1.1 无人机编队分布式体系结构
1.1.1 单无人机体系结构
单无人机体系结构包含定位感知、控制、规划三个层面。其主要研究如何将各个子模块集成在一体以达到个体的最优。感知层解决“我在哪”的问题，规划层解决“我要去哪”的问题，控制层解决“我要怎么去”的问题。图2.1为单无人机体系的结构图。本文中感知层采用EKF (Extended Kalman Filter)算法进行多传感器数据融合，输入量为IMU(Inertial Measurement Unit)和GPS(Global Position System)，经过融合后可以得到更高频更精确的导航数据，包括姿态、速度和位置。在单机体系结构中，地面站仅负责任务的上传和遥测数据的回传。控制层接收地面站的规划航线并将其作为期望轨迹，结合感知层得到的导航数据，经过控制算法处理可以得到四通道的PWM输出，最后发送给执行机构。
图2.1 单无人机体系结构
1.1.2 多无人机分布式体系结构
在分布式体系结构中，各无人机节点通过拓扑网络进行信息交互，将个体间简单的行为规则合理组合在一起形成智能有序的集体。在编队协同飞行阶段，群体内无中心节点，个体的行动是独立的，仅需要知道邻居信息即可以参与行动[39]。图2.2是本文设计的多无人机分布式体系结构图。图中结构可以分为空中端、通信层、地面站三部分。空中端包含各个无人机节点的导航传感器模块、飞行控制系统模块、接收机模块、机载端数传模块等。通信层为各无人机节点实现信息共享的媒介，信息的共享形式会在后面几节中详细介绍。地面端主要是地面控制系统，功能包括上传群体的整体任务和监视群体以及群体中的每个个体的遥测数据，在遇到意外突发情况时，地面站监测人员可以随时介入获得该无人机的操作权，尽最大可能保证无人机编队飞行的安全性。
分布式控制系统
题，才能使计算机自动化真正起到其应有的作用。
1975-1980年，在这个时期集散控制系统的技术特点表现为：
从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O 单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS系统），作为DCS更高层次的应用，目前国内纸行业应用到这一层的系统较少。 DCS的控制程序：DCS的控制决策是由过程控制站完成的，所以控制程序是由过程控制站执行的。 过程控制站的组成： DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统，主要由电源、CPU（中央处理器）、网络接口和I/O组成 I/O：控制系统需要建立信号的输入和输出通道，这就是I/O。DCS中的I/O一般是模块化的，一个I/O模块上有一个或多个I/O通道，用来连接传感器和执行器（调节阀）。 I/O单元：通常，一个过程控制站是有几个机架组成，每个机架可以摆放一定数量的模块。CPU所在的机架被称为CPU单元，同一个过程站中只能有一个CPU单元，其他只用来摆放I/O模块的机架就是I/O单元。 国内外应用 分散控制系统 1975 年美国最大的仪表控制公司Honeyw ell 首次向世界推出了它的综合分散控制系统TDC—2000 ( Toal Distributed Control-2000),这一系统的发表,立即引起美国工业控制界高度评价，称之为“最鼓舞人心的事件”。世界各国的各大公司也纷纷仿效，推出了一个又一个集散系统，从此过程控制进入了集散系统的新时期。 在此期间有日本横河公司推出的CEN TUM,美国泰勒仪表公司的MO SË,费雪尔公司的DCÉ —400,贝利公司的N —90,福克斯波罗公司的Cpect rum 和德国西门子公司的Telepermm。 随着计算机特别是微型计算机与网络技术的飞速发展，加上各制造商的激烈竞争，使DCS 很快从70 年代的第一代发展到90 年代初的第三代DCS。尽管在这之前的集散系统的技术水平已经很高，但其中存在着一个最主要的弊病是：各大公司推出的几十种型号的系统，几乎都是该公司的专利产品，每个公司为了保护自身的利益，采用的都是专利网络，这就为全厂、全企业的管理带来问题。 随着计算机的发展与网络开发使各控制厂商更多地采用商业计算机的技术，80年代末许多公司推出新一代的集散系统，其主要特征是新系统的局部网络采用MA P 协议；引用智能变送器与现场总线结构；在控制软件上引入PLC 的顺序控制与批量控制，使DCS 也具有PLC 的功能。 至90 年代初各国知名的DCS 有：3000,Bailey 的IN F I—90,Ro semoun t 的RS—3,W est Hoo se 的WDPF,L eeds &Non th rup 的MAX—1000,Foxbo ro 的IöA S,日本横河的CEN TUM。这里所提到的均为大型的DCS,为了适应市场的需要各厂商也开发了不少中小型的DCS 系统如S—9000,MAX—2,LXL,A 2 PACS 等等。
1.1 无人机编队队形变换 1.1.1 队形变换问题描述 图4.1给出了队形变化的示意图，图中红色飞机代表长机，其他飞机代表僚机，无人机编队由原三角形队形16P P 变换到目标矩阵队形''16P P 。队形变换选择的路线和目标队形的位置是影响队形变换效率的两个主要因素。当目标队形确定时，选择不同的对应路线，其效率是不一致的。本章队形变换问题主要研究如何选取最优的对应路线。定义队形变化的最优效率为由原队形变换到期望队形的时间最短。 1P 4P 5P 2 P 3P 6P '1P '2P ' 4P '3P '6P ' 5P 图4.1 队形变换示意图 假设编队中有n 架飞机，各飞机i 变化前的位置为i P ，期望队形的位置为' i P ，飞机i 从i P 到'i P 的变换效率为i ξ，经过的时间为i t ，走过的路程为i s 。则一次变换中的能量效率为： 0n tran i i W ξ==∑ (4.1) 队形变换的时间和总的路程为： 12max(,, ,)tran n T t t t = (4.2) n tran i i S s ==∑ (4.3) 则队形变换的最优解问题转换为求取当tran T 最小时的各飞机间的对应关系。由第三章编队保持阶段可以知道，本文的僚机跟踪过程需要根据纵向x 轴的距离不断调整自己的速度。只要保证距离期望点的位置距离最近，根据僚机纵向编队跟踪的串级PID 控制系统，僚机就能以最快的时间到达。则问题可以进一步转化为求取当tran S 最小时的各飞机间的对应关系。假设队形变换在无障碍物情况下进行变换，则i P 到'i P 时的直线路径最短，最后可以将队形变化最优解问题简化为指派问题。编队中有n 架飞机，则共有n n ?中对应关系。若最优的对应方法为' (,)i i J P P 。则其数学表达式为： '12(,)min(,,,)n n i i tran tran tran J P P S S S ?= (4.4) 1.1.2 匈牙利算法的应用 匈牙利算法又名为Munkres 分配算法，该算法最早由匈牙利数学家Dénes K?nig 和Jen?
