CN109104235A - 一种基于自适应的无人机群长距离通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应的无人机群长距离通信方法，包括：地面控制站确定无人机群的目标区域位置和任务飞行方向，及控制无人机向目标区域位置飞行，直至无人机群延伸到目标区域位置；选择无人机群队列中一个无人机作为中继节点，并向中继节点发送移动的指令；中继节点接收并执行命令，且监测与前置无人机的RSSI强度，当低于临界值下界时，中继节点向前置无人机方向移动；中继节点从其前置无人机获得待传输指令，并判断目标无人机是否为自身，若是则执行并反馈信息；否则向其后置无人机转发指令；当从其后置无人机获得待传输指令，直接转发指令。本发明利用中继无人机群间的多跳转发，延长对无人机群的控制距离，保证通信的稳定。

Description

一种基于自适应的无人机群长距离通信方法

技术领域

本发明涉及一种基于自适应的无人机群长距离通信方法，属于无人机通信的技术领域。

背景技术

当前，无人机以其三维空间的探索拓展能力，被广泛地应用于野外考察、目标监控、战场作战等诸多场景中，被应用于不同领域的无人机技术和应用已吸引了众多学术界和工业界的注意，投入了大量的人力和物力。经过二十多年的发展，无人机技术已经相对成熟。目前典型的无人机应用方案，多数是通过单架飞机来完成，然而受限于单架无人机服务能力范围的局限性，很难同时服务于大规模的目标区域。例如，目标区域大面积搜索任务时，单架无人机不能有效的覆盖整个搜索区域。

近年来由于环境的复杂性和任务的多重性，近些年国外提出了多无人机共同执行任务的概念并取得了一定的研究成果，多无人机共同遂行任务的方式可以显著提高无人机效能，可以增加执行任务的成功率和抗突发事件的能力。基于上述优势，多无人机共同执行飞行任务将成为今后无人机发展的一个重要方向。当在对远距离目标执行任务时，则会受限于控制器与无人机间的信号控制范围，无法对无人机进行操作，则无人机群的控制范围则会大幅度缩小。如果使用满足远距离控制的卫星通信的方式，则要对无人机群加装卫星信号收发器，则会大大提升执行任务的成本。因此需要一种对无人机编队进行远距离通讯的方法，实现对无人机群进行长距离的飞行控制。同时，多台无人机飞行中，如何减少地面控制站的控制终端的数量也尤为必要，所以迫切需要一种不借助卫星通信方式，单控制终端通过无人机间信号传递，延伸对无人机群飞行控制的范围，实现大规模无人机群覆盖。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于自适应的无人机群长距离通信方法，解决地面控制站与无人机间的通信距离有限，在任务目标区域较大，且距离遥远的情况下，单跳控制的无人机很难实施相关任务的问题。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于自适应的无人机群长距离通信方法，包括以下步骤：

步骤1、地面控制站确定无人机群的目标区域位置和任务飞行方向，及控制一个无人机向目标区域位置飞行，且实时监测地面控制站与该无人机的RSSI强度，当其低于预定值时则控制该无人机悬停在当前位置并汇报至地面控制站；地面控制站将上一个已升空无人机和下一个待升空无人机确定互为前置无人机和后置无人机，并根据前置无人机的当前位置与任务飞行方向，控制将待升空无人机飞行至其前置无人机的若干距离处，同时实时监测其与前置无人机的RSSI的强度，当其值低于预定值时则控制该无人机其悬停在当前位置并汇报至地面控制站；对无人机群中剩余无人机重复上述过程，直至无人机群延伸到目标区域位置，则无人机群队列形成；

步骤2、地面控制站选择无人机群队列中一个无人机作为中继节点，并向中继节点发送移动的指令；所述中继节点接收并执行命令，且监测与前置无人机的RSSI强度，当RSSI强度低于临界值下界时，作为中继节点的无人机向前置无人机方向移动，直至监测的RSSI值不高于一个临界值上界；

