Latencia v slučke riadenia: vplyv komunikačného stacku a mitigácie

Control loop latency

Latencia v slučke riadenia (control loop latency) je časový posun medzi vznikom informácie (senzorické meranie alebo príkaz) a jej účinným využitím v regulátore alebo aktuátore. V bezpilotných lietadelných systémoch (UAV) s vysokými požiadavkami na stabilitu a presnosť je latencia kritickým limitujúcim faktorom. Zvyšuje fázovú rezervu spotrebovanú oneskorením, znižuje ziskovú rezervu, zhoršuje potlačenie porúch a môže spôsobiť oscilačné správanie až po stratu stability. Tento článok komplexne rozoberá zdroje latencie v komunikačnom stacku, ich kvantifikáciu a navrhuje metódy mitigácie od úrovne hardvéru cez operačný systém až po návrh regulátorov.

Definície a metriky latencie

• One-way latency: čas od odoslania po doručenie v jednom smere.
• End-to-end (E2E) latency: súčet všetkých parciálnych oneskorení od senzora po aktuátor, vrátane filtrácie, plánovania, prenášania a frontovania.
• Jitter: rozptyl latencie (štandardná odchýlka alebo percentilové štatistiky); dôležitý pre predikovateľnosť.
• Packet loss / drop rate: strata paketov; interaguje s latenciou (fronty sa plnia, až kým nestrácajú).
• Delay budget: pridelený rozpočet oneskorenia jednotlivým segmentom reťazca.

Zdrojové zložky latencie v komunikačnom stacku UAV

1. Fyzická vrstva a linka: prenosové rýchlosti a rámcovanie (UART, CAN/CAN-FD, SPI, I₂C, Ethernet, Wi-Fi, LTE/5G); kódovanie a retransmisie.
2. MAC/Linkové fronty: kolízie, CSMA/CA (Wi-Fi), plánovanie prístupu, priorita rámcov, veľkosť MTU.
3. Sieťová/transportná vrstva: IP smerovanie, UDP/TCP správanie, Nagleho algoritmus, congestion control (pri TCP), checksum offload.
4. Middleware: MAVLink, RTPS/DDS (ROS 2), uORB; serializácia, (de)marshalling, kópia dát, QoS profily a discovery.
5. OS a driver: preplnené RX/TX buffery, ISR/softirq, NAPI, interrupt coalescing, schedulovanie vláken.
6. Aplikačná vrstva: filtry (EKF/VIO), downsamplovanie, batching meraní, pipeline spracovania.

Typické hodnoty latencií podľa technológie

Nasledujúce orientačné rozsahy (pre krátke vzdialenosti a správne nastavenia) slúžia na návrh rozpočtu latencie:

• SPI: ~5–50 µs na rámec (závisí od frekvencie a dĺžky); veľmi nízky jitter.
• I₂C: ~50–500 µs; závislé od rýchlostného módu a kolízií na zbernici.
• UART (MAVLink): ~0.5–5 ms pri 921 kbps; výrazne rastie s nízkym baudrate.
• CAN: ~0.5–2 ms; CAN-FD skracuje latenciu a zvyšuje priepustnosť.
• Ethernet (100/1000BASE-T): ~50–500 µs one-way v lokálnej sieti; deterministickosť závisí od switchov a QoS.
• Wi-Fi: ~2–20 ms s vysokým jitterom (závislé od rušenia a power-save mechanizmov).
• LTE/5G: ~10–50 ms (LTE), ~5–20 ms (5G NSA); variabilita podľa bunkovej záťaže a rádiových podmienok.

Modelovanie oneskorenia a jeho vplyv na stabilitu

Časové oneskorenie v slučke je možné aproximovať ako pure time-delay e^−sT alebo pomocou Padého aproximácie. Oneskorenie spotrebúva fázovú rezervu proporčne frekvencii: pri frekvencii ω spôsobí fázový posun −ωT (v radiánoch). Pre vnútorné rýchle slučky (rate/attitude) je tolerancia oneskorenia najnižšia; pozičné slučky znesú viac.

• Delay margin: maximálny tolerovateľný T pred stratou stability; súvisí so ziskovou a fázovou rezervou.
• Small-gain a μ-analýza: hodnotenie robustnosti na časovo-variantné oneskorenie a jitter.
• Diskrétny čas: vo výpočte so vzorkovaním treba zahrnúť “computational delay” (spravidla 0–1 vzorka) a “sensor-to-actuator” pipeline.

