—— 研 究 论 坛 ——第1期

2022年3月

总第4期

无人机传感系统场景中机载计算机处理器性能需求仿真汪文元，金 玮，孙 力（北京国鼎源创智能科技有限公司，北京 100085）

摘

要 : 无人机传感系统在多个领域中广泛应用，如何为机载计算机选择合适的处理器是无人机设计时必须回答的问题之一。本文介绍了一种利用电子系统级建模与仿真工具 VisualSim 建立无人机传感系统应用场景模型，仿真分析机载计算机使用不同数量和不同工作频率处
理器时对系统性能的影响，得到处理器量化性能指标，从而支持处理器选型的方法。
关键词：无人机传感系统；机载计算机；处理器；性能仿真；选型
中图分类号：N945.15

文献标识码：A

Simulation of Performance Requirements of On-board Computer Processors in UAV
Sensing System Scenarios
Wang Wenyuan, Jin Wei, Sun Li（Beijing i-Innovating Intelligent Technology Co. Ltd., Beijing, 100085, China）

Abstract: UAV sensing systems are widely used in many fields. How to choose a suitable processor for the on-board computer is one of
the questions that must be answered in the design of UAVs. This paper introduces an electronic system-level modeling and simulation method
based on VisualSim. Using this method, an application scenario model of the UAV sensing system was established, and then we simulate
and analyze the impact on system performance when the on-board computer uses different numbers of processors with different operating
frequencies, obtain the quantized performance parameters of the processor, which results support the processor selection.
Key words: UAV sensing systems; on-board computer; processor; performance simulation; selection

利用无人机传感系统为地面单位提供战场实时信息。

0 引言
安装有传感器的无人机作为一种空中平台，与在在民用领域，也利用无人机传感系统开展电力线巡检

太空、地面、海面等其他位置上运行的单位协作，共[6,7]、安防检测 [8]、环境监测 [9]、农作物管理 [10,11] 等工作。

同组成无人机传感系统，实现对一定范围内空间的探丰富的应用需求催生了大量携带有传感器的无测工作。相比有人机等其他飞行器，无人机具有价格人机设计，然而在无人机机载计算机初始设计阶段，便宜、使用便利、能进入不宜人类生存环境执行任务准确评估处理器等核心元器件性能需求对系统整体的等显著优点，受到国内外多家机构和组织的重视，在影响往往比较困难，导致出现核心元器件选型不当这多种领域中得到广泛应用。例如：美国 DARPA 提出一问题。该问题不但涉及到无人机机载计算机设计本

了“自适应跨域杀伤网”（ACK） 和“马赛克战” ，身，也涉及到地面、太空等其他协作单位，必须从无

利用无人机传感系统实现战场侦查、目标识别、目标人机传感系统整体角度进行充分分析，合理选取核心打击、毁伤评估等功能；美国内华达山脉公司提出了

元器件参数，才能保证机载计算机符合无人机传感系基于着舰虚拟映像（VISUAL）的无人机自动着舰系

统性能要求。

[1]

[4]

[2,3]

[5]

统 ；美国陆军提出了空中通用传感器（ACS） 计划，

本文以机载计算机中处理器选型为例，利用电子

通信作者：金玮；手机：18601107581；E-mail：jinwei@i-innovating.com

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系统级建模与仿真工具 VisualSim，建立了一个无人

粗粒度建模可以是一组复杂公式的运算；在通信行为

机传感系统模型。利用该模型，仿真分析了处理器数

上，细粒度建模可以是一个周期上的行为，而粗粒度

量和工作频率这两个典型参数对无人机传感系统性能建模可以是多个周期内的行为。

的影响，实现基于系统应用场景的量化性能指标 , 支持无人机机载计算机核心元器件选型。

1 建模与仿真方法国 际 系 统 工 程 协 会（INCOSE）、NASA 等 机构对各种工程实践活动进行总结，提出了基于模型的系统工程（Model-based Systems Engineering，MBSE）[12,13]。MBSE 的主要思想之一是利用计算机
可以理解的“语言”对目标工程进行系统性描述、模拟系统运行过程和结果，使得参与工程研制的各方可以对工程目标、进度、变更、参数等内容达成
无歧义的一致理解，以推动工程项目在设计约束下合理开展。
将 MBSE 思 想 应 用 复 杂 电 子 系 统 研 制 中， 产生 了 电 子 系 统 级 设 计（Electronic System Level，ESL）[14] 思 想。ESL 思 想 认 为 使 用 Verilog、VHDL等设计语言描述硬件寄存器和连线在每个时钟周期内行为的设计方法过于细节并占用了大量仿真计算资源，存在仿真速度慢、难以描述系统中软件行为等多种问题，为此必须提高系统设计的描述抽象层次，从行为的角度对系统进行建模和仿真，才能在有限算力的约束条件下仿真复杂系统架构。