1.1 无人机编队分布式体系结构 1.1.1 单无人机体系结构 单无人机体系结构包含定位感知、控制、规划三个层面。其主要研究如何将各个子模块集成在一体以达到个体的最优。感知层解决“我在哪”的问题，规划层解决“我要去哪”的问题，控制层解决“我要怎么去”的问题。图2.1为单无人机体系的结构图。本文中感知层采用EKF (Extended Kalman Filter)算法进行多传感器数据融合，输入量为IMU(Inertial Measurement Unit)和GPS(Global Position System)，经过融合后可以得到更高频更精确的导航数据，包括姿态、速度和位置。在单机体系结构中，地面站仅负责任务的上传和遥测数据的回传。控制层接收地面站的规划航线并将其作为期望轨迹，结合感知层得到的导航数据，经过控制算法处理可以得到四通道的PWM输出，最后发送给执行机构。 图2.1 单无人机体系结构 1.1.2 多无人机分布式体系结构 在分布式体系结构中，各无人机节点通过拓扑网络进行信息交互，将个体间简单的行为规则合理组合在一起形成智能有序的集体。在编队协同飞行阶段，群体内无中心节点，个体的行动是独立的，仅需要知道邻居信息即可以参与行动[39]。图2.2是本文设计的多无人机分布式体系结构图。图中结构可以分为空中端、通信层、地面站三部分。空中端包含各个无人机节点的导航传感器模块、飞行控制系统模块、接收机模块、机载端数传模块等。通信层为各无人机节点实现信息共享的媒介，信息的共享形式会在后面几节中详细介绍。地面端主要是地面控制系统，功能包括上传群体的整体任务和监视群体以及群体中的每个个体的遥测数据，在遇到意外突发情况时，地面站监测人员可以随时介入获得该无人机的操作权，尽最大可能保证无人机编队飞行的安全性。
多旋翼无人机协同编队飞行控制研究方案 摘要：无人机协同编队飞行控制已经成为时代热题。本文主要是对MMR之间、MMR与GCS之间的通信模式进行穷尽，并对CFF组织架构，3架MMR编队的几何结构进行总结概括，重点分析了CFF队形与所执行任务之间的内在关系。在对CFF控制问题上主要总结了主-僚机控制方式及其常规问题和整体式飞行控制方案的研究。并最终对MMR故障、GCS故障、编队阵型故障、其它应急情况下的容错机制、队形重构机制的研究MMR编队内部避障、整体避障问题研究进行了总结概括。 关键字：通信模式多旋翼无人机协同编队控制方式故障诊断与应急措施 一、序言 无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）是现代战争中重要的作战武器，能够代替有人机执行多种复杂危险的任务。尽管如此,单架的UAV 执行任务时仍存在相应的问题,如执行侦察任务时,单架UAV可能会受到传感器的角度限制,不能从多个不同方位对目标区域进行观测,当面临大范围搜索任务时，不能有效地覆盖整个侦察区域;而如果是执行攻击任务,同样,单架UAV在作战范围、杀伤半径、摧毁能力以及攻击精度等方面受到的限制,会影响整个作战任务的成功率。另外,一旦单架UAV中途出现故障，必须立即中断任务返回,在战争中有可能贻误战机而破坏整个战计划。 针对以上现状,多年来人们通过分析生物群体的社会性现象,如模仿群鸟迁徙过程中,其队形保持、节省能量以及协同对抗天敌等能力,来解决目所关注的问题,其目的是为了尽可能地发挥单架UAV的作用,实现多UAV协同编队飞行的控制、决策和管理,从而提高UAV完成任务的效率,拓宽UAV 使用范围,达到安全、高可靠性地执行多种任务的目的。 无人机技术经过几十年的发展已经相对成熟,在军事和民用中发挥了独特的作用。为了适应未来的挑战,除了提高单机的功能和效用外,还需要考虑如何以现在的技术为基础,发展更加有效的无人机管理和组织模式。无人机编队飞行是近年来提出的无人机合作化发展方向中的一个核心概念。 无人机编队飞行,即多架无人机为适应任务要求而进行的某种队形排列和任务分配的组织模式,它既包括编队飞行的队形产生、保持和变化,也包括飞行任务的规划和组织。无人机编队飞行是无人机发展的一个重要趋势,拥有广阔的发展前景。 UAV的编队飞行可以提高UAV完成任务的效率,拓宽UAV使用范围,达到安全、高可靠性地执行中加油、空中监视、侦察和作战等多种任务的目
一、填空题 1．访问透明性是指对不同数据表示形式以及资源访问方式的隐藏。而位置透明是用户无法判别资源在系统中的物理位置。 2. 迁移透明性是指分布式系统中的资源移动不会影响该资源的访问方式。而复制透明是指对同一个资源存在多个副本的隐藏。 3. 一个开放的分布式系统就是根据一系列准则来提供服务，这些准则描述了所提供服务的语法和语义。 4. 集群计算系统一个突出的特征是它的同构性；它提供了最大限度的分布式透明性。可用于单个程序在多台计算机上并行地运行。 5. 网格计算系统具有高度的异构性：其硬件、操作系统、网络、管理域和安全策略等都不尽相同。 6. 网格计算系统一个关键问题是如何把来自不同计算机组织的资源集中起来，使一组人或机构进行协调工作。 7. 分布式事务处理的四个特性是：原子性、一致性、独立性和持久性。 8. 分布式普适系统应用程序的需求归纳为三种，它们是：接受上下文的变化、促使自主合成、认可共享为默认行为。 9. 分布式系统体系结构样式很多，其最重要的有：分层体系结构；基于对象的体系结构、以数据为中心的体系结构以及基于事件的体系结构等四类。10. 客户/服务器结构的应用程序通常划分为三层，它们是：用户接口层、处理层和数据层。 11. 