Rozklad E2E latencie: príklad rozpočtu

Meranie latencie a jitteru

• Hardvérové timestampy: využitie TSC/HPET alebo MCU časovačov s nanosekundovým/µs rozlíšením.
• PTP/1588 alebo časová synchronizácia MAVLink TIMESYNC: pre korekciu hodinových posunov medzi modulmi.
• Tracing: ftrace/perf/ETW-analógy, LTTng, eBPF; časovanie ISR, softirq, vláken.
• Sieťová analýza: tshark/pcap, RTPS a MAVLink dissektory; meranie jednosmerného oneskorenia s pevným časom.
• Loopback testy: generovanie impulzov a osciloskopické meranie odozvy na PWM/DShot.

Vplyv architektúry riadenia (vnútorné vs. vonkajšie slučky)

UAV riadenie je hierarchické: rate → attitude → velocity → position → mission. Čím vnútornšia slučka, tým prísnejší limit latencie. Vnútorné slučky by mali bežať na tom istom procesore/bloku čo senzory a aktuátory, s minimálnym OS overheadom. Vonkajšie slučky môžu komunikovať cez menej deterministické médiá (Ethernet, Wi-Fi) pri dodržaní QoS a filtrov.

OS, plánovanie a ovládače: vplyv na latenciu

• Realtime kernel: PREEMPT_RT (Linux) alebo RTOS (NuttX, FreeRTOS); viazanie vláken na CPU, izolácia jadier (CPU isolation).
• Prioritizácia vláken: rate monotonic alebo deadline-oriented; zamedzenie priority inversion (mutexy s priority inheritance).
• IRQ/TX-RX tunning: NAPI polling, limitovanie ring bufferov, vypnutie nadmerného interrupt coalescing pre nízky jitter.
• Zero-copy a pinning: vyhýbanie sa zbytočným kópiám, pinned memory, NUMA affinity.

Middleware a protokoly: MAVLink, RTPS/DDS, ROS 2 QoS

• MAVLink: ľahký UDP/serial protokol; minimalizujte veľkosť správ, uprednostnite one-way telemetriu pred request/response v kritických cestách, nastavte rate limits a filtračné pravidlá.
• RTPS/DDS: nastavte QoS profily (reliability = best effort pre nízku latenciu, history = keep last, depth = 1–2, deadline a latency budget), zredukujte discovery chatter (statické endpointy).
• uORB/ROS 2: preferujte intra-process publikovanie/odber, loaned messages a zero-copy transporty.

Vplyv senzorov a filtrácie

• IMU: vyváženie medzi DLPF (oneskorenie) a šumom; vysoké ODR s minimálnym filtrom a následná softvérová filtrácia s malým fázovým sklzom (napr. filtry s nulovou fázou pre ne-online cesty, alebo komplementárne/causal filtry pre online).
• VIO/kamera: režijné spracovanie (10–40 ms) kompenzujte predikciou stavového odhadu a časovo alineovanými meraniami (time offset, measurement augmentation).
• GNSS: nižšia frekvencia a vysoké oneskorenie; fúzia v EKF s explicitným modelom oneskorenia a odhadu časového offsetu.

Mitigácie na úrovni siete a linky

• QoS/DSCP na Ethernet/Wi-Fi switchoch; mapovanie na vysokoprioritné fronty.
• MTU a fragmentácia: preferujte väčšiu MTU na káblových linkách (jumbo frames) a minimalizujte fragmentáciu na bezdrôtových.
• Škáľovanie front: obmedzte veľkosť TX/RX ringov, aby sa minimalizoval bufferbloat.
• Kanál a pásmo: na Wi-Fi pevný kanál, vypnutie power-save, 5 GHz pásmo; na LTE/5G vyhnúť sa preťaženým bunkám (ak je to možné).
• Prechod na deterministické linky: pre vnútorné slučky – SPI/CAN-FD/Ethernet (TSN) namiesto Wi-Fi.

Mitigácie v návrhu softvéru

• Pipeline s pevnou hĺbkou: jednotná dĺžka front, drop oldest pri preťažení.
• Back-pressure: zdroje spomaľujú pri plných cieľových frontách, aby sa predišlo kaskádovému nárastu latencie.
• Deterministické alokácie: static memory, predalokované pooly, žiadne GC v kritických vláknach.
• Batching rozumne: malý batch pre zvýšenie priepustnosti, ale limitovaný, aby nerástla latencia.

