CN109510656A - 一种适用于无人机群体的自适应数据分发方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于无人机群体的自适应数据分发方法，属于无人机技术领域。包括如下步骤：步骤I：当监听到目的无人机发送的请求信号时评估从源无人机到目的无人机的等效信道质量；步骤II:设置定时器时间与输出的等效信道质量成反比，并启动定时器；当定时器耗尽时；判断是否接收到标志信号，若是跳步骤IV，否则跳步骤III；步骤III、给所有无人机发送标志信号并将最优中继抢占指令发给数据发送模块，再进入信道监听模式；步骤IC、复位定时器，并退出中继选择；判断无人机后续位置变化是否超过门限，如果没有超过门限，等待，若超过门限，跳入步骤II。所述方确保可靠数据分发，达到负载和收敛速度的最优权衡。

Description

一种适用于无人机群体的自适应数据分发方法

技术领域

本发明涉及一种适用于无人机群体的自适应数据分发方法，属于无人机技术领域。

背景技术

无人机群体在协作过程中会遇到很多方面的问题，其中，通信受限的网络环境会显著影响多架无人机的协调行动能力。延迟，同步，可靠性等问题将极大地影响到分布式群体算法的性能。在多无人机系统中，网络通信的主体是移动的无人机，所以无人机之间采用无线通信技术进行连通。相比于稳定可靠的有线网络，无线网络存在不少问题，主要是可靠性较差和延迟较高。在单无人机系统中，除了基站和人造卫星用于通信，也可以在无人机和机载控制系统之间建立一条数据分发链路。但是不管在上述哪种情况下，无人机与通信基础设施之间建立的都是点对点数据分发。然而随着无人机群体中无人机数量的增加，设计一个高效的数据分发成为至关重要的问题。

一种多无人机系统通信问题的方案是在无人机之间建立一个移动自组织网络。虽然只有部分无人机可以与基站和人造卫星进行通信，但是所有的无人机组成了一个专用网络。由于自组织网络是基于无人机到无人机的数据分发链路，而不是无人机到通信基础设施的数据链路，因此它可以扩大操作的覆盖范围。即使自组织网络中的一个无人机无法与通信基础设施建立通信链路，但它仍然可以通过与其它无人机进行通信来操作。通过这种方式，无人机与基地之间实现了通信，无人机彼此之间也实现了互相通信。

无人机群体中，每个无人机都有自己本身的数据，这些数据可以是无人机自身的状态信息，也可以是和任务相关的信息。为了在整个群体内共享这些数据，从而进行各种协作，无人机之间需要不断地进行数据交换直至每个无人机最终都能获得所有无人机本身的数据。在由多个小型无人机组成的多无人机系统中，很多无人机的协作行为比如编队、基于无人机位置的搜索区域分配和汇合点的确定、基于无人机剩余能源的降落优先次序确定等，都需要在整个群体范围内共享态势感知。

针对多无人机系统共享态势感知的通信需求，虽然已经有一些特定的自组织网络，用来给通信提供一定程度的保障，但是仍然不能完全解决多无人机通信面临的延迟和可靠性等问题。由于小型无人机在通信设施开销方面的限制，一般使用不可靠的广播以及低成本的、常用于小型无人机的机载传感器来进行信息传递。在动态拓扑变化以及无人机动态加入和退出群体情况下，基于不可靠广播的传统数据分发方法在可靠性和延迟性能上往往得不到保证。

发明内容

本发明的目的在于针对现有数据分发方法在多无人机通信时难以平衡延迟和可靠性的技术问题，提出了一种适用于无人机群体的自适应数据分发方法，该方法能够根据无人机群体的拓扑动态变化条件，动态地调整各个无人机参与数据分发的行为，从而保证数据可靠分发到群体中的每架无人机。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：将特定数据分发到整个群体，源节点无人机将其它获得了该数据的无人机作为通信中继，并根据最大接收信噪比原则，分布式地选择最优中继无人机进行转发，直到群体内每架无人机都获得了该数据；且基于最优中继无人机转发的机制可以大幅减小转发次数，从而获得较优的延迟性能。

所述分发方法所依托的系统包括：

数据发送模块、分布式中继选择模块、信道质量评估模块以及无人机行动控制模块；

所述系统中各模块的连接关系为：

数据发送模块与分布式中继选择模块相连；分布式中继选择模块与信道质量评估模块相连；分布式中继选择模块与无人机行动控制模块相连；信道质量评估模块与无人机行动控制模块相连。

