmax)+(t2/tmax)+...+(tn/tmax)]×dmax，
其中，
Figure GDA0002827487920000033
分别是系统各作业节点的平均时间误差，对应时间误差的离散程度为t1、t2、...、tn；tmax是dmax对应时间误差的离散程度。
进一步的，所述S07步骤中主控节点下发任务的具体操作方法为：主控节点计算得到系统整体的时间误差da后，在T1时刻下发执行时刻为T时刻的作业任务至各作业节点，其中T1时刻比T时刻提前了da时刻。
本发明同时公开了一种多节点系统的协同作业同步系统，该系统包括：主控节点模块，用于计算各作业节点的时间误差和相应时间误差的离散程度以及系统整体的时间误差，并向各作业节点下发任务指令以及协调各作业节点进行作业；作业节点模块，用于接受主控节点的任务指令，并依据任务指令自动规划的具体的任务操作，完成作业任务；数据链路通信模块，用于作业节点之间以及作业节点与主控节点之间信息传输；多组作业节点分别与所述主控节点通过数据链路通信模块传输链接，同时所有的作业节点之间通过数据链接通信模块信息共享。
其中，所述作业节点模块包括：传感器模块、行为驱动模块、运动协调模块和任务规划模块，所述任务规划模块、运动协调模块和行为驱动模块按照顺序控制方式进行动作，所述行为驱动模块读取所述传感器模块的数据，
任务规划模块，用于分析自身传感感知信息获得传感知识，并依据传感知识并结合主控节点任务指令生成具体任务规划，以及共享其他作业节点的任务规划信息；
运动协调模块，分析自身传感器数据获得传感感知信息，并依据传感感知信息以及任务规划信息进行运动规划，以及共享其他作业节点的运动规划信息；
行为驱动模块，用于读取并存储传感器数据以及共享其他作业节点的传感器数据；
传感器模块，感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，变换成为传感器数据。
集中式系统是指由一台或多台主计算机组成的中心节点，数据集中存储于这个中心节点中，并且整个系统的所有业务单元都集中部署在这个中心节点上，系统的所有功能均由其集中处理，集中式系统最大的特点就是部署结构简单，但是缺点也较为明显：当作业节点很多时，会导致响应速度变慢；针对不同的作业节点，程序和资源需做单独的配置，集中式系统上配置比较困难，而且效率不高。
分布式系统是建立在网络之上的软件系统。正是因为软件的特性，所以分布式系统具有高度的内聚性和透明性，一个分布式系统拥有多种通用的物理和逻辑资源，可以动态的分配任务，分散的物理和逻辑资源通过计算机网络实现信息交换。分布式系统具有资源共享、计算速度快、可靠性高等优点，但一个分布式系统的控制通常是一个典型的分散控制，没有统一的中心控制。因此，分布式系统通常需要相应的同步机制宋协调系统中各个部分的工作，
本发明中的系统将分布式系统和集中式系统相结合，构成了一种混合式系统，保留了负责发布任务命令以及进行协同数据处理的主控节点，简化了作业节点的数据处理量，作业节点专注于具体任务，不用参与复杂的运算，由于作业节点具备一定的自主控制和计算能力，可以自行解析主控节点下发的任务命令，主控节点不需要发送具体的任务操作，这一机制可以使得主控节点与作业节点之间相当于形成一个中间层服务接口，大幅降低了系统的维护难度。
进一步的，所述数据链路通信模块采用以太网络、物理直连，蓝牙、ZigBee、2.4G、27M中一种或多种传输方式。
进一步的，当一个或多个作业节点的传感器数据发生异常时，发生异常的作业节点将进行判断自身调整是否影响其他作业节点中运动协调模块发生变更，若不影响，发生异常的作业节点通过自身优化调整，保持作业节点正常作业；若影响，则发生异常的作业节点向主控节点发送请求，使主控节点重新下发任务命令。
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明中通过计算出多节点系统整体的时间误差，提前下发任务指令，所有作业节点预定时间正常进行作业任务，保障了多节点系统作业的时间和空间同步精度。
2)本发明中的多节点系统中主控节点可实时计算每个作业节点时间误差的离散程度并自动调整时间误差的更新频率，在保证系统精度的前提下，动态调整系统处理负载和链路数据占用，对于时间误差稳定的作业节点仅占用主控节点很低的数据处理能力和数据链路带宽，便可准确获取系统的延迟状态，主控节点中可留出更多的数据处理能力和数据链路带宽用于处理作业任务，有效提升了系统处理效率。
3)本发明中系统采用混合式模型，集中了分布式和集中式模型的优点，多个作业节点之间信息共享，容错率高，即使某一作业节点崩溃，也不会影响整个系统，具有较强的环境适应力，同时混合式模型中同时拥有主控节点以及具备一定自主控制能力的作业节点，作业节点可自行解析主控节点下发的任务命令，使得主控节点与作业节点之间形成中间层服务接口，达到处理上解耦的目的，大幅降低了系统的维护难度。
4)本发明中系统当某一作业节点异常时，可自行判断，并进行自动修复，以确保作业任务正常进行，具有极强的容错性和自我修复能力。
附图说明
图1是本发明实施例中主控节点计算与作业节点间平均时间误差的流程图；