本文同时使用面向角色建模和事务级建模两种方法，将无人机传感系统中不同组成部分抽象成不同
的对象，确保各个对象间只存在数据交互，最大化降低各对象之间的耦合度，以便模型维护和行为参数化。
同时，每个角色完成无人机传感系统中各组件的计算行为，角色间的数据交互则依据无人机传感系统中各
组件间的通信时间特征进行设计。

2 无人机传感系统应用场景及机载计算机建模
2.1 应用场景概述无人机传感系统应用场景及机载计算机以前述
美国等无人机传感系统项目特征为主要参考，包括无人机、地面车辆和卫星三类组成。无人机作为多种传感器的载具，负责对环境情况的探测，探测数据直接或者通过卫星中继发放送给地面车辆；地面车辆接收来自无人机或者卫星发来的数据，排除重复数据后进行综合处理；卫星作为无人机和地面车
辆通信的中继单位，始终将从无人机接收到的数据
转发到地面。
2.2 顶层建模
顶层模型是对无人机传感系统的整体建模，包括

面向角色建模 [15] 和事务级建模 [16] 是 ESL 思想

三架无人机、一颗中继卫星和三个地面车辆，如图 1的两种主要实现方式。面向角色建模起源于加州大学所示。系统模型总体采用层次化设计，每个模块内部伯克利分校，其主要思想是将建模对象分成角色和导

都建模了其数据处理过程。为了避免文章过于冗长，演两大类，不同角色模拟系统中不同组件的行为，导

后文会对无人机图像传感器建模进行较详细的介绍，演制定规则并控制各个角色间的互动。面向角色建模

其他模型设计则介绍其中主要特点。

方法主要特点之一是角色间只存在数据交互。当数据

由于本文采用面向角色方法进行建模和仿真，因到达一个角色时，触发这个角色的行为，产生一段新此选用 VisualSim 中的 DigitalSimulator 作为运行本

数据，再交付给其他角色，触发其他角色行为。事务

模型的仿真器，以便模拟各模块中数字电路的行为。

级建模起源于加州大学尔湾分校，其主要思想是从通系统中处理器工作频率等主要参数建模为可以调整的信和计算两个方面对目标系统进行行为分解，再分别变量，调整变量即可实现对不同组态下无人机机载计对计算行为和通信行为进行不同粒度的建模，以便在算机及整体系统性能的分析。无人机传感系统的总体仿真算力需求和仿真精度之间取得平衡。比如，在计性能为无人机传感器发出数据到地面车辆完成数据处

算行为上，细粒度建模可以是一个寄存器的运算，而理后的总体时延。

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—— 研 究 论 坛 ——汪文元 等：无人机传感系统场景中机载计算机处理器性能需求仿真图 1 无人机传感系统顶层模型
Fig.1 Top model of UAV sensing system

人机外部数据并将数据发送至无人机机载计算机的过

2.3 无人机建模每架无人机上搭载实时图像、蒙面目标检测、光线探测 / 测距、测量与特征情报，共四种传感器，各程，主要包括数据产生、链路延迟、重传三部分功能，
如图 3 所示。

个传感器同时工作，向无人机机载计算机发送传感数据。机载计算机完成传感器数据处理后，通过无线数据链路以广播形式发出。
无人机模型描述了四类传感器和机载计算机的行为和性能，各部分采用层次化设计，如图 2 所示。
其中，四类传感器建模方法相似，仅数据不同，下文仅以图像传感器为例说明建模方法。

图 3 图形传感器模型
Fig.3 Graphics sensor model

基 于 面 向 角 色 的 建 模 方 法， 数 据 产 生 部 分 由
Traffic 和 ExperssionList 两 个 角 色 组 成， 其 中，Traffic 按照预设的参数定时产生一个数据，这个数据发送到 ExperssionList 后，触发其根据预设规则
产生随机数据。这个产生的数据用于模拟图像传感图 2 无人机模型
Fig.2 UAV model

