CN110996370A - 一种无人机的网络通讯路由器协议方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无人机的网络通信路由协议方法。一种无人机的网络通信路由协议方法,无人机集群移动自组织网络中的各个无人机之间进行邻居链路建立和维护,需要发送数据的源节点向周围的中继节点发送路由查询包,周围的中继节点接受所述路由查询包,判断是否存在有效路径,并计算有效路径的数据信息,所述中继节点将所述数据信息回复发送到所述源节点,所述源节点根据所述数据信息判断最佳路径进行数据传输。本发明能够优化路径选择,实现网络中无人机的能源均衡分配,提高通信效率和工作寿命。
Description
技术领域
本发明无人机网络通讯技术领域,更具体地,涉及一种无人机的网络通讯路由器协议方法。
背景技术
无人机集群移动自组织网络具有以下特征,独立组网,不依赖于固定的基础通信设施;无中心管理约束,灵活度高;移动性强,多跳通信;随时都会有新的无人机加入或者能量耗尽的无人机退出网络,拓扑结构变化多样,重构能力强;单个或部分无人机出现故障的情况下,不影响其他节点通信。这些优良特性使其在各个领域得到了广泛应用,例如军事领域,农业植保、电力巡检、警用执法、地质勘探、环境监测、森林防火以及影视航拍等领域,且其适用领域还在迅速拓展。
传统AODV路由算法是移动自组织网络中应用最广泛和最成熟的一种路由协议,但是随着无人机的增加,移动速度的增大,网络会出现局部拥塞,吞吐量快速下降问题,而且在路由维护机制中本地修复成功率低,启动源节点重建容易造成的路径节点拥塞,加重节点负载,加速节点的能量消耗,降低无人机的续航能力和通信效率等问题;同时又因目前无人机主要采用锂聚合物电池作为主要动力,续航能力一般在20~40分钟之间,大多数无人机维持二十分钟有效飞行之后,就必须更换电池或者插上充电线,充电时间一般每次一个小时以上,续航能力成为无人机一个致命的短板。基于此,传统的AODV路由协议并不适用于高度移动性和能源有限性的无人机自组织网。
发明内容
本发明的目的在于克服现有路由协议容易造成的路径节点拥塞,加重节点负载,加速节点的能量消耗,从而降低无人机的续航能力和通信效率的问题,提供一种无人机的网络通讯路由器协议方法。本发明能够优化路径选择,实现网络中无人机的能源均衡分配,提高通信效率和工作寿命。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种无人机的网络通信路由协议方法,S1.无人机集群移动自组织网络中的各个无人机之间进行邻居链路建立和维护;S2.当无人机集群其中一个无人机需要向另一个与其不相邻的无人机传输数据时,定义传输数据的无人机为源节点,接收数据的无人机为目标节点,源节点与目标节点之间的无人机为中继节点,所述源节点向与其相邻的中继节点发送路由查询包;S3.与其相邻的中继节点接受所述路由查询包,判断是否存在有效路径到达所述目标节点,并计算有效路径的数据信息,所述与其相邻的中继节点将所述数据信息回复发送到所述源节点;S4.所述源节点根据所述数据信息判断并选择最佳路径对目标节点进行数据传输。
进一步的,所述最佳路径指的是所述数据传输中耗能最少的路径。源节点即为需要发出数据的无人机,中继节点则为中间传递数据的无人机,源节点首先向中继节点发出路由查询包,让周围充当中继节点的无人机计算有效路径的信息,再将这些信息传回源节点,源节点可以根据这些信息综合考虑能耗和距离判断出最佳数据传送路径,使得无人机的能量负载均衡,可以减轻无人机集群中关键节点负荷。
进一步的,所述各个无人机上装有用于记录无人机三维位置的GPS装置,所述各个无人机还安装有防止路径长时间未响应,或邻居节点丢失造成路径失效的维护定时器。每个无人机上的GPS装置能够对自身无人机的三维位置进行定位和更新,维护定时器可以根据不同使用场景设定相应的响应时间,能够避免路径长时间未响应或邻居节点丢失而导致路径丢失,数据传递失败。
进一步的,所述步骤S1具体包括如下步骤:
S11.自组网中两个无人机相遇时,无人机节点互相交换三维位置向量,并建立链路连接,同时建立并维护邻居节点的位置向量表;
S12.自组网中两个无人机再次相遇时,则更新邻居位置向量表;