所述系统中各模块的功能为：

信道质量评估模块的功能是根据无人机行动控制模块提供的无人机位置信息，估计当前的信道质量，并发送给分布式中继选择模块；

分布式中继选择模块的功能是：依据测算得到的信道质量，自主判断无人机在当前通信周期是否应该参与中继竞争；并依据无人机行动控制模块提供的无人机后续位置信息，自主判断无人机在后续通信周期是否应该参与中继竞争；

数据发送模块的功能是：接收分布式中继选择模块发送来的最优中继抢占指令，并且发送数据；

无人机行动控制模块的功能是：为信道质量评估模块提供无人机当前的位置信息,为分布式中继选择模块提供无人机后续的位置信息。

所述方法需要根据无人机群体的网络拓扑动态变化，每个无人机能够进行自适应数据分发,具体如下：在每个通信周期中，如果源无人机和目的无人机处于低损耗通信环境，网络负载能力较差，无人机群体中的其它无人机将不参与中继竞争，由源无人机做出对请求消息的响应——发送数据消息；如果源无人机和目的无人机处于高损耗通信环境，网络负载能力较强，无人机群体中的其它无人机将选择参与中继竞争，即通过选定的中继无人机来发送数据消息，加快数据分发的速度。

所述数据分发方法采用分布式的实现方式,不需要网络中有一个中心控制节点也不需要每个中继无人机都知道全局的信道状态信息；每个中继无人机只需知道自己与目的无人机的局部信道状态信息即可完成分布式中继选择；每个中继无人机都监听从目的无人机发送的请求信号，根据请求信号数据包中继无人机可以评估它们到目的无人机的瞬时信道强度；一旦接收到请求信号数据包，每个中继无人机都会评估从源无人机到目的无人机的等效信道质量，并启动一个定时器，定时器的持续时间与等效信道质量成反比；定时器最先耗尽归零的中继无人机成为最佳中继，并且向其它中继无人机发送一个标志信号表明其存在；所有的中继无人机在等待其定时器减至零的过程中都处于监听模式，只要它们接收到来自最佳中继的标志信号，就将自己的定时器停止并清零，退出这次的中继选择；所述方法具体包括如下步骤：

步骤一、无人机行动控制模块判断是否接到目的无人机请求信号，如果否就继续等待，如果是，则跳至步骤二；

步骤二、信道质量评估模块评估从源无人机到目的无人机的等效信道质量；

步骤三、依据步骤二输出的等效信道质量，设置定时器时间与输出的等效信道质量成反比，并启动定时器；

步骤四、判断步骤三设置的定时器是否耗尽，如果否则等待；如果是则顺序执行步骤五；

步骤五、判断是否接收到标志信号，如果否，则跳至步骤六，如果是则跳至步骤九；

步骤六、给所有无人机发送标志信号并将最优中继抢占指令，分布式中继选择模块将此抢占的指令发给数据发送模块，并且此此抢占的指令即为最优中继无人机转发源无人机的数据；

步骤七、判断是否需要进行下次中继选择，如果是，跳至步骤一；如果否，跳至步骤八；

步骤八、复位定时器，并退出中继选择；

至此，从步骤一到步骤八，完成了一种适用于无人机群体的自适应数据分发方法。

有益效果

本发明一种适用于无人机群体的自适应数据分发方法，和现有数据分发方法相比，具有如下有益效果：

1.所述方法可以在确保可靠数据分发的前提下，达到负载和收敛速度的最优权衡；

2.所述方法中的中继选择和数据分发自适应都是分布式的，非常适合部署了分布式感知和控制算法的无人机群体。

附图说明

图1是本发明一种适用于无人机群体的自适应数据分发方法所依托的无人机系统架构图；

图2是本发明一种适用于无人机群体的自适应数据分发方法的操作流程图；

图3是本发明一种适用于无人机群体的自适应数据分发方法一较佳实施例所依托的无人机系统架构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1

本实施例描述了本发明所述方法所依托的无人机系统架构，如图1所示。

所述较佳实施例中，集群无人机的每个无人机采用图1所示的架构，包括数据发送模块、分布式中继选择模块、信道质量评估模块和无人机行动控制模块。图1中，无人机行动控制模块分别给出当前通信周期的位置信息给信道质量评估模块；以及给出下一通信周期的位置信息给分布式中继选择模块；分布式中继选择模块同时还接收经过信道质量评估模块输出的等效信道质量测算值，输出最优中继抢占指令给数据发送模块。

基于图1所示较佳实施例架构构建的系统操作流程遵循图2。本实施例描述了本发明一种适用于无人机群体的自适应数据分发方法的具体实施。图2是本发明一种适用于无人机群体的自适应数据分发方法的操作流程图，图中可以看出，所述方法包括如下步骤：

