Saft, Kätzchen.

Ich bin gekommen, um Ihnen vom UAVCAN-Projekt zu erzählen - einem neuen Netzwerkstandard für die Organisation der Interaktion von Knoten und Komponenten moderner Fahrzeuge mit einem hohen Maß an Autonomie / Automatisierung. Der Name ist ein Akronym für U ncomplicated A pplication Ebene V ehicular C ommunication A nd N etworking (einfache Bordnetze und auf Anwendungsebene Kommunikation).

Diese Veröffentlichung erklärt den aktuellen Stand und die Trends in komplexen Flugsystemen, bestehende und zukünftige Probleme, wie wir sie lösen und welche Erfolge erzielt wurden. Im zweiten Teil werden unsere Kollegen von der Innopolis University die praktische Seite der UAVCAN-Implementierung am Beispiel spezifischer Projekte detailliert hervorheben.

Konjunktur

Der erste Pfannkuchen des Projekts wurde 2014 gelegt. Von Anfang an ist es ein Experiment im Minimalismus war: ist es möglich , auf mächtige Abstraktionen in der Entwicklung von komplexen verteilten Bordsystemen zu verlassen, während der Erhöhung der Komplexität der Implementierung und die damit verbundenen Schwierigkeiten zu vermeiden , Validierung und Verifikation .

Wir sehen einen raschen Anstieg der Komplexität von Bordsystemen, die mit der Entwicklung der Funktionalität von Fahrzeugen (insbesondere unbemannten Fahrzeugen) im Allgemeinen und automatischen Steuerungssystemen im Besonderen verbunden sind. " ", , ; , / , , , (, ), , , ..

() 20- ; , , 21099:

: — . , ( — ; — ), . , , , -, ?

- , / , (), . NASA, . ( Tesla Model 3, ), ( ).

, . " ". , , , : , , . , , , , . , /. , ( Mars Climate Orbiter, Airbus A400M , Ariane 5, ..).

. , ( , , , , , , , ). Safety Element out of Context (SEooC), ISO 26262. , , — , .

; . , , / .

, . , - ( ) . , , ́ , (schedulability analysis). , ( , 3D ). ; . , ; .

( ). , . . , , , .

, : Casey Handmer, () . .

, , . , ( AFDX) , , , . , . , .

, ( : , , TCP/IP , , , etc.) .

: , , , . , .

. , . , , CiA/SAE/RTCA/EUROCAE/AUTOSAR/OMG/etc. .

. , : . .

1.

. , , , . 21099 .

/ , , , ..

2.

. , /, .

: . : -(), , .

. , ́ () . , / . ARINC 429 — , 18- () . :

"The Evolution of Avionics Networks From ARINC 429 to AFDX", Fuchs, 2012.

ARINC 429 — - ( DShot MAVLink; , ). , ́ . , . , ( , ).

( , ). , CAN ; . FlexRAY, LIN, MIL-STD-1553 Ethernet ( Ethernet ).

CAN . 1986 MTU 8 . 2012 CAN FD MTU 64 . 2018 CAN XL MTU 2 ( ISO 2021 ).

, Wireless Avionics Intra-Communications (WAIC). WAIC , . , , /, ( ). , , - , , :

WAIC.

, , . (, ) , . SpaceWire ( ; , ) , , Ethernet.

Avionics Full-Duplex Switched Ethernet (AFDX) , (. Boeing 787). , ARINC 429, - . , . AFDX , . ( ) . AFDX ; ARINC 429, ( ), :

"Communications for Integrated Modular Avionics", Alena, 2007.

. , , (, , ) - . , , AFDX ( ) UDP/IPv4. "" TCP/IP , — .

, . , 21099. , , . 2020 , .

3.

, . , -, . .

, , . - .

, Robot Operating System (ROS) ( , ROS , ). ROS SDK PR2 Willow Garage, ( ), . ROS , , , , .. , ( ) , .

ROS. - . , -.

ROS Why ROS 2 [Gerkey], , , . , , ( ). ROS, , . , , , - — Data Distribution Services (DDS).

DDS CORBA, - ( - , ). DDS , , (, ROS 2) . Future Airborne Capability Environment (DDS FACE) ; , , DDS , .

, DDS CORBA — . , . "The Design of the TAO Real-Time Object Request Broker" [Schmidt et al, 1999] , — ́ . CORBA ; :

, . "The Design of the TAO Real-Time Object Request Broker", Schmidt et al, 1999.

C++ TAO (The ACE ORB), DDS. TAO DDS, . TAO DDS , , — eProsima Fast-DDS ( , ) — C++ ( ). DDS.

, DDS , . — DDS For Extremely Resource Constrained Environments (DDS-XRCE). , , . , micro-ROS.

SOME/IP — AUTOSAR v4+, IP. DDS, SOME/IP . ( ) SOME/IP DDS.

MQTT , .

, . , ( SOME/IP), . (, , ) .

, , UAVCAN v1. , , :

1. . , . (.., ): ; .
2. . . , .
3. . . , (, ), (, ).
4. . , . . .
5. . , , . , . (CC BY, MIT) .