在结构化点对点体系结构中覆盖网络是用一个确定性的过程来构成的，这个使用最多的进程是通过一个分布式哈希表来组织进程的。 12. 超级对等体通常是维护一个索引或充当一个代理程序的结点。 13. 分布式软件体系结构主要分集中式、非集中式和各种混合形式三大类。其非集中式体系结构又分为 结构化的点对点、非结构化的点对点、超级对等体 三种。 14. 实现软件自适应的基本技术分为要点分离、计算 映像和基于组件的设计三种类型。 15. 分布式的自主系统指的是自我管理、自我恢复、 自我配置和自我优化等各种自适应性。 16. 一个线程独立地执行它自己的程序代码。线程系 统一般只维护用来让多个线程共享CPU所必需的最 少量信息。 17. 有两种实现线程线程包的基本方法：一是可以构 造一个完全在用户模式下执行的线程；二是由内核 来掌管线程并进行调度。 18. 分布式系统中的多线程通常有：多线程用户和多 线程服务器两大类型。而以分发器/工作者模型组织 起来的多线程服务器是最为流行的一种。 19. 虚拟化可采用两种方法，一是构建一个运行时系 统，提供一套抽象指令集来执行程序。二是提供虚 拟机监视器。 20. 在服务器的组织结构中，迭代服务器是自己处理 请求，将响应返回给客户；而并发服务器将请求传 递给某个独立线程或其他进程来处理。 21. 服务器集群在逻辑上由三层组成，第一层是逻辑 交换机；第二层是应用/计算服务；第三层是文件/ 数据库系统。 22. 在代码迁移的框架结构中，进程包含三个段，它 们是代码段、资源段和执行段三个段。 23. 进程对资源的绑定有三种类型：一是按标识符绑 定；二是按值绑定；三是按类型绑定。而三种类型 的资源对机器的绑定是未连接资源、附着连接资源 和紧固连接资源。 24. 中间件是一种应用程序，它在逻辑上位于应用层 中，但在其中包含有多种通用协议，这些协议代表 各自所在的层，独立于其他更加特别的应用。 25. 在RPC操作中，客户存根的功能是将得到的参 数打包成消息，然后将消息发送给服务器存根。 26. 所有DCE的底层编程模型都是客户-服务器模 型。而DCE本身的一部分是由分布式文件服务、目 录服务、安全服务以及分布式时间服务等构成的。 27. IDL编译器的输出包括三个文件，它们是头文件、 客户存根和服务器存根。 28. 在面向消息的通信中，通常分为面向消息的瞬时 通信和持久通信两种机制。 29. 在面向消息的瞬时通信中，通常采用套接字接口 和消息传递接口。 30. 在面向持久的通信中，消息队列系统为持久异步 通信提供多种支持。它提供消息的中介存储能力。 31. 在消息队列系统中，队列由队列管理器来管理， 它与发送或接收消息的应用程序直接交互。 32. 在消息队列系统中，转换是由队列网络中特定结 点完成的，这些结点称为消息转换器。 33. 在面向流的通信中，数据流的传输模式有异步传 输模式、同步传输模式和等时传输模式等三种。 34. 在流与服务质量(QOS)描述中，服务质量特性指 的是数据传输所要求的比特率、创建会话的最大延 时、端到端的最大延时、最大延时抖动以及最大往 返延时等。 35. 流同步有两种类型，一种是在离散数据流与连续 数据流之间保持同步；另一种是连续数据流之间的 同步。 36. 在流同步的机制中，需要研究的两个问题是：一 个是两个流同步的基本机制；二是在网络环境下这 些机制的分布式版本。 37. 应用层多播的基本思想是结点组织成一个覆盖 网络，然后用它来传播信息给其成员。一个重要的 因素是网络路由器不在组成员中。
随着单架无人机技术的发展日趋成熟，军事和民事领域对无人机的任务需求变得苛刻，人们开始关注生物界编队鸟群（如大雁、天鹅等）长途迁徙的现象，分析生物系统的进化特征与行为规律，利用多无人机协同编队飞行（Coordinated Formation Flight，简称CFF）与生物系统（个体或群体）的某些原理和行为相似性，将仿生学引入到CFF研究中，以期获得类似鸟群长途迁徙的功效，如降低飞行阻力、节省燃油、延长巡航距离等。由于多无人机CFF控制技术具有广阔的工程应用前景，因此这一项目已在世界范围内激发了科研人员越来越高的研究热情，但又因该项目需要涉及多学科和多技术领域，因此研究难度高。目前国外虽已取得了显著的研究成果，但离工程应用还有很大的差距，而国内研究才刚刚起步，还属于理论跟踪性研究，所以系统深入的研究多无人机CFF控制技术，逐步实现其工程应用已成燃眉之际。本文正是基于多无人机CFF控制技术的国内外发展背景，根据实验室的实际情况，从多无人机编队飞行的基本原理到功能的硬件实现，采取环环相扣的研究方法，完成了多无人机CFF控制技术的前期研究工作。全文研究的多无人机CFF控制关键技术主要包括四个方面：多无人机CFF的气动耦合模型、CFF中单架UAV的运动学和动力学模型、CFF控制器以及硬件在环的CFF测试平台构建技术。论文首先总结了前人在这一领域内已有的研究成果，并在此基础上对紧密编队飞行中非常重要的气动耦合问题进行了系统的研究，然后分析对比了几种常见的涡流模型，利用简化的飞机结构和一种近似平均有效风和风梯度的计算方式，针对“长机-僚机”的V型编队方式和非线性6 DOF的刚性飞机，确立了适合多无人机CFF动态特性研究的气动耦合模型，继而分析这种气动耦合对飞机各种参量所产生的影响作用，并相应完成了对已有的标准飞机气动力和力矩系数方程组的调整工作。