CN109240339A - 延迟容忍网络中紧急状态驱动的多摆渡机飞行控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种延迟容忍网络中紧急状态驱动的多摆渡机飞行控制方法，设定任务机是指收集图像等信号的执行任务的无人机，摆渡机是将任务机中的消息传递到地面站的无人机；并包括如下步骤：步骤一：任务机在执行任务过程中，如果任务机中消息存储数量超过预警值，则所述任务机将自身状态置为紧急状态并发送紧急信号给地面站，所述地面站为所述任务机分配摆渡机；步骤二：所述摆渡机根据所述地面站的指令调整飞行方向，飞向处于紧急状态的任务机；步骤三：如果所述摆渡机没有置为紧急状态，当所述摆渡机和紧急状态的任务机建立高通量连接后，如果所述任务机取消紧急状态，则所述摆渡机飞向所述地面站。
Description
技术领域
本发明属于信息处理技术领域，具体的涉及一种延迟容忍网络中紧急状态驱动的多摆渡机飞行控制方法。
背景技术
多无人机相互协作被应用于工业、农业、军事、抢险救灾等领域，而多无人机的通信是多无人机系统的设计的最重要的问题之一。基于如地面中继站、卫星等的基础设施实现网络有很多限制，一般采用飞行自组织网络(Flying Ad-Hoc Networks—FANET)实现多无人机之间的通信。由于无人机快速移动的特性，导致无人机自组网会出现随机的频繁的中断。延时容忍网络(Delay-tolerant Networking—DTN)原则上能够解决这个问题。DTN因为具有“存储—携带—转发”的特性，所以适用在节点间没有端到端通信的情况。
在很多搜救任务中，由于任务区域与地面站距离较远，就需要加入摆渡机，将执行收集数据任务的任务机中的消息及时传递到地面站。目前摆渡节点的路径设计方法主要针对稀疏节点的网络，且在TSP求解航路点问题基础上提出。在设计出航路点后，摆渡节点通常按照航路点作简单循环方式飞行。但是当摆渡机采用简单循环方式飞行时，无法根据网络中任务机节点的消息拥塞状况及位置信息做出及时调整，从而导致平均消息延迟过长。
在搜救任务等小面积网络中，可以应用基于一跳的低通量网络传递更多的控制指令等消息来对摆渡机飞行方向进行实时控制。常见的低通量网络可以采用XBee-PRO(IEEE802.15.4)技术。它的覆盖半径长达1.5km，低通量（小于80kbit/s，所有无人机共享），能传递控制消息，遥感数据，消息接收确认等消息。XBee-PRO将所有无人机和地面站连接，所有无人机的GPS数据（经度，维度，高度），方向，速度等数据在无人机和地面站范围内按照一定频率广播。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种延迟容忍网络中紧急状态驱动的多摆渡机飞行控制方法。
为达成上述目的，本发明采用如下技术方案：一种延迟容忍网络中紧急状态驱动的多摆渡机飞行控制方法，设定任务机是指收集图像等信号的执行任务的无人机，摆渡机是将任务机中的消息传递到地面站的无人机；所述延迟容忍网络中紧急状态驱动的多摆渡机飞行控制方法包括如下步骤：
步骤一：任务机在执行任务过程中，如果任务机中消息存储数量超过预警值，则所述任务机将自身状态置为紧急状态并发送紧急信号给地面站，所述地面站为所述任务机分配摆渡机；
步骤二：所述摆渡机根据所述地面站的指令调整飞行方向，飞向处于紧急状态的任务机；如果所述摆渡机飞行过程中自身的消息存储数超过设置的阈值，将自身置为紧急状态并发送紧急信号给地面站；地面站取消任务机和摆渡机的分配，并给处于紧急状态的任务机重新分配其他摆渡机；处于紧急状态的摆渡机飞向地面站；
步骤三：如果所述摆渡机没有置为紧急状态，当所述摆渡机和紧急状态的任务机建立高通量连接后，如果所述任务机取消紧急状态，则所述摆渡机飞向所述地面站。
优选地，在步骤三中，当所述摆渡机和紧急状态的任务机建立高通量连接后，如果所述任务机的消息数还超过预警值，则所述任务机依然处于紧急状态，所述摆渡机的飞行方向保持为飞向所述任务机，即所述摆渡机相对所述摆渡机保持静止，待所述任务机的紧急状态取消后，所述摆渡机才调整飞行方向飞向所述地面站。
