《Applied Sciences》：A Scalable Heterogeneous Interoperable Communication Framework for Multi Unmanned Systems
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机器人技术正在制造、物流、国防、监视和灾害响应等各个领域迅速发展。然而，由于通信协议和系统架构存在差异，异构机器人系统的集成运行仍具有挑战性。本研究提出可扩展异构互操作通信框架（Scalable Heterogeneous Interoperable Comm
机器人技术正在制造、物流、国防、监视和灾害响应等各个领域迅速发展。然而，由于通信协议和系统架构存在差异，异构机器人系统的集成运行仍具有挑战性。本研究提出可扩展异构互操作通信框架（Scalable Heterogeneous Interoperable Communication Framework, SHICF），将STANAG 4586的互操作性概念适配于无人地面车辆（Unmanned Ground Vehicle, UGV）系统。所提出的框架采用统一二进制消息结构，包含公共报头、消息标识符和车辆标识符，以实现跨异构系统的数据交换。平台专用接口采集机器人状态信息，包括位置、速度、电池电量和惯性传感器数据，并将其编码为标准二进制消息，通过UDP传输至基于Web的地面控制系统（Ground Control System, GCS）。SHICF在运行ROS Melodic和ROS 2 Humble的异构UGV上实现，并针对基于rosbridge、JSON序列化和WebSocket传输的相应Native通信配置进行评估。实验评估在各ROS环境内独立比较Native与SHICF配置，而非直接比较两个ROS平台。结果表明，单一GCS能够实时识别并监测异构UGV。在ROS Melodic中，测得消息丢失率由Native配置的0.45%降至SHICF的0.20%。类似地，在ROS 2 Humble中，消息丢失率由1.42%降至0.20%。这些发现证明了异构UGV之间集成通信与监测的可行性。
研究背景方面，机器人技术已在制造、物流、国防、监视和灾害响应等领域快速发展，无人地面车辆（Unmanned Ground Vehicle, UGV）因能在对人类困难或危险环境中执行侦察、运输、设施巡检和灾害响应等任务而具有重要价值。随着机器人应用扩展，运行模式正由单机器人运行转向具有不同硬件和软件环境的多异构机器人协同部署，这要求集成通信框架能够实时采集和管理机器人状态与传感器数据。为使多UGV有效运行，地面控制系统（Ground Control System, GCS）需实时采集和管理车辆位置、速度、电池状态和惯性测量单元（Inertial Measurement Unit, IMU）数据。机器人操作系统（Robot Operating System, ROS）采用基于话题的发布—订阅架构，ROS 2采用基于数据分发服务（Data Distribution Service, DDS）的分布式通信架构；二者在节点发现机制、通信中间件和数据传输架构上不同，直接通信通常需要桥接或消息转换层。现有ROS集成方法通常保留各ROS话题结构，位置、速度、电池和IMU数据经独立话题传输时，每个话题均需消息结构及序列化、反序列化过程；与基于Web的GCS直接集成通常还需rosbridge等中间件及JSON序列化等转换。此类方法虽灵活便利，但会增加数据冗余、消息处理开销和通信复杂性，尤其对计算和网络资源有限的UGV更为明显；随着机器人和状态消息数量增加，通信连接和数据转换过程也随之增加，进一步复杂化系统集成。STANAG 4586定义了标准化消息结构和互操作等级，为不依赖特定厂商和平台的无人系统互操作提供基础，但其主要面向无人机运行，原始消息结构和运行概念未直接针对基于ROS的UGV实时状态采集及基于Web的地面控制环境优化。因此，研究人员提出SHICF，将STANAG 4586的消息与互操作概念适配于异构UGV系统，把不同通信协议UGV生成的状态数据转换为统一二进制消息格式并传输至GCS，将位置、速度、电池和IMU数据整合为单一状态报告消息，使GCS可独立于底层通信协议和ROS版本管理多UGV；公共消息结构包含消息标识符、序列号、时间戳和车辆标识符，以区分UGV并管理消息传输。研究结论表明，SHICF在评估条件下实现了较低通信时延和较低数据传输开销，证明了异构UGV集成的可行性；但这些性能差异可能反映序列化格式、传输协议和中间件处理的联合效应，而非仅由所提出的二进制消息结构造成，且实验在不同硬件平台上开展，因此性能比较在各ROS环境内进行而非直接比较两个平台。该框架设计可通过平台专用接口容纳更多机器人平台和通信协议，但当前评估限于两个UGV平台和所测试网络条件。未来工作将把实验环境扩展至约5—10个或更多异构UGV，系统评估连接平台数量增加时的通信性能、网络流量、资源利用和消息投递特性；进一步研究网络拥塞、丢包和通信故障条件下的通信可靠性，以及包括紧急停止和自主导航命令在内的安全关键控制命令可靠性；开展涉及基于MAVLink通信的比较实验，以评估SHICF在包括UGV和无人机在内的异构无人系统中的性能与互操作特性；并评估与消息#4100相关的独立传感器流路径在高带宽相机和LiDAR数据传输中的带宽消耗、丢包特性和拥塞行为。