其次，利用第一阶段的工作成果，论文给出了“长机-僚机”编队方式下多无人机CFF模型，通过惯性坐标轴系、速度坐标轴系与机体坐标轴系之间的转换关系，深入的分析了受翼尖涡流影响的CFF中单架无人机的运动特性，同时给出了其特有的运动学和动力学模型。论文的核心研究内容之一是如何设计出一种能够确保僚机实时跟随长机飞行航迹的飞行控制器。在本文前期工作的基础上，利用多无人机CFF中的单架无人机的非线性动力学模型，针对飞机特有的运动规律，即飞机的状态变量可按时间尺度的不同分成慢变量( )和快变量( )，对应的给出了双环控制器的设计方法：外环利用带积分消除跟随航迹稳态误差的变结构滑模控制器，内环则采用基于神经网络消除逆误差的动态逆控制器。整个设计过程紧紧围绕多无人机CFF系统建立的要求，由长机航迹信息已知的理想假设，到完全不用知晓情况下实施目标跟随，并保持特定的编队队形，层层深入地系统研究了飞行跟随控制律，最后利用Matlab7.1对其进行仿真验证。仿真结果表明该飞行控制器能够确保僚机在长机产生的涡流场中保持编队飞行的队形结构。本文另一个核心研究内容是硬件在环的多无人机CFF测试平台的研制。文中详细的阐述了多无人机CFF系统的设计要求和软硬件实现过程。整个系统主要由三个子系统组成：无人机飞行控制系统（Flight Control System，简称FCS）、基于Statemate构建的无人机虚拟样机（Virtual Prototype，简称VP）以及地面测试系统。硬件测试平台的设计中加入了FCS-VP思想，主要是基于低成本考虑，而FCS-VP虽然是一种数字化的软件模型，但其设计理念与系统设计自动化（System Design Automation，SDA）完全一致，可以对应的完成物理原型应该具备的所有功能，且具有研究过程用时短，飞行航迹监控实时性强等优势，并能随机的对飞机实施各种干扰，动态的显示编队飞行控制器的性能好坏。经过多次双机编队飞行的检测实验，结果表明基于多无人机CFF测试平台系统的双机编队飞行正常，达到设计要求，同时也进一步证明了本文所研究的编队飞行控制系统相关理论算法是正确和有效的。
1.1 多无人机编队通信方案设计 1.1.1 基于图论的无人机通信问题描述 如果将单个无人机看成节点，那么多无人机的行为可以利用图论进行描述，无人机之间的信息交流可以表示为拓扑图形式[40]。假设编队中共有n 架无人机，则图中的边可以表示为无人机之间的通信联系，定义无人机编队的通信连结图为(),,G V E A ，式中， 12{,,,}n V v v v =代表具有n 架无人机节点的集合，{(,),}i j E v v V V i j =∈?≠代表边的 集合，[]ij n n A a ?=代表邻接矩阵，ij a 代表节点i 到j 的权值系数。容易推出0ii a =，并且 0ij ji a a =≥。定义(,),ij i j e v v V V i j =∈?≠，若存在ij ji e e ?，则该图为无向图。定义某 节点i v 的邻居集{,(,)}i j i j N a V a a E =∈∈。图(),,G V E A 的Laplacian 矩阵为[]ij n n L l ?=。 ij l 的值如式(2.1)。 n ij j ij ij a i j l a i j ?=?=? -≠??∑ (2.1) 对于无向图，显然有T L L =。 1223(,)(,)(,),[1,]i j a a a a a a i j n ∈，，代表图中的路， 路是由边构成的序列。 1.1.2 基于Mesh 网络通信结构的设计 在Mesh 网络拓扑中，无线数传可以无需通过主节点直接互相通信，或者在需要时借由另一Mesh 节点中继进行通信，这不同于传统的点对多点(PMP, Point to Multipoint)和点对点(PTP, Point to Point)通信结构。Mesh 网络具有如下特点：从源节点到目标节点的数据传输具有多条冗余路径；可以自动发现未知路径。如果路径由于某个Mesh 突然下线或者移动(如无人机Mesh 节点)而发生更改，Mesh 网络可以生成新的路径来自我修复，从而大大的消除了单点故障的风险。图2.3为一Mesh 网络的拓扑示意图。如图所示，数据可以通过多条路径到达Mesh 网络中的每个目的地。 图2.3 Mesh 网络拓扑示意图 包括Mesh 网络在内的任何跳频网络都需要至少一个节点承担主协调员(P.C, Primary Coordinator)，以确保网络中的所有节点都在同一频率上同时跳频。这是通过给所有设备发送同步信号方式来实现的。如果网络需要覆盖更大的范围，还可以给其他节点分发同步任务，此时该节点称为辅助协调员(S.C, Secondary Coordinator)。 在Mesh 网络中，有四种可用的节点类型或者节点任务模式：主协调员、辅助协调员、
无人机室内编队飞行计算机视觉定位 方案设计
目录 1：项目需求 (3) 2：系统整体设计 (3) 3：标识设计 (6) 4：目标定位跟踪 (7) 5：研究基础和团队 (7)
1：项目需求 本项目是针对室内多机编队飞行而生。 飞行环境 1、飞行空间：长8米，宽4米，高2.8米 2、飞机尺寸：长10cm，宽10cm； 3、飞机数量：16架； 4、飞行高度1.5米 5、飞行间距40cm 视觉定位要求 1、平面定位精度5cm； 2、飞机头尾方位角1°； 3、输出速率大于30hz； 4、延迟小于100ms； 2：系统整体设计 室内导航与定位是无人机编队飞行的核心技术，一旦无人机像人一样室内活动自如，将开启一个比现有规模还大的室内市场，对于室外环境，全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)诸如美国的全球定位系统(Global Positioning System, GPS)、我国的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,