器接收到并进行一定处理后的数据。Delay 角色接收 ExperssionList 输出的数据，等待预设的时间后

2.3.1 图像传感器建模
图像传感器模型用于模拟传感器周期性采集无

将数据通过链路（OUT 角色）送入机载计算机，模拟 链 路 延 迟。 同 时，Delay 角 色 也 接 收 通 过 MUX
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角 色 发 送 来 的 重 传 数 据， 这 个 数 据 首 先 需 要 经 由数据从 FIFO 中弹出后，cache 随机延时一段时间。

ExperssionList2 角色判断是否已经发送过。如果没有，这段时间较长，模拟 cache 命中率较低情况，反之，

则 ExperssionList2 角色将其输入 Delay 角色；反之，模拟 cache 命中率较高情况。

则不输出这个数据。

（2）存储系统基于事务级建模方法，Traffic、ExperssionList

存储系统与多处理系统的建模方法类似，也采用

和 ExperssionList2 三个模块对图形传感器中的计算

一个 FIFO 模拟对存储系统操作和时延。两者的主要行为进行了建模；Delay 模块对图形传感器中的通信区别在于由于多处理器系统共享一套存储系统，因此行为进行了建模。

模拟存储系统的 FIFO 只需要一个，而不必像多处理

综合使用面向角色建模和事务级建模两种方法，器系统一样采用多个 FIFO。

实现了对无人机图像传感器的模拟，即：以一定时间

（3）RTOS间隔，捕获外界图形数据，进行处理后发送到机载计

这一部分主要模拟 RTOS 对多处理器系统和存

算机，同时对数据重发进行判断。

储系统的调度。当传感器的数据到达机载计算机后，
触发 RTOS 对多处理器系统和存储系统的控制，确

2.3.2 机载计算机建模

保当前传感器数据被多处理器中某一个处理器所处
机载计算机模型如图 4 所示，主要实现功能如
下：理，同时，这一处理器得到操作存储系统的权限。当多处理器系统中的所有处理器都被占用时，RTOS 则（1）带 cache 的多处理器系统

暂停对接收到的传感器数据调度，等待某个处理器空这一部分主要模拟机载计算机中多个处理器对

闲后再将数据送入多处理器系统和存储系统。

输入数据的处理。对于多处理器系统采用一组 FIFO建模。FIFO 个数模拟处理器数量，数据在 FIFO 中

2.4 地面车辆建模

停留的时间模拟处理器处理数据的时间，FIFO 利用地面车辆接收来自无人机广播发送和 / 或卫星转率模拟处理器利用率。对于 cache 部分性能模拟，当发无人机的数据，排除掉来自不同平台的相同数据和时图 4 机载计算机模型
Fig.4 On-board computer model98

—— 研 究 论 坛 ——汪文元 等：无人机传感系统场景中机载计算机处理器性能需求仿真间上先后顺序错误的数据之后，根据接收到的数据建立无人机发现目标的数据库。地面车辆建模如图 5 所示，地面车辆转发。

3 无人机传感系统性能仿真及分析

主要建模了判断接收到的数据是否存在重复或错误，以及当数据发生错误时，向无人机发出重传数据请求。在3.1 仿真环境
本文所述无人机传感系统模型在 VisualSim 2140

这一模型中，采用延迟模块模拟地面车辆进行数据计算

版本中完成设计和仿真，运行电脑主要配置为：处理时的延迟，用查找表模拟判断是否需要重传数据。

器 AMD Ryzen7 5800U 3.2GHz、内存 16GB、硬盘2.5 卫星建模

512GB。VisualSim 完成一次仿真约需要 2.5s。

卫星接收无人机发送的广播数据，如果是没有转发过的数据，则向地面广播，如果由于多径等原因接

3.2 主要仿真参数收到已经转发的数据，则删除掉该数据。卫星模型如主要仿真参数分为固定和可变两类。其中，固定

图 6 所示，利用查找表模拟判断是否存在重复发送的参数约束了无人机传感系统的基本应用场景，包括仿数据，并利用延迟模块模拟卫星对数据包处理的时延。

真时间（10s）、传感器生成数据量及频率（0.01s-0.02s

当判断接收到数据包并非重复发送时，则将数据包向之 间 以 均 匀 分 布 产 生 40Byte-120Byte 之 间 的 随

图 5 地面车辆模型
Fig.5 Ground vehicle model图 6 卫星模型
Fig.6 Satellite model99

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机 数 据）、 无 人 机 和 卫 星 与 地 面 车 辆 的 通 信 速 率（12000bps）、机载计算机多处理器系统 cache 延迟时间（90μs-1000μs 之间随机）。可变参数包括多处理器系统中处理器的数量和工作频率，通过改变这两个参数观察对无人机传感器系统性能的影响，从而
得到机载计算机处理器选型的量化依据。