Mitigácie v návrhu regulátorov a odhadovačov

• Prediktívne kompenzácie oneskorenia: Smithov prediktor, predikcia stavu dopredu o T, Padé-kompenzácia vo frekvenčnej doméne.
• IMC/H∞ loop-shaping: návrh s robustnosťou na oneskorenie a variabilitu parametrov.
• Sample-and-hold modely: zahrnúť “computation + transport delay” ako ekvivalentný z-posun v diskrétnom modeli.
• Delay-aware EKF/UKF: spätné vsadenie (out-of-sequence measurements), augmentácia stavu o časový offset, časovo zarovnané merania.
• Feedforward: pre známe perturbácie (napr. ťah vrtúľ pri zmenách škrtiacej klapky) zníži závislosť od spätnej väzby.

Event-triggered a time-triggered riadenie

Time-triggered prístup s pevným periodickým plánom minimalizuje jitter a uľahčuje dôkazy o časovaní. Event-triggered znižuje priemernú priepustnosť, no vyžaduje opatrné prahy, aby nevyvolal bursty a variabilnú latenciu. Hybridné schémy používajú pevné periody pre vnútorné slučky a event-trigger pre menej kritické úlohy.

Time synchronization a časová kalibrácia

• PTP/1588 alebo udržiavané offsety medzi modulmi (IMU, počítač v palube, companion computer).
• MAVLink TIMESYNC: pravidelné meranie a kompenzácia clock skew a offset.
• Kalibrácia pipeline: meranie konštantných posunov (napr. kamera → VIO → EKF) a explicitná kompenzácia v softvéri.

Bezpečnostné a fail-safe hľadiská pri skokoch latencie

• Detekcia anomálií: monotónne rastúce E2E latencie alebo špičky jitteru spúšťajú de-rate (zníženie agresivity regulácie) alebo prechod do hover/loiter.
• Degradované módy: prechod z VIO → iba IMU+baro; z Wi-Fi riadenia → autonómny režim.
• Watchdogy: time-based (deadline miss) a sequence-based (vynechané vzorky) s bezpečným výstupom.

Postup návrhu: od rozpočtu po validáciu

1. Stanovte požiadavky: maximálny E2E pre vnútorné slučky < 1 ms, jitter < 0.1 ms (príklad).
2. Návrh architektúry: senzory + vnútorný regulátor na MCU/RTOS; externé výpočty (VIO/ML) na companion počítači s Ethernetom.
3. Rozpočet latencie: priraďte limity segmentom (senzor, OS, sieť, regulátor, aktuátor).
4. Implementačné zásady: zero-copy, pinning, QoS, fronty s hĺbkou 1–2, deterministické plánovanie.
5. Meranie: zaviesť tracing a hardvérové timestampy pred ladením regulátora.
6. Regulátor: zahrnúť oneskorenie do modelu, nastaviť robustnosť, pridať prediktory.
7. HIL/SIL testy: emulujte premenné oneskorenie a straty paketov; overte stabilitu a výkonnosť.
8. Letové testy: postupná eskalácia (tethered → indoor → outdoor) s online telemetriou latencie.

Praktické ladenie: tipy a anti-vzory

• Anti-vzory: veľké fronty „aby sa nič nestratilo“ (vzniká bufferbloat), defaultné TCP s Nagle pre realtime prúd, blokujúce logovanie v ISR, dynamická alokácia v slučke.
• Tipy: pevné periodické tasky pre rate/attitude, UDP pre realtime prúd, best-effort QoS pre senzory, reliable len pre kritické konfiguračné správy, profilácia s percentilmi P50/P90/P99 latencie.

Mini-checklist pred letom

• Synchronizované hodiny medzi modulmi (PTP/TIMESYNC) a overený maximálny offset.
• Percentil P99 E2E latencie vnútorných slučiek v limite rozpočtu.
• Vypnuté power-save režimy bezdrôtových rozhraní počas letu.
• QoS mapovanie a prázdne fronty pri >90% nominálneho zaťaženia.
• Aktívne watchdogy a definované degradované módy.

Latencia nie je iba sieťová veličina, ale systémová vlastnosť vznikajúca interakciou hardvéru, OS, middleware, algoritmov a architektúry regulácie. Úspešná mitigácia kombinuje deterministický návrh dátových ciest, presnú synchronizáciu času, tuning plánovača a driverov, vhodný výber protokolov/QoS a delay-aware návrh odhadovačov a regulátorov. Disciplinovaný rozpočet latencie, dôsledné meranie jitteru a robustné riadenie umožnia udržať stabilitu a výkon UAV aj v meniacich sa komunikačných podmienkach.