步骤A、信道质量评估模块判断是否监听到目的无人机发送的请求信号，如果否就继续等待，如果是，则跳至步骤B；

步骤B、信道质量评估模块评估从源无人机到目的无人机的等效信道质量；

步骤C、依据步骤B输出的等效信道质量，设置定时器时间与输出的等效信道质量成反比，并启动定时器；

步骤D、判断步骤C设置的定时器是否耗尽，如果否则等待；如果是则顺序执行步骤E；

步骤E、判断是否接收到标志信号，如果否，则跳至步骤F，如果是则跳至步骤I；

步骤F、给所有无人机发送标志信号并将最优中继抢占指令，分布式中继选择模块将此抢占的指令发给数据发送模块，并且此此抢占的指令即为最优中继无人机转发源无人机的数据；

步骤H、进入信道监听模式，再跳入步骤A；

步骤I、复位定时器，并退出中继选择；

步骤J、判断无人机后续位置变化是否超过门限，如果没有超过门限，则不进行操作；若超过门限，跳入步骤A；

至此，从步骤A到步骤J，完成了一种适用于无人机群体的自适应数据分发方法。

实施例2

所描述的较佳实施例如图3所示，仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。图3是本发明一种适用于无人机群体的自适应数据分发方法一较佳实施例所依托的无人机系统架构图。所述数据分发方法采用分布式的实现方式。

无人机集群构成无线通信网络，信道接入协议采用载波侦听多址信道接入方法。载波侦听多址信道接入方法中，每架无人机都有信道监听模块和信道抢占模块，发送数据之前，都需要监听信道的占用情况，并广播信道使用请求。为了防止信道使用冲突，其它需要发送数据的无人机监听到信道使用请求后，会延后自身数据的发送。

在所述较佳实施例中，各无人机的信道质量评估模块可以从信道监听模块获得当前通信周期中其它无人机发送的信道使用请求。结合无人机行动控制模块提供的无人机位置信息，信道质量评估模块能够为分布式中继选择模块提供高精度的等效信道质量测算，从而提升分布式中继选择模块的性能。

在所述较佳实施例中，各无人机搭载了无人机轨迹预测模块，可以根据过去若干个通信周期的无人机位置信息，基于卡尔曼滤波等外推方法，为分布式中继选择模块提供未来若干通信周期的无人机位置信息预测。分布式中继选择模块可以据此提前规划若干通信周期内的行动，大幅提升分布式中继选择模块在高动态网络中的性能。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种适用于无人机群体的自适应数据分发方法，其特征在于：所述分发方法所依托的系统包括：数据发送模块、分布式中继选择模块、信道质量评估模块以及无人机行动控制模块；

所述系统中各模块的连接关系为：

数据发送模块与分布式中继选择模块相连；分布式中继选择模块与信道质量评估模块相连；分布式中继选择模块与无人机行动控制模块相连；信道质量评估模块与无人机行动控制模块相连；

所述系统中各模块的功能为：

信道质量评估模块的功能是根据无人机行动控制模块提供的无人机位置信息，估计当前的信道质量，并发送给分布式中继选择模块；

分布式中继选择模块的功能是：依据测算得到的信道质量，自主判断无人机在当前通信周期是否应该参与中继竞争；并依据无人机行动控制模块提供的无人机后续位置信息，自主判断无人机在后续通信周期是否应该参与中继竞争；

数据发送模块的功能是：接收分布式中继选择模块发送来的最优中继抢占指令，并且发送数据；

无人机行动控制模块的功能是：为信道质量评估模块提供无人机当前的位置信息,为分布式中继选择模块提供无人机后续的位置信息；

所述方法，包括如下步骤：

步骤A、信道质量评估模块判断是否监听到目的无人机发送的请求信号，如果否就继续等待，如果是，则跳至步骤B；

步骤B、信道质量评估模块评估从源无人机到目的无人机的等效信道质量；

步骤C、依据步骤B输出的等效信道质量，设置定时器时间与输出的等效信道质量成反比，并启动定时器；

步骤D、判断步骤C设置的定时器是否耗尽，如果否则等待；如果是则顺序执行步骤E；

步骤E、判断是否接收到标志信号，如果否，则跳至步骤F，如果是则跳至步骤I；

步骤F、给所有无人机发送标志信号并将最优中继抢占指令，分布式中继选择模块将此抢占的指令发给数据发送模块，并且此此抢占的指令即为最优中继无人机转发源无人机的数据；

步骤H、进入信道监听模式，再跳入步骤A；

步骤I、复位定时器，并退出中继选择；

步骤J、判断无人机后续位置变化是否超过门限，如果没有超过门限，则不进行操作；若超过门限，跳入步骤A。