BDS)能够为用户提供较高精度的定位服务，基本满足了用户在室外场景中对基于位置服务的需求。然而，个人用户、服务机器人、扫地机器人等有大量的定位需求发生在室内场景。而室内场景受到建筑物的遮挡，GNSS信号快速衰减，甚至完全拒止，无法满足室内场景中导航定位的需要。因此，室内定位技术成为工业界与学术界研究的热点。在各行业应用需求的推动下，室内定位技术得到了快速的发展。目前，国内外研究已提出了射频识别技术(Radio Frequency Identification, RFID)、蓝牙、WLAN(Wireless Local Area Networks)、超宽带(Ultra-Wideband, UWB)，光流技术和运动捕捉等室内定位技术及系统，其中部分定位技术已经商用。但是，由于室内场景的复杂性和多样性，不同的室内定位技术也具有不同的缺点和局限性，尚未形成与GPS类似的普适解决方案。 射频，WLAN和UWB技术由于射频的不确定性，适应于范围大，精度要求较低的场合，光流法定位精度高，适合于无人机在室内的空中精确悬浮和定位。运动捕捉技术是目前最成功的无人机室内编队飞行动态定位技术，代表有英国Oxford Metrics Limited公司，英国Oxford Metrics Limited公司是世界上一家非常著名的光学动作捕捉（Motion Capture）系统供应商，它的这项技术在70 年代服务于英国海军，从事遥感、测控技术设备的研究与生产。进入80年代他们将自己在军事领域里的高新技术，逐渐用于民用方面，在医疗、运动、工程、生物等诸多领域生产制造用于动作捕捉的Motion Capture系统。80年代末，OML又将动作捕捉系统技术应用
关于分布式系统复习题与参考答案 一、填空题(每题n分,答错个扣分,全错全扣g，共计m分) 1．访问透明性是指对不同数据表示形式以及资源访问方式的隐藏。而位置透明是用户无法判别资源在系统中的物理位置。 2. 迁移透明性是指分布式系统中的资源移动不会影响该资源的访问方式。而复制透明是指对同一个资源存在多个副本的隐藏。 3. 一个开放的分布式系统就是根据一系列准则来提供服务，这些准则描述了所提供服务的语法和语义。 4. 集群计算系统一个突出的特征是它的同构性；它提供了最大限度的分布式透明性。可用于单个程序在多台计算机上并行地运行。 5. 网格计算系统具有高度的异构性：其硬件、操作系统、网络、管理域和安全策略等都不尽相同。 6. 网格计算系统一个关键问题是如何把来自不同计算机组织的资源集中起来，使一组人或机构进行协调工作。 7. 分布式事务处理的四个特性是：原子性、一致性、独立性和持久性。 8. 分布式普适系统应用程序的需求归纳为三种，它们是：接受上下文的变化、促使自主合成、认可共享为默认行为。 9. 分布式系统体系结构样式很多，其最重要的有：分层体系结构；基于对象的体系结构、以数据为中心的体系结构以及基于事件的体系结构等四类。 10. 客户/服务器结构的应用程序通常划分为三层，它们是：用户接口层、处理层和数据层。 11. 在结构化点对点体系结构中覆盖网络是用一个确定性的过程来构成的，这个使用最多的进程是通过一个分布式哈希表来组织进程的。 12. 超级对等体通常是维护一个索引或充当一个代理程序的结点。 13. 分布式软件体系结构主要分集中式、非集中式和各种混合形式三大类。其非集中式体系结构又分为结构化的点对点、非结构化的点对点、超级对等体三种。 14. 实现软件自适应的基本技术分为要点分离、计算映像和基于组件的设计三种类型。 15. 分布式的自主系统指的是自我管理、自我恢复、自我配置和自我优化等各种自适应性。 16. 一个线程独立地执行它自己的程序代码。线程系统一般只维护用来让多个线程共享CPU 所必需的最少量信息。 17. 有两种实现线程线程包的基本方法：一是可以构造一个完全在用户模式下执行的线程；二是由内核来掌管线程并进行调度。 18. 分布式系统中的多线程通常有：多线程用户和多线程服务器两大类型。而以分发器/工作者模型组织起来的多线程服务器是最为流行的一种。 19. 虚拟化可采用两种方法，一是构建一个运行时系统，提供一套抽象指令集来执行程序。二是提供虚拟机监视器。 20. 在服务器的组织结构中，迭代服务器是自己处理请求，将响应返回给客户；而并发服务器将请求传递给某个独立线程或其他进程来处理。 21. 服务器集群在逻辑上由三层组成，第一层是逻辑交换机；第二层是应用/计算服务；第三层是文件/数据库系统。 22. 在代码迁移的框架结构中，进程包含三个段，它们是代码段、资源段和执行段三个段。 23. 进程对资源的绑定有三种类型：一是按标识符绑定；二是按值绑定；三是按类型绑定。而三种类型的资源对机器的绑定是未连接资源、附着连接资源和紧固连接资源。 24. 中间件是一种应用程序，它在逻辑上