S13.维护定时器超时,还没有收到该邻居节点发送来的新位置向量,则证明与该邻居节点的路由已经失效,此时删除该邻居节点的位置向量表,直到下次再次相遇后,交换三维位置,重新建立节点间的链路,建立并维护该邻居节点的新位置向量表,启动维护定时器。
进一步的,所述步骤S2具体包括如下步骤:
S21.源节点收到控制中心发出的数据发送请求,源节点在本地维护的邻居位置向量表中查找是否有到目标节点的有效路由;
S22.若有,则使用该路径直接发送数据,若没有,则广播发送路由查询包分组,发起路由选择过程;
S23.源节点发送路由查询包后,启动wait time,进入等待回复状态。
进一步的,所述步骤S3具体包括如下步骤:
S31.所述中继点收到源节点发送的路由查询包分组;获取所述路由查询包分组的目标节点ID;判断是否有到目标节点的有效路径;
S32.若有,则读取邻居位置向量表中目标节点的位置,计算出两点间的空间距离,再基于空间距离计算从当前节点发送数据至目标节点所需的能耗,而后将能耗值插入回复包头部并发送至源节点;若没有,则丢弃该路由查询包。
进一步的,所述步骤S4具体包括如下步骤:
S41.所述源节点在规定的时间内收到回复包,若超时则重新发送路由查询包;
S42.所述源节点接收到回复包,获取头部信息;比较所有头部信息中算出的节点能耗;将数据发送到能耗最低的无人机;
S43.所述能耗最低的无人机收到数据包后对下一无人机进行转发,直至所述目标节点。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明中每个无人机都配有GPS装置记录并更新无人机的三维位置,由此可基于三维位置计算出相邻无人机间的空间距离;通过源节点发出的路由查询包和中继节点的回复包,能够选择出最优路径,使得无人机能量负载均衡、减轻节点负荷,从而提高无人机的续航能力和通信效率;在无人机上设置维护定时器,能够动态维护相邻无人机间的位置向量,够保证链路有效性,提高节点到节点连接的可靠性。
附图说明
图1为本发明无人机集群自网络的示意图。
图2为源节点的路由选择流程图。
图3为中继节点路由回复流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本专利的限制;为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件;在本发明的描述中,需要理解的是,若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1至图3所示为本发明一种无人机的网络通信路由协议方法的第一实施例。一种无人机的网络通信路由协议方法,首先在无人机集群移动自组织网络中的各个无人机之间进行邻居链路建立和维护,源节点收到控制中心发出的数据发送请求,源节点向周围的中继节点发送路由查询包,周围的中继节点接受路由查询包,判断是否存在有效路径,并计算有效路径的数据信息,中继节点将所述数据信息回复发送到源节点,所述源节点根据数据信息判断最佳路径进行数据传输。
其中,各个无人机上设有GPS装置,GPS装置对无人机的三维位置进行定位和更新,当自组网中两个无人机相遇时,互相交换三维位置向量,并建立链路连接,同时建立并维护该邻居节点的位置向量表;自组网中两个无人机再次相遇时,则更新邻居位置向量表;维护定时器超时,没有收到该邻居节点发送来的新位置向量,则证明与该邻居节点的路由已经失效,此时删除该邻居节点的位置向量表,直到下次再次相遇后,交换三维位置,重新建立节点间的链路,建立并维护该邻居节点的新位置向量表,启动维护定时器。
源节点路由选择过程如图2所示。
1.1源节点发送Routing Query Packet(RQP),即路由查询包;
a.源节点收到上层的数据发送请求,在本地维护的路由表中查找是否有到目标节点的有效路由;
b.若有,则使用该路径直接发送数据;若没有,则广播RQP分组,发起路由选择过程;
1.2进入Wait状态;
a.源节点发送RQP后,启动Wait timer,进入等待回复状态;
b.若等待超过维护定时器的定时,还未收到回复包,则重新发起RQP;
1.3在规定等待时间内收到Reply Packet(RP),即回复包;
1.4比较筛选;
a.接收RP包,获取头部信息;
b.比较回复集合中所有节点的能耗;
c.发送数据至能耗最低的节点,能量节点收到数据包后点对点转发数据至目标节点;
1.5完成最优路由选择。
中继点回复过程如图3所示。