3.3 机载计算机多处理器系统仿真结果及分析
针对无人机机载计算机中多处理器系统的分
析， 分 别 将 机 载 多 处 理 器 系 统 的 工 作 频 率 配 置 为
10MHz、50MHz、100MHz 和 500MHz， 处 理 器 数量分别配置 1 个、2 个、4 个、6 个、8 个和 12 个，仿真结果如图 7 至图 10 所示。

图 7 处理器工作在 10MHz 时，不同数量处理器对系统性能的影响及处理器平均利用率
Fig.7 When the processor works at 10MHz, the influence of different numbers of processors on system performance and theaverage utilization of processors

图 8 处理器工作在 50MHz 时，不同数量处理器对系统性能的影响及处理器平均利用率
Fig.8 When the processor works at 50MHz, the influence of different numbers of processors on system performance and theaverage utilization of processors100

—— 研 究 论 坛 ——汪文元 等：无人机传感系统场景中机载计算机处理器性能需求仿真图 9 处理器工作在 100MHz 时，不同数量处理器对系统性能的影响及处理器平均利用率
Fig.9 When the processor works at 100MHz, the influence of different numbers of processors on system performance and theaverage utilization of processors

图 10 处理器工作在 500MHz 时，不同数量处理器对系统性能的影响及处理器平均利用率
Fig.10 When the processor works at 500MHz, the influence of different numbers of processors on system performance and theaverage utilization of processors

对于仿真结果，可从以下三个方面分析处理器数处理器分别工作在上述四个频率时，增加处理器数量量和工作频率两个参数选择对无人机传感系统性能的对提高无人机传感系统性能未见显著贡献。这是由于影响：

使用一个处理器时虽然其利用率接近 100%（10MHz1）无人机传感系统传输延迟。首先，从增加处时只使用 1 个处理器，其利用率为 96.07%），但依

理器数量的角度分析，在本文所设置的仿真场景中，旧能够满足系统需要。此时继续增加处理器数量，计
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算任务会均摊到每个处理器上，降低了每个处理器的更高工作频率、更多处理器数量，应视无人机承担的

平均使用率（10MHz 时使用 12 个处理器并行处理，其他任务而定。

每个处理器的利用率为 7.857%），几乎不会提升
处理性能。其次，从提升处理器工作频率的角度分4 结束语
本文针对无人机传感系统应用场景中，机载计算析，当机载多处理器系统工作在 10MHz 时，无人机传感系统平均延迟在 0.28s 左右。当工作频率提升 到 50MHz、100MHz 和 500MHz 时， 系 统 的 平
均延迟稳定在 0.025 秒左右，性能提升了约 10 倍。
但这种性能提高仅发生在处理器工作频率从 10MHz提 升 到 50MHz 时，50MHz 之 后 继 续 提 升 处 理 器
工作频率则不再提升无人机传感系统性能，说明比
50MHz 更快的处理器对提升系统性能并无显著贡

机系统处理器选型问题，介绍了一种利用电子系统级
建模与仿真工具 VisualSim 建立无人机传感系统应用模型，通过仿真分析了机载计算机中不同数量和不同
工作频率的处理器对无人机传感系统整体性能影响的方法。通过这种方法可以从系统整体应用角度，快速得到基于量化数据的处理器性能参数选型依据，有效支持无人机机载计算机系统设计。

献。
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剩余计算能力。这些剩余计算能力为无人机执行更多[6]其他任务提供可能。
综上所述，在本文所述无人机传感系统应用场坛 ,2020,19(02):44-45.
[7]

[8]

电子 • 激光 ,2019,30(12):1244-1251.

前仿真约束下，能够完成数据处理任务；选择工作频
10MHz 更好的稳定性能，同时大于 50MHz 后，性能没有明显提升，更高的工作频率会带来更大的功耗，对无人机供电、散热等其他系统产生不必要的负担，
所以不选择比 50MHz 更高的工作频率。如需要选择
102刘琨 , 张立旺 , 江俊峰 , 马鹏飞 , 孙振世 , 翁凌锋 , 刘铁根 .
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不低于 50MHz。原因如下：选择一个处理器是在当率不低于 50MHz 是在当前仿真约束下，能够获得比毛鹏飞 . 初探输电线路无人机巡检实时通信技术 [J]. 通讯世
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作者简介：汪文元（1975 年—），男，四川省仁寿县人，博士，高级工程师，长期从事复杂电子系统建模与分析、工业先进控制、系统健康管理等领域的研究及工程工作。

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