本文作者Kate Matsudaira是一位美丽的女工程副总裁，曾在Sun Microsystems、微软、亚马逊这些一流的IT公司任职。她有着非常丰富的工作经验和团队管理经验，当过程序员、项目经理、产品经理以及人事经理。专注于构建和操作大型Web应用程序/网站，目前她的主要研究方向是SaaS（软件即服务）应用程序和云计算（如大家所说的大数据）。 本文是作者在AOSA一书介绍如何构建可扩展的分布式系统里的内容，在此翻译并分享给大家。 开源软件已经成为许多大型网站的基本组成部分，随着这些网站的逐步壮大，他们的网站架构和一些指导原则也开放在开发者们的面前，给予大家切实有用的指导和帮助。 这篇文章主要侧重于Web系统，并且也适用于其他分布式系统。 Web分布式系统设计的原则 构建并运营一个可伸缩的Web站点或应用程序到底是指什么？在最初，仅是通过互联网连接用户和访问远程资源。 和大多数事情一样，当构建一个Web服务时，需要提前抽出时间进行规划。了解大型网站创建背后的注意事项以及学会权衡，会给你带来更加明智的决策。下面是设计大型Web系统时，需要注意的一些核心原则： ?可用性 ?性能 ?可靠性 ?可扩展 ?易管理 ?成本 上面的这些原则给设计分布式Web架构提供了一定的基础和理论指导。然而，它们也可能彼此相左，例如实现这个目标的代价是牺牲成本。一个简单的例子：选择地址容量，仅通过添加更多的服务器（可伸缩性），这个可能以易管理（你不得不操作额外的服务器）和成本作为代价（服务器价格）。 无论你想设计哪种类型的Web应用程序，这些原则都是非常重要的，甚至这些原则之间也会互相羁绊，做好它们之间的权衡也非常重要。 基础
关于分布式系统复习题 一、填空题(每题n分,答错个扣分,全错全扣g，共计m分) 1．访问透明性是指对不同表示形式以及访问方式的。而位置透明是无法判别在系统中的位置。 2. 迁移透明性是指分布式系统中的不会影响的访问方式。而复制透明是指对资源存在的隐藏。 3. 一个开放的分布式系统就是根据一系列来提供服务，这些描述了所提供服务的和。 4. 集群计算系统一个突出的特征是它的；它提供了最大限度的分布式。可用于单个程序在上并行地运行。 5. 网格计算系统具有高度的：其硬件、、网络、管理域和等都不尽相同。 6. 网格计算系统一个关键问题是如何把来自不同组织的集中起来，使一组人或机构进行工作。 7. 分布式事务处理的四个特性是：、、独立性和。 8. 分布式普适系统应用程序的需求归纳为三种，它们是：、促使自主合成、。 9. 分布式系统体系结构样式很多，其最重要的有：结构；基于的体系结构、以的体系结构以及基于的体系结构等四类。 10. 客户/服务器结构的应用程序通常划分为三层，它们是：、和 11. 在结构化点对点体系结构中覆盖网络是用一个的过程来构成的，这个使用最多的进程是通过一个分布式来组织进程的。 12. 超级对等体通常是维护一个或充当一个程序的结点。 13. 分布式软件体系结构主要分集中式、和各种三大类。其非集中式体系结构又分为、非结构化的点对点、三种。 14. 实现软件自适应的基本技术分为要点分离、和的设计三种类型。 15. 分布式的自主系统指的是自我管理、、自我配置和等各种自适应性。 16. 一个线程地执行它自己的程序代码。线程系统一般只维护用来让多个线程所必需的最少量信息。 17. 有两种实现线程线程包的基本方法：一是可以构造一个完全在执行的线程；二是由线程并进行调度。 18. 分布式系统中的多线程通常有：和两大类型。而以分发器/工作者模型组织起来的是最为流行的一种。 19. 虚拟化可采用两种方法，一是构建一个系统，提供一套抽象来执行程序。二是提供。 20. 在服务器的组织结构中，迭代服务器是请求，将响应返回给；而并发
分布式系统第2章体系结构问题总结与课后习题 第一部分：问题总结 1、DHT的主要思想是什么 答：首先，每条文件索引被表示成一个 (K, V) 对，K 称为关键字，可以是文件名(或文件的其他描述信息)的哈希值，V 是实际存储文件的节点的 IP 地址(或节点的其他描述信息)。所有的文件索引条目(即所有的 (K, V) 对)组成一张大的文件索引哈希表，只要输入目标文件的 K 值，就可以从这张表中查出所有存储该文件的节点地址。 2、Chord系统的核心用法 答：Chord协议的核心用法是从客户端（节点）查询键值k（k的数据项被映射到其后续节点上），即查找successor （k）。（k，id）在实际查找过程中，通过调用任意节点上的LOOKUP（k）函数查找某一键值k的数据项时，可返回该键值的后续节点（即保存了该键值数据项的节点）的网络地址，这样就可以任意节点上的应用程序与键值k的后续节点联系以获得该数据项的副本。 3、Chord系统中的Finger表的作用 答：为了避免LOOKUP（）函数的线性搜索，每个节点维护一个最多包含m（共2^m-1个节点）条信息的路由表，这样查找工作就可以在O（logN）步内实现。（幂次逼近查询法，指数幂） 4、某节点要加入Chord系统的步骤 答：新节点的加入需要一个称为向导的已知节点协助，任何一个运行在 Chord 网络中的节点都可以充当这个角色。加入过程包括新节点本身的 Join 操作和被其他节点发现2个阶段 （1）本身的Join操作：首先生成一个随机表示符id（该id与网络中已存在的节点的id不重复），向向导节点查找后继，并初始化自身的Finger表和后继节点 （2）被其他节点发现阶段：网络中所有节点定期检查自己的后继节点，并向自己的直接后继节点发送确认消息。 5、某节点离开Chord系统的步骤 答：节点的失效是节点没有通知其他节点而突然离开网络，这通常由主机崩溃或 IP 网络断开等意外原因造成，此时失效节点的前继保存的后继信息变得不可用，从而造成 Chord 环的断裂。