步骤3、作为中继节点的无人机从其前置无人机获得待传输指令，并判断该指令的目标无人机是否为自身，若是则执行该条指令并向地面控制站发送指令成功执行的反馈信息；否则向其后置无人机转发该条指令；当中继节点从其后置无人机获得待传输指令，直接向中继节点的前置无人机转发该条指令，直至最后一个无人机将指令反馈至地面控制站。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤2还包括当无人机群队列中无人机存在失联时，失联无人机的后置无人机与前置无人机分别向外广播请求连接的信号，且后置无人机控制向失联无人机方向移动；当失联无人机的前置无人机与后置无人机之间接收到请求连接的信号时，建立连接并确定互为相邻无人机。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤2中当后置无人机向失联无人机方向移动时，无人机群中其后的无人机依次向各自前置无人机方向移动。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤2中临界值下界为-60。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤2中临界值上界为-50。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明方法，使多架无人机形成链式队列，每架无人机拥有前后两架无人机作为相邻无人机，根据环境、信号强度的不同，相邻的无人机之间自动调整通信距离；地面控制站生成某无人机的飞行控制指令信号，将指令发送给无人机群中最近的无人机为中继节点，该无人机再将命令转发给自己的相邻无人机，通过无人机的层层转发，实现地面控制站和无人机群的通信。通过这种中继无人机转发指令的方式，可以有效的加大无人机集群的工作飞行半径，扩大覆盖面。与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明可以通过根据实际情况，通过调整中继无人机的数量，延长对无人机群的控制距离。

2)本发明提出了一种中继无人机之间的自适应方式，根据实际情况，动态调整中继无人机之间的距离，以适应各种复杂情况。

3)本发明提出的无人机间的自适应方式，可以处理某一节点无人机失联的突发情况，实时调整中继无人机的结构，保证通信的稳定。

附图说明

图1为本发明中无人机群链式队列形成的流程图。

图2为本发明中无人机的自适应控制流程图。

图3为本发明中的中继节点传输指令流程图。

图4为本发明无人机群的形成例图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

本发明提出一种基于自适应的无人机群长距离通信方法，该方法基于地面控制站和多台无人机，利用多台无人机形成链式队列，相邻两个无人机之间自适应调整距离；当需要发送指令时，则地面控制站发送给中继节点，并由开始中继转发该条命令给相邻无人机，不断重复转发给无人机群中前后的无人机，利用这种多跳节点的转发，从而实现对无人机群的长距离飞行时的信号控制方法。具体地，本方法包括以下步骤：

步骤1、地面控制站确定无人机群的目标区域位置和任务飞行方向，并控制无人机群中的无人机沿任务飞行方向依次向目标区域位置飞行，其中相邻无人机之间飞行至沿任务飞行方向的若干距离处，直至无人机群延伸到目标区域位置。如图1所示，本步骤具体过程如下：

步骤1-1、首先，地面控制站确定无人机群的目标区域位置和任务飞行方向。然后，地面控制站将一架无人机升空，并编号为1号无人机；设置1号无人机的前置无人机为地面控制站；地面控制站控制1号无人机向目标区域位置飞行，并实时监测地面控制站与1号无人机的RSSI强度，当1号无人机与地面控制站的RSSI强度低于预定值如-60时，则停止1号无人机的飞行动作，让其悬停在当前位置，并汇报当前位置至地面控制站。

步骤1-2、当地面控制站对1号无人机的操作结束后，升空第2架无人机并编号为2号无人机，地面控制站将上一个已升空无人机和下一个待升空无人机确定互为前置无人机和后置无人机，即将1号无人机作为2号无人机的前置无人机，并将2号无人机作为1号无人机的后置无人机；地面控制站根据前置无人机的当前位置操作2号无人机向任务飞行方向飞行，飞至其前置1号无人机的若干距离处，2号无人机在飞行过程中实时监测与1号无人机的RSSI强度，当其值由弱转强再转弱后，飞行至RSSI强度低于预定值之后，则停止2号无人机的飞行动作，使其悬停在当前位置，并汇报当前位置至地面控制站，否则继续飞行。

步骤1-3、当地面控制站再升空无人机时，编号依次递增3、4、5至N，N为无人机群中无人机的数量，重复执行步骤1-2，首先地面控制站告知前一架无人机与待升空无人机互为前置和后置无人机，并根据已经升空前置无人机的当前位置与任务目标方向，将待升空无人机飞至其前置无人机沿任务方向的若干距离处；待升空无人机在飞行过程中，实时监测与前置无人机的RSSI的强度，当其值由弱转强再转弱后，飞行至RSSI强度低于预定值如-60之后，则停止当前无人机的飞行动作，使其悬停在当前位置，并汇报至地面控制站，否则继续飞行。当地面控制站接受到该条消息后，升空下一架无人机，重复之前的操作，直至无人机群延伸到目标区域位置，则无人机群链式队列形成成功，该链式队列可为一条线性队列，可以为直线或折线，本发明不对其限定。