图2是本发明实施例中作业节点内平均时间误差自适应更新频率的流程图；
图3是本发明实施例中一种多节点系统的协同作业同步系统的结构图；
图4是本发明实施例中作业节点中共享信息的结构图；
图5是本发明实施例中作业节点异常时的修复流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
本实施例为5台农药喷洒无人机协同对农田进行农药喷洒作业：
结合图1所示，本实施例中公开的一种多节点系统的协同作业同步方法，包括如下步骤：
S01.主控节点在A1时刻向其中一台无人机作业节点发送同步报文(Sync)消息；
S02.该无人机作业节点在A2接收到同步报文(Sync)消息，并在A3时刻向主控节点发回延时测量请求(Delay_Req)消息，以表明设备在线；
S03.主控节点在A4时刻接收到延时测量请求(Delay_Req)消息；
S04.主控节点根据A1、A2、A3、A4四个时刻计算出主控节点与该无人机作业节点之间的时间误差为：
d＝[(A2-A1)+(A4-A3)]/2，
以及该无人机作业节点时间误差的离散程度：
Figure GDA0002827487920000061
其中，t1为作业节点1时间误差的离散程度，d1、d2、…、dn为该作业节点中最近n次的时间误差；
Figure GDA0002827487920000062
为该作业节点最近n次时间误差的平均时间误差；
S05.主控节点对系统中的所有无人机作业节点分别计算平均时间误差
Figure GDA0002827487920000063
以及对应时间误差的离散程度ti；
S06.根据所有无人机作业节点的平均时间误差
Figure GDA0002827487920000064
以及对应时间误差的离散程度ti，计算出系统整体的时间误差：
da＝[(t1/tmax)+(t2/tmax)+(t3/tmax)+(t4/tmax)+(t5/tmax)]×dmax，
其中，
Figure GDA0002827487920000065
分别是系统各无人机作业节点的平均时间误差，对应时间误差的离散程度为t1、t2、t3、t4、t5；tmax是dmax对应时间误差的离散程度；
S07.主控节点将农田划分为多个区域并协调无人机进行喷洒任务，制定喷洒任务指令，任务指令的预期执行时刻为T，主控系统T1时刻下发任务指令给所有无人机作业节点，其中T1时刻比T时刻提前了da时刻。
结合图2所示，主控节点可根据每个无人机作业节点时间误差的离散程度和预设的系统作业精度自动调整计算该无人机作业节点的平均时间误差的更新频率：当时间误差的离散程度减小时，减小该无人机作业节点中平均时间误差的更新频率，反之时间误差的离散程度增大时，增加该无人机作业节点中平均时间误差的更新频率。
结合图3所示，本实施例中的协同作业同步系统的运作过程为：
主控节点通过计算各无人机作业节点的时间误差和相应时间误差的离散程度来计算出系统整体的时间误差，并制定喷洒农药以及负责区域任务指令，通过数据链路提前向各无人机作业节点下发任务指令。
结合图4所示，各无人机作业节点中的加速度传感器实时监测自身运动，并由行为驱动模块实时存储传感器数据，运动协调模块分析传感器数据得出无人机作业方向及位移距离的数据，任务规划模块依据作业方向及位移距离数据分析得出无人机运动状态。任务规划模块接受到主控节点的任务指令后，结合无人机实时运动状态自动生成具体的喷洒路径及喷洒量信息，并发送至运动协调模块，由运动协调模块生成无人机具体的操控指令，并由行为驱动模块执行，控制无人机按规划路径进行喷洒作业，同时各无人机作业节点之间通过数据链路实时通信，并互相共享数据。
可选择的，所述数据链路通信模块可采用以太网络、物理直连，蓝牙、ZigBee、2.4G、27M中一种或多种传输方式。
结合图5所示，当一个无人机作业节点的加速度传感器数据发生异常时，该无人机作业节点将进行判断自身调整是否影响其他作业节点中运动协调模块发生变更，若不影响，发生异常的作业节点通过自身优化调整，保持作业节点正常作业；若影响，则发生异常的作业节点向主控节点发送请求，使主控节点重新下发任务命令。例如，当一台无人机作业节点中某个加速度传感器探测到的加速度数据明显偏离正常加速度数值的范围，该无人机节点判断该加速度传感器是否测量错误，若是测量错误，通过其他加速度传感器探测的数值，对该传感器进行补偿修正，若不是测量错误，而是该加速度传感器损坏，则该无人机作业节点关停该传感器，并采用其他加速度传感器替代其进行工作。又如果判断不是传感器测量错误，而是无人机驱动组件发生问题，如电力不足或电机损坏，则自动向主控节点发出请求，通知操作人员维修，并由主控节点重新下发任务指令协调其他无人机作业节点替代其进行喷洒作业。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多节点系统的协同作业同步方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01.主控节点在