2.1空闲状态;
2.2收到源节点发送的RQP分组;
2.3获取RQP分组中的目标节点ID;
2.4判断是否有到目标节点的有效路径;
a.若有,则读取邻居位置向量表中目标节点的位置,计算出两点间的空间距离,再基于空间距离计算从当前节点发送数据至目标节点所需的能耗,而后将能耗值插入RP包头部并发送至源节点;
b.若没有,则丢弃该数据包;
2.5中继节点路由回复完成。
本实施例的工作原理如下所示,在本实施例中,每个无人机都配有GPS装置,记录无人机的三维位置,由此可基于位置计算出相邻无人机间的空间距离,将基于空间距离计算得出的能耗值插入回复包的包头,源节点通过比较筛选后选择能耗最低的节点进行数据转发,能够达到最优路由路径选择的目的,同时实现网络中无人机能量负载均衡、减轻节点负荷、提高无人机的续航能力和通信效率;设置维护定时器动态更新相邻无人机间的位置向量,能够保证链路有效性,提高点到点连接的可靠性。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种无人机的网络通信路由协议方法,其特征在于:S1.无人机集群移动自组织网络中的各个无人机之间进行邻居链路建立和维护;S2.当无人机集群其中一个无人机需要向另一个与其不相邻的无人机传输数据时,定义传输数据的无人机为源节点,接收数据的无人机为目标节点,源节点与目标节点之间的无人机为中继节点,所述源节点向与其相邻的中继节点发送路由查询包;S3.与其相邻的中继节点接受所述路由查询包,判断是否存在有效路径到达所述目标节点,并计算有效路径的数据信息,所述与其相邻的中继节点将所述数据信息回复发送到所述源节点;S4.所述源节点根据所述数据信息判断并选择最佳路径对目标节点进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种无人机的网络通信路由协议方法,其特征在于:所述最佳路径指的是所述数据传输中耗能最少的路径。
3.根据权利要求1所述的一种无人机的网络通信路由协议方法,其特征在于:所述各个无人机上装有用于记录无人机三维位置的GPS装置,所述各个无人机上还安装有防止路径长时间未响应,或邻居节点丢失造成路径失效的维护定时器。
4.根据权利要求3所述的一种无人机的网络通信路由协议方法,其特征在于:所述步骤S1具体包括如下步骤:
S11.自组网中两个无人机相遇时,无人机节点互相交换三维位置向量,并建立链路连接,同时建立并维护邻居节点的位置向量表;
S12.自组网中两个无人机再次相遇时,则更新邻居位置向量表;
S13.维护定时器超时,还没有收到该邻居节点发送来的新位置向量,则证明与该邻居节点的路由已经失效,此时删除该邻居节点的位置向量表,直到下次再次相遇后,交换三维位置,重新建立节点间的链路,建立并维护该邻居节点的新位置向量表,启动维护定时器。
5.根据权利要求4所述的一种无人机的网络通信路由协议方法,其特征在于:所述步骤S2具体包括如下步骤:
S21.源节点收到控制中心发出的数据发送请求,源节点在本地维护的邻居位置向量表中查找是否有到目标节点的有效路由;
S22.若有,则使用该路径直接发送数据,若没有,则广播发送路由查询包分组,发起路由选择过程;
S23.源节点发送路由查询包后,启动wait time,进入等待回复状态。
6.根据权利要求5所述的一种无人机的网络通讯路由器协议方法,其特征在于:所述步骤S3具体包括如下步骤:
S31.所述中继点收到源节点发送的路由查询包分组;获取所述路由查询包分组的目标节点ID;判断是否有到目标节点的有效路径;
S32.若有,则读取邻居位置向量表中目标节点的位置,计算出两点间的空间距离,再基于空间距离计算从当前节点发送数据至目标节点所需的能耗,而后将能耗值插入回复包头部并发送至源节点;若没有,则丢弃该路由查询包。
7.根据权利要求6所述的一种无人机的网络通讯路由器协议方法,其特征在于:所述步骤S4具体包括如下步骤:
S41.所述源节点在规定的时间内收到回复包,若超时则重新发送路由查询包;
S42.所述源节点接收到回复包,获取头部信息;比较所有头部信息中算出的节点能耗;将数据发送到能耗最低的无人机;
S43.所述能耗最低的无人机收到数据包后对下一无人机进行转发,直至所述目标节点。
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