步骤2、当无人机群升空后，为保证无人机群信息传播的完整性，无人机群各无人机需要执行一种自适应控制方法，保证自身与地面控制站通信的畅通，如图2所示，该步骤具体如下：

在无人机升空之后，地面控制站选择无人机群队列其中一个无人机作为中继节点，每个中继机节点都会实时的监测自己与其前置无人机的RSSI强度；RSSI强度低于一个临界值下界后如-60，则会自动向增强RSSI强度的方向移动，即前置无人机方向，直至RSSI强度不高于一个临界值上界如-50。

当地面控制站向一个中继无人机节点发送移动指令时，该无人机一边接收和执行地面控制站的命令，一边监控自己与前置无人机的RSSI强度，当RSSI的强度高于一个临界值上界如-50时，会按照接收的飞行指令，向远离前置无人机的方向飞行；若RSSI的强度低于一个临界值下界如-60时，则会中断当前飞行动作，放弃执行该次飞行指令，并向地面控制站报告；同时，该无人机也向增强RSSI强度值的方向即前置无人机方向移动，直至RSSI强度不高于一个临界值上界如-50。其中，RSSI临界值下界和上界是一个随具体环境条件而变化的数值，本发明不限于实施例中的数值。

根据上述过程，每个中继节点会自适应自身与前置无人机的距离，保证自身与前置无人机的通信有一定的保障，某一中继节点的移动也会影响后置所有中继节点的移动，从而保障了中继无人机群通信的畅通。

当无人机群链式队列中某一无人机发生故障，存在失联时，该无人机的后置无人机无法检测到前置无人机的信号，该无人机的前置无人机无法接受其后置无人机的信号，则该失联无人机的后置无人机与前置无人机分别向外广播请求连接的信号，且后置无人机会向该失联无人机的方向移动，还可以带动无人机群队列中其后无人机群一起移动，使得无人机群中其后的无人机依次向各自前置无人机方向移动；当失联无人机的前置无人机与后置无人机之间接收到请求连接的信号时，则这两个无人机建立连接且互为相邻无人机，通信链路重新接通。

步骤3、如图3所示，在无人机群中，每个中继节点会与其前置无人机和其后置无人机保持通信，即记录自己前置与后置无人机的编号；当一个中继节点从自身的前置无人机获得待传输指令后，则会首先判断该指令的目标无人机是否为自身：

若自身为目标无人机，则执行该条指令的内容，执行完成向地面控制站方向发送指令成功执行的反馈信息；若指令的目标无人机不是自己，则向自己的后置无人机节点转发该条指令。

当一个中继节点从其后置无人机节点获得需要传输的指令时，则该条指令为中继无人机节点对地面控制站的反馈信息或信条信息，无需确认自己是否为目标无人机，直接向自身的前置无人机转发传输该条指令，直至最后一个无人机将该指令反馈至地面控制站。

为了验证本发明方法能够利用中继无人机群间的多跳转发，实现对无人机群长距离指令的传输，保证通信的稳定，特列举一个验证例进行说明。

本验证例中，首先假设地面控制站在B点，需要无人机探索A点区域，如图4所示，但A、B两点的距离3KM，超过地面控制站对无人机的控制半径1KM，则利用本发明提出的方法，通过中继无人机群链式队列实现对无人机群的通信与操作。具体如下：

(1)、地面控制站升空1号无人机，并与其建立“前后置无人机”联系，控制1号无人机向A点区域方向飞行，并实时检测与地面控制站的RSSI信号强度，当RSSI信号接近预设数值(-60)时(距离地面控制站800m)，1号无人机停止飞行动作悬停空中，向地面控制站发送反馈消息，此时，地面控制站与1号无人机组成的在及无人机群距离A点2.2KM；

(2)、地面控制站继续升空2号无人机，2号无人机与1号无人机建立“前后置无人机”联系，控制2号无人机向A点区域方向飞行，并实时检测与1号无人机的RSSI信号强度，当RSSI信号接近预设数值(-60)时(距离1号无人机700m)，2号无人机停止飞行动作悬停空中，向地面控制站发送反馈消息，此时，地面控制站与1,2号无人机组成的中继无人机群距离A点1.5KM；

(3)、地面控制站继续升空3号无人机，3号无人机与2号无人机建立“前后置无人机”联系，控制3号无人机向A点区域方向飞行，并实时检测与2号无人机的RSSI信号强度，当RSSI信号接近预设数值(-60)时(距离2号无人机900m)，3号无人机停止飞行动作悬停空中，向地面控制站发送反馈消息，此时，地面控制站与1,2,3号无人机组成的中继无人机群距离A点0.6KM；