优选地，任意两个任务机之间可以通讯，处于紧急状态的任务机中存储的消息可以转发给其他任务机；如果任务机中消息存储数为0，则所述任务机的紧急状态取消。
优选地，如果没有处于紧急状态的任务机，摆渡机继续按照当前方向，使用简单来回循环的方式飞行。
优选地，所述地面站通过三个列表管理任务机和摆渡机的状态：紧急任务机列表是按照紧急状态产生顺序存放当前网络中所有的紧急状态的任务机编号的列表；紧急任务机-摆渡机配对列表是存放紧急状态任务机编号以及与其配对的摆渡机编号的键值对列表；紧急摆渡机列表是存放紧急状态摆渡机编号的列表。
优选地，所述摆渡机采取简单来回循环的方式飞行，且在步骤二中，所述摆渡机当沿着循环路径中较短路径方向飞向处于紧急状态的任务机。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
所述延迟容忍网络中紧急状态驱动的多摆渡机飞行控制方法针对消息延迟过长和低通量网络的特点，在已有摆渡机航路点基础上，对摆渡机的飞行路线进行优化。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是一个典型的搜救任务实验场景图。
图2是取消emergeSearchList、emergeMap、emergeFerryList中不紧急的项的流程图。
图3是emergeFerryList增加紧急项的流程图。
图4是emergeSearchList增加紧急项的流程图
图5 是emergeMap增加紧急项的流程图。
图6是摆渡机飞行控制算法。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。
在本发明实施例提供的一种延迟容忍网络中紧急状态驱动的多摆渡机飞行控制方法总，设定任务机是指收集图像等信号的执行任务的无人机，摆渡机是将任务机中的消息传递到地面站的无人机。
具体地，所述延迟容忍网络中紧急状态驱动的多摆渡机飞行控制方法包括如下步骤：
步骤一：任务机在执行任务过程中，如果任务机中消息存储数量超过预警值，所述任务机将自身状态置为紧急状态并发送紧急信号给地面站，所述地面站为所述任务机分配摆渡机；
步骤二：所述摆渡机根据所述地面站的指令调整飞行方向，飞向处于紧急状态的任务机；如果所述摆渡机飞行过程中自身的消息存储数超过设置的阈值，将自身置为紧急状态并发送紧急信号给地面站；地面站取消任务机和摆渡机的分配，并给处于紧急状态的任务机重新分配其他摆渡机；处于紧急状态的摆渡机飞向地面站；
步骤三：如果所述摆渡机没有置为紧急状态，当所述摆渡机和紧急状态的任务机建立高通量连接后，如果所述任务机取消紧急状态，则所述摆渡机飞向所述地面站。
需要说明的是，所述紧急状态是指无人机中消息存储量超过设定的预警值后无人机的状态。紧急状态的任务机需要找一架摆渡机立刻来接驳消息，而紧急状态的摆渡机需要立刻返回地面站，使消息尽快到达地面站。
而且，对于所述任务机而言，任意两个任务机之间可以通讯，处于紧急状态的任务机中存储的消息可以转发给其他任务机；如果任务机中消息存储数为0，则所述任务机的紧急状态取消。
对所述摆渡机而言，如果没有处于紧急状态的任务机，摆渡机继续按照当前方向，使用简单来回循环的方式飞行。应当理解，在步骤二中，所述摆渡机当沿着循环路径中较短路径方向飞向处于紧急状态的任务机。当然，可选择的，所述摆渡机还可以选用其他任意合适的飞行方式，本发明对此不做限定。
此外，在负荷较高的网络中，因为任务机产生的消息速度较快，多架任务机连续不断地发出紧急信号，摆渡机可能不停地在任务区域徘徊却不往地面站飞行，导致网络的拥塞。为了防止这种情况出现，我们也为摆渡机的消息存储数设置预警值。当摆渡机消息数超过阈值，摆渡机沿着循环路径中距离较短的方向往地面站飞行。
在本实施例中，所述地面站通过三个列表管理任务机和摆渡机的状态，具体地如下：