退出进行如下操作：（类似于链表的节点删除） (1)把节点id 的后继节点的前继改成节点id 的前继； (2)把节点id 前继节点的后继改成节点id 的后继； (3)从节点id 前继的后继表中删除节点id； (4)把数据项转移给后续节点。 6、CAN系统的核心用法 答：通过部署一个d维的笛卡尔坐标空间，并按参与该系统的所有节点进行划分区域划分，每个节点都有一个相关区域，该相关区域内的点就是该节点上负责的数据项。也就是说每个数据项都被赋予了此空间中唯一的一点，该点位于那一块相关区域就由哪一个节点负责。 7、某节点要加入CAN系统的步骤 答：CAN系统处理节点加入大致分为三个步骤 （1）在坐标空间中取任意一点找到覆盖网络中已有的节点 （2）确定可以拆分的区域 （3）更新与新拆分区域相邻的节点的路由表 8、某节点要离开CAN系统的步骤 答：CAN系统中处理节点的离开分为三个步骤 （1）识别即将离开的节点 （2）将离开节点的区域合并或由相邻节点接管
分布式软件体系结构 编写目标： ●面向计算机专业高年级本科生与研究生的教程。 ●可供从事基于Internet/Intranet的分布式软件开发人员参考使用。 要求读者： ●已掌握面向对象程序设计方法与一门面向对象程序设计语言（Java最佳）。 ●具备软件工程的基本知识。 总体构思： ●强调理论与实践相结合：理论上以CORBA 2.4为模型，实践中以VisiBroker for Java 4.0为工具。 ●强调深度与广度相结合：重点介绍CORBA的同时，兼顾DCOM与EJB两种模型， 最后总结对比这三种典型体系结构的特点。 主要内容： ●分布式计算的基本概念：从C/S过渡到分布式体系结构、OMA体系结构、CORBA 基本概念。 ●分布式应用程序的开发：分布式应用程序框架、用IDL编写对象接口、编写服务 程序与客户程序、部署应用程序。 ●分布式计算更深入的课题：探讨分布式应用程序的可靠性、伸缩性、安全性、性能 等课题可能提出的问题以及解决途径。 ●不同体系结构的比较：总结CORBA、DCOM、EJB、XML等特点。 ●配合教学需要的内容：在前言部分提供教学进度供参考，每一章后均配有课后练习 思考题和上机实习题。
引言 分布式计算是当前软件开发技术的一个重要发展方向。C.A.R.Hoare指出：“分布式计算是一个具有重大理论与实践意义的迷人课题，其迷人之处在于理论与实践的同步发展，一方面实践推动了理论，另一方面理论又指导着实践。”本书为读者介绍分布式计算领域的基本概念、开发过程、规范标准等内容。 分布式计算有两种典型的应用途径。第一种应用途径是将分布式软件系统看作直接反映了现实世界中的分布性，例如当今许多业务处理流程通常呈现一种分布式运作方式，负责加工或制造的工厂可能位于珠江三角洲一带，而负责销售与市场营销的部门则可能分别位于北京、上海和广州，这时负责业务流程的软件系统也可作相应的分布式处理。第二种应用途径主要用于改进某些应用程序的运行性能，使它们比单进程的集中式实现更具有效率，此时软件系统的分布性并不是现实世界中分布性的映射，而是为充分利用额外的计算资源而人为引入的。 在计算机硬件技术与网络通信技术的支持下，应用需求驱使计算机软件的规模与复杂度不断增长。面对这种情况，对整个软件系统的体系结构进行分析与设计就远远重要于对算法与数据结构的选择。软件体系结构关心的正是整个软件系统的结构，它决定了一个软件系统由什么样的组件组成，以及这些组件之间的交互关系如何。典型的软件体系结构风格有设计图形用户界面常用的事件驱动风格、操作系统常用的层次化设计、设计编译程序常用的管道与过滤器风格、许多应用程序都会使用的面向对象风格等。 分布式软件系统通常基于客户机／服务器风格，其中客户程序提出信息或服务的请示，而服务程序提供这些信息或服务。客户机／服务器计算模型的发展大约经历了三个里程碑：局域网文件服务器、数据库服务器以及分布式对象。由于当前面向对象技术几乎已渗透到软件开发的每一个角落，先进的分布式软件开发方法当然离不开与面向对象技术的结合，因而分布式软件体系结构通常是客户机／服务器风格与面向对象风格的有效组合，典型的例子有OMG的公共对象请求代理体系结构（CORBA）、Microsoft的分布式组件对象模型（DCOM）、Sun Microsystems的企业JavaBeans（EJB）等。 在这些模型中，CORBA以其规范的严格性、供应商的无关性和其他许多先进的分布式计算特性成为我们教学的首选。在理论教学方面，我们可参考OMG发布的一系列规范和关于CORBA的丰富读物；在课程实验方面，我们既可下载使用IONA Orbix、Inprise VisiBroker 等商品化CORBA产品的30或60天试用版，也可使用OmniORB、TAO等免费CORBA产品。相对于其他分布式计算模型而言，CORBA在理论更为严格与完善，即使读者采用的开发平台未必是CORBA兼容的，CORBA中提出的许多问题也应加以考虑，并可借鉴CORBA 提出的问题解决方案。 本书从软件体系结构的角度介绍分布式软件系统分析与设计的基本概念，描述了分布式软件的开发与布署过程，并探讨分布式软件的可靠性、性能、可伸缩性等高级概念。本书的主要内容分为四个部分。 第一部分“基本概念”介绍分布式计算中的基本概念与基本原理，从客户机／服务器计算模型过渡到真正的分布式计算模型，并掌握OMA与CORBA的基本概念。为避免为传统集中式软件的开发人员一次性引入太多分布式对象计算的新概念，我们需要一个过渡性介绍以实现循序渐进的教学目标，Java RMI以其简单性与实用性自然进入我们的视野。