关键技术方法（不超过250字）：研究人员将STANAG 4586的互操作概念适配于UGV，设计统一二进制消息包（长度、10字节公共报头、可变负载、CRC-16/MODBUS校验），公共报头含序号、消息ID、车辆ID、源ID、目的ID、驾驶模式和互操作等级（Levels of Interoperability, LOI）；平台专用接口采集ROS话题状态并封装为#4000状态报告、#16001子系统状态、#4100传感器流元数据及#13002/#13003控制消息；GCS服务器采用Node.js进行UDP收发、消息解析和WebSocket转发，React前端进行可视化。实验对象为ROS Melodic UGV R1（Jetson Nano）与ROS 2 Humble UGV R2（Jetson Orin Nano Super），无样本队列；二者经IEEE 802.11n 2.4 GHz无线网络，以10 Hz传输、每项实验约20 min（1200 s），对照Native配置（rosbridge、JSON序列化、WebSocket传输）与SHICF配置，并在各ROS环境内独立比较。
研究结果方面，“5.1 Performance Metrics—Latency”中，ROS Melodic的Native配置平均往返时间（Round-Trip Time, RTT）为13.22 ms、抖动为4.88 ms，SHICF为7.95 ms和4.03 ms，分别降低约39.9%和17.5%，表明在评估条件下通信时延更低且时延变化更小；ROS 2 Humble中，采用Best Effort服务质量（Quality of Service, QoS）的Native配置平均RTT为29.98 ms、抖动为19.81 ms，原文以图展示SHICF的对应测量，并强调差异应结合不同通信架构解释，不能仅归因于所提出的消息格式，因Native采用rosbridge、JSON序列化和WebSocket传输，而SHICF采用经UDP发送至GCS后端的自定义二进制消息格式，差异可能反映序列化开销、传输协议、中间件处理和通信路径实现的联合效应，且Wi-Fi信号条件、网络竞争和分组调度也可能影响测量。“5.2 Performance Metrics—System Resource Usage”中，ROS Melodic的Native配置平均CPU和内存利用率分别为20.23%和59.21%，SHICF为20.79%和53.21%；ROS 2 Humble中，平均CPU利用率由Native的9.67%升至SHICF的11.15%，内存利用率由57.34%降至33.91%；SHICF需进行ROS数据采集、二进制序列化、校验和计算和UDP传输处理，但在两个ROS环境中观察到较低内存利用率，差异可能反映序列化格式、传输协议和中间件处理的联合效应。“5.3 Performance Metrics—Total Network Throughout”中，ROS Melodic的Native配置平均网络使用量为309.45 KB/s，SHICF为286.49 KB/s；ROS 2 Humble中，平均网络使用量由采用Best Effort QoS的Native配置62.64 KB/s降至SHICF的41.20 KB/s，表明在评估条件下SHICF网络使用量较低，但差异可能反映二进制序列化、传输协议和中间件处理的联合效应。“5.4 Performance Metrics—Total Application Throughput”中，ROS Melodic的Native配置平均应用层数据率为2.09 KB/s，SHICF为0.75 KB/s；ROS 2 Humble中，平均应用层数据率由采用Best Effort QoS的Native配置2.45 KB/s降至SHICF的0.83 KB/s，表明在评估条件下SHICF应用层数据率较低。“5.5 Performance Metrics—Cumulative Packet Loss Rate”中，ROS Melodic的Native配置平均消息丢失率为0.45%，SHICF为0.29%；ROS 2 Humble中，平均消息丢失率由采用Best Effort QoS的Native配置1.42%降至SHICF的0.20%；该评估基于应用层确认（ACK）超时，主要旨在评估通信行为并证明通过单一GCS实现异构UGV实时监测与集成通信的可行性。摘要另报告ROS Melodic消息丢失率由0.45%降至0.20%，ROS 2 Humble由1.42%降至0.20%。讨论部分指出，上述性能差异可能反映序列化格式、传输协议和中间件处理的联合效应，而非仅由二进制消息结构造成；由于实验在不同硬件平台开展，性能比较在各ROS环境内进行；当前评估限于两个UGV平台和所测试网络条件。研究结论翻译如下：本研究提出可扩展异构互操作通信框架（SHICF），用于通过单一地面控制站（GCS）对异构无人地面车辆（UGV）进行集成监测与控制；SHICF通过引入用于交换车辆状态信息和控制命令的公共二进制消息结构，将STANAG 4586的消息与互操作概念适配于UGV系统；研究在ROS Melodic和ROS 2 Humble中针对相应Native通信配置评估SHICF性能，实验结果表明SHICF在评估条件下实现了较低通信时延和较低数据传输开销，证明了其用于异构UGV集成的可行性；然而这些性能差异可能反映序列化格式、传输协议和中间件处理的联合效应，而非仅由所提出的二进制消息结构造成；此外由于实验在不同硬件平台上开展，性能比较在各ROS环境内进行而非直接比较两个平台；因此，研究结果展示了所评估端到端通信配置的性能特征，同时确认了SHICF对异构机器人系统的适用性；所提出框架设计为通过平台专用接口容纳更多机器人平台和通信协议，同时保持公共消息结构，但当前评估限于两个UGV平台和所测试网络条件；未来工作将扩展至约5—10个或更多异构UGV，系统评估通信性能、网络流量、资源利用和消息投递特性，并研究网络拥塞、丢包和通信故障条件下的通信可靠性及安全关键控制命令可靠性，开展基于MAVLink的比较实验，并评估与消息#4100相关的独立传感器流路径在高带宽相机和LiDAR数据传输中的带宽消耗、丢包特性和拥塞行为。