紧急任务机列表，是按照紧急状态产生顺序存放当前网络中所有的紧急状态的任务机编号的列表；
紧急任务机-摆渡机配对列表，是存放紧急状态任务机编号以及与其配对的摆渡机编号的键值对列表；
紧急摆渡机列表，是存放紧急状态摆渡机编号的列表。
具体地，在步骤三中，当所述摆渡机和紧急状态的任务机建立高通量连接后，
如果所述任务机的消息数还超过预警值，则所述任务机依然处于紧急状态，所述摆渡机的飞行方向保持为飞向所述任务机，即所述摆渡机相对所述摆渡机保持静止，待所述任务机的紧急状态取消后，所述摆渡机才调整飞行方向飞向所述地面站。
接下来，将以具体实施例的方式对本发明作进一步地说明。
如图1所示，假设有4架摆渡机（f10-f13），9架任务机（u1-u9）和1个地面站(g0)。其中任务机按照Z型路线循环飞行，任务机按照图示路线飞行。各无人机从各自按照轨迹循环飞行。
步骤1：初始化。如图所示，初始化各无人机的航路点以及起始点。任务机和摆渡机可以分别设置预警值。初始化emergeSearchList、emergeMap、emergeFerryList。
步骤2：更新各紧急列表。更新紧急列表主要分为两个步骤：取消各紧急列表中不紧急的项和在紧急列表中新增紧急的项。
步骤2.1 取消各紧急列表中不紧急项。具体算法流程图如图2所示：
假设前一时刻，任务机u1的消息数超过设定的预警值，那么前一时刻该任务机u1处于紧急状态。该飞机编号存储在emergeSearchList中。如果之前有空闲摆渡机，并且有摆渡机f11被分配给该任务机u1。那么在emergeMap中存在键值对<u1,f11>。
当前时刻，如果任务机u1的消息由于其他无人机中继的作用，任务机u1中的消息存储数降低至0，则该任务机置为非紧急状态。
并且删去emergeSearchList中相应的u1项以及emergeMap中相应的<u1,f11>的项。
步骤2.2 新增各紧急列表中紧急的项，并包括如下步骤：
步骤2.2.1 新增emergeFerryList中的紧急项。算法流程详见图3。
该步骤是为了增强本算法的鲁棒性。考虑到在负荷较大的网络中，或者预警值设置过小时，任务机在消息转移之后又迅速的积累消息到预警值。那么任务机会不停的发送紧急信号，导致摆渡机无法及时返回地面站，从而导致消息的平均延迟过长。所以为摆渡机也设置了预警值。当摆渡机紧急时，摆渡机将删去之前与任务机建立的配对关系，并且置为紧急。
假设前一时刻，u7处于紧急状态，并且和f12建立配对关系。所以在emergeSearchList中有u7这一项，在emergeMap中有<u7,f12>这一键值对。
当前时刻，如果摆渡机f12中的消息存储数超过了摆渡机设置的预警值，那么摆渡机置为紧急，在emergeFerryList中添加f12项。并且要先从emergeMap中删除原先<u7,f12>这一键值对。此时，u7仍然是紧急状态，应在下一时刻寻找另一架空闲摆渡机与其配对。
步骤2.2.2 新增emergeSearchList中的紧急项。算法流程详见图4。
遍历任务机，当任务机中的消息存储数超过预警值，并且前一时刻在emergeSearchList中没有该任务机项，则将该任务机项加入emergeSearchList中。假设此时任务机u2消息存储数超过任务机预警值，则加入emergeSearchList中。
步骤2.2.3 新增emergeMap中的相应键值对。算法流程详见图5。
遍历emergeSearchList中的项，当该任务机的Loecked位为false，即该紧急任务机还未和摆渡机配对，则在摆渡机中找一架空闲的距离该紧急任务机最近的摆渡机进行配对。假设前一时刻任务机u2紧急，但是Locked位为false，则f10和f11中选择一架Locked位为false，且此时距离u2较近的一架摆渡机f11。将<u2,f11>加入emergeMap中。
步骤3：摆渡机根据路径控制算法调整飞行。算法流程详见图6。