Raft, , , , . , , , , . Raft, (N.B.: 43- , ). , , UAVCAN " " ( ):

libuavesp. , , — . , "UAV" "UAVCAN" , .

, UAVCAN , ROS, DDS, AFDX, WAIC CAN , . , , , , " ". UAVCAN ( OSI ):

• . : , , , , , .. . : - (.. ).
• - . - , : Data Structure Description Language (DSDL). DSDL- ( ).
• - . , :
  
  
  • UAVCAN/CAN CAN CAN FD. , CAN XL, .
  • UAVCAN/UDP UDP/IP. 2020- , ( ).
  • UAVCAN/serial - (UART, RS-232/422/485, USB CDC ACM) . .
  • , . , , IEEE 802.15.4.

, . , UAVCAN , , , .

: (, CAN Ethernet, ) . , , , , , ; , , , , , . , . ( , ). Idempotent interfaces and deterministic data loss mitigation. , .

. , , . UAVCAN ; , - , (. SOME/IP, DDS, ROS, MQ*, etc.), UAVCAN , .

, . ( AFDX) , , , . , Alternative transport protocols in UAVCAN.

, , , . . -, , ; , , , ( ), , , .

, plug-and-play (, UAVCAN/UDP DHCP). , Raft.

. , DSDL , , , /, , , . DSDL- uavcan.diagnostic.Record, , 112- ( UTF-8):

# Generic human-readable text message for logging and displaying purposes.
# Generally, it should be published at the lowest priority level.

uavcan.time.SynchronizedTimestamp.1.0 timestamp
# Optional timestamp in the network-synchronized time system; zero if undefined.
# The timestamp value conveys the exact moment when the reported event took place.

Severity.1.0 severity

uint8[<=112] text
# Message text.
# Normally, messages should be kept as short as possible, especially those of high severity.

@assert _offset_ % 8 == {0}
@assert _offset_.max <= (124 * 8)     # Two CAN FD frames max

, CAN FD .

, . DSDL, ( , ) . , - ( , , — ), . ( , ) .

( , ). ( ) , , , .. , (, ) .

, , . , , . ( ) ASN.1 UPER ( ), ( , DSDL).

uint16 VALUE_LOW  = 1000
uint16 VALUE_HIGH = 2000
uint16 VALUE_MID = (VALUE_HIGH + VALUE_LOW) / 2
#    !

uint16 value
uint8[<=100] key  #    0  100 .

, , value=1234 key=Hello world!, :

D2 04 0C 48 65 6C 6C 6F 20 77 6F 72 6C 64 21

D2 04 1234, 0C — ( 255 , ), .

CAN — CAN ( , CAN FD ):

$ candump -decaxta any
(7.925)  vcan2  TX - -  1013373B   [8]  D2 04 0C 48 65 6C 6C A0   '...Hell.'
(7.925)  vcan2  TX - -  1013373B   [8]  6F 20 77 6F 72 6C 64 00   'o world.'
(7.925)  vcan2  TX - -  1013373B   [4]  21 F9 02 60               '!..`'

. .

0x1013373B CAN ID, . 0x1337 (4919 ), (subject-identifier) — ( DDS), UAVCAN , ( SOME/IP CAN). , .

UAVCAN/UDP localhost. Wireshark, , UAVCAN, , :

, 21303, , (4919 ) 16384. , UAVCAN . . (D2 04 0C ...) 24 , UAVCAN; , ( ) .

, UAVCAN/UDP IP . IP , TCP/IP, UDP/IP. C , Lifelover 2011- " ".

, . PyUAVCAN, ( ).

, . , — . . PyUAVCAN.

. : DSDL, () . ( , , , , ..) , UAVCAN, .

UAVCAN , USB USB, CANopen Bluetooth, DDS FACE DDS. :

— Drone Standard 15, DS-015, , , Dronecode Foundation. , UAVCAN — .

, . . , , ( , , , ..), . , -, , , . — , , . UAVCAN Interface Design Guidelines.

, , , , . , , , , .. , . , 21- , , . , , . , , , PDF ; , .

UAVCAN , : CC BY 4.0, — MIT. , .

, , . 2020 , .

, GitHub — 90% , . , , .

, Libcanard — UAVCAN/CAN C11, . uavcan.rs — Rust, 2020 .

Yukon — - , UAVCAN , RViz, Wireshark LabView. PyQt , , Yukon. , - . :

API ROS UAVCAN DDS. , ROS UAVCAN, UAVCAN , ROS. "An exploratory study: UAVCAN as a middleware for ROS"; .

, , NXP Semiconductors. "Getting started using UAVCAN v1 with PX4 on the NXP UAVCAN Board", , , - UAVCAN .

Amazon Prime Air . , — .

UAVCAN- , , , , , , .

, 2019 , , UAVCAN (~10% ) (~80% ) , (~5% , 2020 20 , ), ( ) . , , ; . .

-: DDS ; - .

, , : 47% , UAVCAN . , .

uavcan.org