分布式控制系统 它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统, 综合了计算机, 通信、显示和控制等4C技术, 其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。 在特殊控制领域, 如核电站控制系统, DCS的含义被误叫做数字化控制系统( Digital control system) , 其实质仍为分布式操作系统。 概述 首先, DCS的骨架—系统网络, 它是DCS的基础和核心。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性, 起着决定性的作用, 因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说, 它必须满足实时性的要求, 即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的”确定”的时间限度, 是指在无论何种情况下, 信息传送都能在这个时间限度内完成, 而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此, 衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率 能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常
使用的节点数量大若干倍。这样, 一方面能够随时增加新的节点, 系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中, 各个节点的上网和下网是随时可能发生的, 特别是操作员站, 这样, 网络重构会经常进行, 而这种操作绝对不能影响系统的正常运行, 因此, 系统网
都要求有系统组态功能, 能够说, 没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。 DCS自1975年问世以来, 已经经历了三十多年的发展历程。在这三十多年中, DCS虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变, 可是经过不断的发展和完善, 其功能和性能都得到了巨大的提高。总的来说, DCS正在向着更加开放, 更加标准化, 更加产品化的方向发展。 作为生产过程自动化领域的计算机控制系统, 传统的DCS仅仅是一个狭义的概念。如果以为DCS只是生产过程的自动化系统, 那就会引出错误的结论, 因为现在的计算机控制系统的含义已被大大扩展了, 它不但包括过去DCS中所包含的各种内容, 还向下深入到了现场的每台测量设备、执行机构, 向上发展到了生产管理, 企业经营的方方面面。传统意义上的DCS现在仅仅是指生产过程控制这一部分的自动化, 而工业自动化系统的概念, 则应定位到企业全面解决方案, 即total solution的层次。只有从这个角度上提出问题并解决问题, 才能使计算机自动化真正起到其应有的作用。
主流分布式---系统架构分析
目录 一、前言 (3) 二、SOA架构解析 (3) 三、微服务（Microservices）架构解析 (7) 四、SOA 和微服务架构的差别 (9) 五、服务网格（Service Mesh）架构解析 (9) 六、分布式架构的基本理论 (11) 七、分布式架构下的高可用设计 (15) 八、总结 (19)
一、前言 本文我们来聊一聊目前主流的分布式架构和分布式架构中常见理论以及如何才能设计出高可用的分布式架构好了。分布式架构中，SOA和微服务架构是最常见两种分布式架构，而且目前服务网格的概念也越来越火了。那我们本文就先从这些常见架构开始。 二、SOA架构解析 SOA 全称是: Service Oriented Architecture，中文释义为“面向服务的架构”，它是一种设计理念，其中包含多个服务，服务之间通过相互依赖最终提供一系列完整的功能。各个服务通常以独立的形式部署运行，服务之间通过网络进行调用。架构图如下：
跟SOA 相提并论的还有一个ESB(企业服务总线)，简单来说ESB 就是一根管道，用来连接各个服务节点。ESB的存在是为了集成基于不同协议的不同服务，ESB 做了消息的转化、解释以及路由的工作，以此来让不同的服务互联互通; 随着我们业务的越来越复杂，会发现服务越来越多，SOA架构下，它们的调用关系会变成如下形式：
很显然，这样不是我们所想要的，那这时候如果我们引入ESB的概念，项目调用就又会很清晰，如下：
SOA所要解决的核心问题 ?系统间的集成: 我们站在系统的角度来看，首先要解决各个系统间的通信问题，目的是将原先系统间散乱、无规划的网状结构，梳理成规整、可治理的星形结构，这步的实现往往需要引入一些概念和规范，比如ESB、以及技术规范、服务管理规范; 这一步解决的核心问题是【有序】。 ?系统的服务化: 我们站在功能的角度，需要把业务逻辑抽象成可复用、可组装的服务，从而通过服务的编排实现业务的快速再生，目的是要把原先固有的业务功能抽象设计为通用的业务服务、实现业务逻辑的快速复用;这步要解决的核心问题是【复用】。 ?业务的服务化: 我们站在企业的角度，要把企业职能抽象成可复用、可组装的服务，就要把原先职能化的企业架构转变为服务化的企业架构，以便进一步提升企业的对外服务的能力。“前面两步都是从