该算法运行在摆渡机上，每一△t时间刷新一次，摆渡机根据网络中紧急状态的无人机做出及时的调整。如果摆渡机被分配给紧急状态的任务机,则摆渡机朝着紧急状态任务机飞行，建立通讯之后再朝向地面站飞行。
如果摆渡机自身紧急，那么朝着地面站方向飞行。如果摆渡机自身不紧急，也没有分配给任务机，那么按照简单的循环方式飞行。综上，摆渡机飞行控制算法总共有三种飞行模式：循环飞行、朝地面站飞行、朝紧急任务机飞行。
具体情况分为下面几种：
情况1，假设f11的Locked位为true，此时被分配给u2，前一时刻的方向是朝着地面站飞行。按照给飞行控制算法，f11在没有u2建立联通时，朝着紧急任务机u2方向飞行△t时间。如果f11和u2建立联通，将u2的消息接驳过来，则向地面站飞行△t时间。
情况2，假设f11的Locked位为true，但是未被分配给紧急任务机，表示此时摆渡机中的消息超过了设定的预警值。则摆渡机此时向地面站飞行△t时间。
情况3，假设f11的Locked位为false，则表示和u2取消配对关系，则f11按照简单循环飞行方式。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种延迟容忍网络中紧急状态驱动的多摆渡机飞行控制方法，其特征在于：设定任务机是指收集图像等信号的执行任务的无人机，摆渡机是将任务机中的消息传递到地面站的无人机；
所述延迟容忍网络中紧急状态驱动的多摆渡机飞行控制方法包括如下步骤：
步骤一：任务机在执行任务过程中，如果任务机中消息存储数量超过预警值，则所述任务机将自身状态置为紧急状态并发送紧急信号给地面站，所述地面站为所述任务机分配摆渡机；
步骤二：所述摆渡机根据所述地面站的指令调整飞行方向，飞向处于紧急状态的任务机；如果所述摆渡机飞行过程中自身的消息存储数超过设置的阈值，将自身置为紧急状态并发送紧急信号给地面站；地面站取消任务机和摆渡机的分配，并给处于紧急状态的任务机重新分配其他摆渡机；处于紧急状态的摆渡机飞向地面站；
步骤三：如果所述摆渡机没有置为紧急状态，当所述摆渡机和紧急状态的任务机建立高通量连接后，如果所述任务机取消紧急状态，则所述摆渡机飞向所述地面站。
2.根据权利要求1所述的延迟容忍网络中紧急状态驱动的多摆渡机飞行控制方法，其特征在于：在步骤三中，当所述摆渡机和紧急状态的任务机建立高通量连接后，
如果所述任务机的消息数还超过预警值，则所述任务机依然处于紧急状态，所述摆渡机的飞行方向保持为飞向所述任务机，即所述摆渡机相对所述摆渡机保持静止，待所述任务机的紧急状态取消后，所述摆渡机才调整飞行方向飞向所述地面站。
3.根据权利要求1所述的延迟容忍网络中紧急状态驱动的多摆渡机飞行控制方法，其特征在于：任意两个任务机之间可以通讯，处于紧急状态的任务机中存储的消息可以转发给其他任务机；
如果任务机中消息存储数为0，则所述任务机的紧急状态取消。
4.根据权利要求1所述的延迟容忍网络中紧急状态驱动的多摆渡机飞行控制方法，其特征在于：如果没有处于紧急状态的任务机，摆渡机继续按照当前方向，使用简单来回循环的方式飞行。
5.根据权利要求1所述的延迟容忍网络中紧急状态驱动的多摆渡机飞行控制方法，其特征在于：所述地面站通过三个列表管理任务机和摆渡机的状态：
紧急任务机列表是按照紧急状态产生顺序存放当前网络中所有的紧急状态的任务机编号的列表；
紧急任务机-摆渡机配对列表是存放紧急状态任务机编号以及与其配对的摆渡机编号的键值对列表；
紧急摆渡机列表是存放紧急状态摆渡机编号的列表。
6.根据权利要求1所述的延迟容忍网络中紧急状态驱动的多摆渡机飞行控制方法，其特征在于：所述摆渡机采取简单来回循环的方式飞行，且在步骤二中，所述摆渡机当沿着循环路径中较短路径方向飞向处于紧急状态的任务机。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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