(4)、地面控制站继续升空4号无人机，4号无人机与3号无人机建立“前后置无人机”联系，控制4号无人机向A点区域方向飞行，并实时检测与3号无人机的RSSI信号强度，当RSSI信号接近预设数值如(-60)时，(距离3号无人机700m)，4号无人机停止飞行动作悬停空中，向地面控制站发送反馈消息，此时，地面控制站与1,2,3,4号无人机组成的中继无人机群已经延伸至A点区域，可以通过中继无人机群发送指令，指挥无人机执行任务；至此，无人机群链式队列形成完成。

但在执行任务过程中，3号无人机突然无法检测与2号无人机的通信信号，1号无人机也未接收2号无人机的信息，即2号无人机失联。3号无人机则向2号无人机方向移动，并向1号无人机发送请求重建连接的信号；当3号无人机移动至与1号无人机的通信范围后，3号无人机与1号无人机确认对方编号后形成新的节点关系—3号无人机为1号无人机的后置无人机节点，1号无人机为2号无人机的前置无人机节点，并向其余无人机广播。同时，3号无人机检测与1号无人机的RSSI信号强度，移动至RSSI强度接近预设值如-60附近，停止飞行任务并悬停空中；由于3号无人机的移动，会引发4号无人机的自适应方法，跟随3号无人机移动至适合区域。至此，无人机群的节点重组完成，可以进行指令的正常传输。

综上，本发明的发明点在于不对无人机群改装卫星通信设备的情况下，利用中继无人机群间的多跳转发，实现了对无人机群长距离指令的传输，并在某节点失联的情况下，可在一定限度下重组中继无人机节点，恢复无人机群间的信息通信。通过无人机的层层转发，实现地面指挥中心和无人机集群的通信。通过中继转发指令的方式，可以有效的加大无人机集群的工作飞行半径，扩大覆盖面。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于自适应的无人机群长距离通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、地面控制站确定无人机群的目标区域位置和任务飞行方向，及控制一个无人机向目标区域位置飞行，且实时监测地面控制站与该无人机的RSSI强度，当其低于预定值时则控制该无人机悬停在当前位置并汇报至地面控制站；地面控制站将上一个已升空无人机和下一个待升空无人机确定互为前置无人机和后置无人机，并根据前置无人机的当前位置与任务飞行方向，控制将待升空无人机飞行至其前置无人机的若干距离处，同时实时监测其与前置无人机的RSSI的强度，当其值低于预定值时则控制该无人机其悬停在当前位置并汇报至地面控制站；对无人机群中剩余无人机重复上述过程，直至无人机群延伸到目标区域位置，则无人机群队列形成；

步骤2、地面控制站选择无人机群队列中一个无人机作为中继节点，并向中继节点发送移动的指令；所述中继节点接收并执行命令，且监测与前置无人机的RSSI强度，当RSSI强度低于临界值下界时，作为中继节点的无人机向前置无人机方向移动，直至监测的RSSI强度不高于一个临界值上界；

步骤3、作为中继节点的无人机从其前置无人机获得待传输指令，并判断该指令的目标无人机是否为自身，若是则执行该条指令并向地面控制站发送指令成功执行的反馈信息；否则向其后置无人机转发该条指令；当中继节点从其后置无人机获得待传输指令，直接向中继节点的前置无人机转发该条指令，直至最后一个无人机将指令反馈至地面控制站。

2.根据权利要求1所述基于自适应的无人机群长距离通信方法，其特征在于：所述步骤2还包括当无人机群队列中无人机存在失联时，失联无人机的后置无人机与前置无人机分别向外广播请求连接的信号，且后置无人机控制向失联无人机方向移动；当失联无人机的前置无人机与后置无人机之间接收到请求连接的信号时，建立连接并确定互为相邻无人机。

3.根据权利要求2所述基于自适应的无人机群长距离通信方法，其特征在于：所述步骤2中当后置无人机向失联无人机方向移动时，无人机群中其后的无人机依次向各自前置无人机方向移动。

4.根据权利要求1所述基于自适应的无人机群长距离通信方法，其特征在于：所述步骤2中临界值下界为-60。

5.根据权利要求1所述基于自适应的无人机群长距离通信方法，其特征在于：所述步骤2中临界值上界为-50。