Figure 79357DEST_PATH_IMAGE001
时刻向其中一个作业节点发送同步报文消息；
S02.该作业节点在
Figure 934181DEST_PATH_IMAGE002
接收到同步报文消息，并在
Figure 120443DEST_PATH_IMAGE003
时刻向主控节点发送延时测量请求消息；
S03.主控节点在
Figure 46810DEST_PATH_IMAGE004
时刻接收到延时测量请求消息；
S04.主控节点根据
Figure 757453DEST_PATH_IMAGE005
四个时刻计算出主控节点与该作业节点之间的平均时间误差和该作业节点时间误差的离散程度；
S05.主控节点对系统中的所有作业节点分别计算平均时间误差以及对应时间误差的离散程度；
S06.根据所有作业节点的平均时间误差以及对应时间误差的离散程度，计算出系统整体的时间误差；
S07.主控节点依据系统整体的时间误差和预期执行时刻,提前下发任务至所有作业节点，
每个作业节点的时间误差的计算方法为：
Figure 517599DEST_PATH_IMAGE006
，
其中为
Figure 50211DEST_PATH_IMAGE007
单个作业节点的时间误差；
每个作业节点时间误差的离散程度的计算方法为：
Figure 780270DEST_PATH_IMAGE008
,
其中，t为单个作业节点时间误差的离散程度，
Figure 121253DEST_PATH_IMAGE009
为该作业节点中最近n次的时间误差，且
Figure 521141DEST_PATH_IMAGE010
，为该作业节点最近n次时间误差的平均时间误差；
所述S06步骤中系统整体的时间误差的计算方法为：
Figure 541050DEST_PATH_IMAGE011
，
其中，
Figure 809220DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 237665DEST_PATH_IMAGE013
分别是系统各作业节点的平均时间误差，对应时间误差的离散程度为
Figure 198668DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure 846818DEST_PATH_IMAGE015
是
Figure 653100DEST_PATH_IMAGE016
对应时间误差的离散程度。
2.根据权利要求1所述的多节点系统的协同作业同步方法，其特征在于，主控节点根据每个作业节点时间误差的离散程度和系统作业精度自动调整计算该作业节点的平均时间误差的频率：当时间误差的离散程度减小时，减小该作业节点中平均时间误差更新频率，反之时间误差的离散程度增大时，增加该作业节点中平均时间误差更新频率。
3.根据权利要求2所述的多节点系统的协同作业同步方法，其特征在于，所述S07步骤中主控节点下发任务的具体操作方法为：主控节点计算得到系统整体的时间误差da后，在T1时刻下发执行时刻为T时刻的作业任务至各作业节点，其中T1时刻比T时刻提前了da时刻。
4.一种多节点系统的协同作业同步系统，用于实现如权利要求1-3任一项所述协同作业同步方法，该系统包括：主控节点模块，用于计算各作业节点的时间误差和相应时间误差的离散程度以及系统整体的时间误差，并向各作业节点下发任务指令以及协调各作业节点进行作业；作业节点模块，用于接受主控节点的任务指令，并依据任务指令自动规划的具体的任务操作，完成作业任务；数据链路通信模块，用于作业节点之间以及作业节点与主控节点之间信息传输；多组作业节点分别与所述主控节点通过数据链路通信模块传输链接，同时所有的作业节点之间通过数据链接通信模块信息共享，其特征在于，所述作业节点模块中包括：
传感器模块，感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，变换成为传感器数据进行输出；
行为驱动模块，用于存储自身传感器模块输出的传感器数据以及共享其他作业节点的传感器数据；
运动协调模块，用于分析自身传感器数据获得传感感知信息，并依据传感感知信息以及任务规划信息进行运动规划，以及共享其他作业节点的运动规划信息；
任务规划模块，用于分析自身传感感知信息获得传感知识，并依据传感知识并结合主控节点任务指令生成具体任务规划，以及共享其他作业节点的任务规划信息。
5.根据权利要求4所述的多节点系统的协同作业同步系统，其特征在于，所述数据链路通信模块采用网络、物理直连，蓝牙、ZigBee、2.4G、27M中一种或多种传输方式。
6.根据权利要求5所述的多节点系统的协同作业同步系统，其特征在于，当一个或多个作业节点的传感器数据发生异常时，发生异常的作业节点将进行判断自身调整是否影响其他作业节点中运动协调模块发生变更，若不影响，发生异常的作业节点通过自身优化调整，保持作业节点正常作业；若影响，则发生异常的作业节点向主控节点发送请求命令，使主控节点进行任务的重新决策。
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