CN111628818A - 空地无人系统分布式实时通信方法、装置及多无人系统 - Google Patents

空地无人系统分布式实时通信方法、装置及多无人系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种空地无人系统分布式实时通信方法、装置及多无人系统，涉及多无人系统通信技术领域，包括：获取空地无人系统内多个无人平台的初始化信息；根据初始化信息对多个无人平台进行分组，确定每个小组的组长和组员，断开与所有组员的通信连接，其中，组长与所在小组内的各组员建立通信连接；向各组长发布一级调查，其中，各组长基于一级调查向所在小组内的各组员发布二级调查，并响应于所在小组内的各组员针对二级调查做出的二级应答，基于二级应答反馈一级应答；基于来自各组长的一级应答进行处理，并发送控制指令。本发明通过分组构建双层星型网络通信架构，且通过调查和应答的通信模式有效减轻服务器的负载，提升系统的稳定性。

Description

空地无人系统分布式实时通信方法、装置及多无人系统
技术领域
本发明涉及多无人系统通信技术领域，具体而言，涉及空地无人系统分布式实时通信方法、装置及多无人系统。
背景技术
随着无人控制系统各项技术的发展，使得空地协同无人系统具有广泛的应用前景，因而受到越来越多的关注。空地无人系统集成了无人机视野广阔、部署快速和无人车探索能力强、工作隐蔽的特点，在构建地图、区域搜索、以及现代化作战、反恐等领域中得到广泛应用。
在大规模分布式空地无人系统集群中，由于系统通信节点较多，且具有分布式、异构式的特点，各参与者之间的信息交互与信息共享存在着动态改变、数据延迟以及负载过重的风险。而参与者之间能否进行实时且可靠的数据传输是整个空地无人系统任务能否完成的关键。因此多无人系统内部的通信系统，特别是对其中通信方法的设计成为空地无人系统的核心技术之一。
现有的此类多无人系统现中，常用的通信方式为轮询方式。在此种通信方式中，由指挥中心依次发出指令询问单个无人平台，无人平台返回数据，指挥中心收到数据后再发送应答。对于大规模通信集群，系统需不断在每一个体的发送-接收-确认指令间建立一一对应关系，并根据结果进行相应处理。其中，数据的发送接收通常采用的通信模式为常见的发布-订阅模式。但在该模式中，发布端和接收端无法直接实现通信闭环，需要占用额外的资源实现。因此，系统内部通信过程的实现复杂，且占用系统资源大、通信效率低。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题，为达上述目的，第一方面，本发明提供了一种空地无人系统分布式实时通信方法，其包括：
获取空地无人系统内多个无人平台的初始化信息；根据所述初始化信息对多个所述无人平台进行分组，确定每个小组的组长和组员，断开与所有所述组员的通信连接，其中，所述组长与所在小组内的各所述组员建立通信连接；
向各所述组长发布一级调查，其中，各所述组长基于所述一级调查向所在小组内的各所述组员发布二级调查，并响应于所在小组内的各所述组员针对所述二级调查做出的二级应答，基于所述二级应答反馈一级应答；
基于来自各所述组长的所述一级应答进行处理，并发送控制指令。
进一步地，所述一级应答包括所述组长的ID信息；所述基于来自各所述组长的所述一级应答进行处理，并发送控制指令包括：
当接收到来自各所述组长的所述一级应答后，经过第一时长后开始循环排查各所述组长的ID信息是否全部返回；
当确定各所述组长的ID信息均返回时，向各所述组长发送所述控制指令；
当确定有所述组长的ID信息未返回时，进行组长异常处理，以更换发生异常的组长和确定新组长，并向所述新组长发送所在小组的各所述组员的信息。
进一步地，所述一级应答还包括各小组内组长和所述组员的位置信息；所述进行组长异常处理包括：
通过所述发生异常的组长在上一时刻反馈的所在小组内所有组员的位置信息，确定所在小组内距离所述发生异常的组长最近的组员；
确定距离所述发生异常的组长最近的组员为所在小组的所述新组长，并与所述新组长建立通信连接。
进一步地，所述初始化信息包括各所述无人平台的ID信息、身份和任务，其中所述身份指示所述无人平台为组长或组员；所述根据所述初始化信息对多个所述无人平台进行分组，确定每个小组的组长和组员包括：
确定各个所述身份指示为组员的所述无人平台的所述ID信息；
将具有相同所述任务的各个所述身份指示为组员的无人平台确定为同一小组，并将具有相同所述任务的所述身份指示为组长的无人平台确定为该组的组长，以对多个所述无人平台进行分组。
进一步地，所述组长与所在小组内的各所述组员建立通信连接包括：
各所述组长基于nanomsg库中的nn_socket与所在小组内的各所述组员建立通信连接。
进一步地，所述向各所述组长发布一级调查：
基于nanomsg库中的nn_send函数通过所在的套接字向各所述组长发布一级调查，其中，所述套接字通过nanomsg库中的nn_socket建立。
进一步地，所述一级调查包括监控信息和控制指令，所述监控信息用于要求每个所述组长及其所有组员的反馈其环境信息及实时状态，所述控制指令用于控制每个所述无人平台的运行状态。
进一步地，所述各所述组长基于所述一级调查向所在小组内的各所述组员发布二级调查包括：
每个所述组长调用nanomsg库中的nn_recv函数通过所在的套接字接收所述一级调查，其中，所述套接字通过nanomsg库中的nn_socket建立；
每个所述组长在其组内的套接字中基于所述一级调查发布所述二级调查给其每个所述组员。
进一步地，所述二级应答包括所述组员的ID信息；所述响应于所在小组内的各所述组员针对所述二级调查做出的二级应答，基于所述二级应答反馈一级应答包括：
各所述组长对接收到的组员的所述二级应答进行存储并记录，经过第二时长后开始循环排查其组员的所述ID信息是否全部返回；
当确定各所述组员的所述ID信息均返回时，将接收到的所述二级应答发送给所述空地无人系统内指挥中心做出所述一级应答；
当确定有所述组员的所述ID信息未返回时，由所述组长进行组员异常处理，并对所述指挥中心做出所述一级应答。
进一步地，所述由所述组长进行组员异常处理包括：
所述组长根据未返回的组员的所述ID信息判断异常组员的属性；
根据此刻组内其他相同属性的无人平台的位置，确定其与上一时刻所述异常组员的平面距离；
根据所述平面距离进行排序，确定所述平面距离最小的组员的ID信息，所述组长对所述平面距离最小的组员发布控制指令，以对所述异常组员进行支援。
进一步地，所述基于来自各所述组长的所述一级应答进行处理，并发送控制指令之后，还包括：
根据所述一级应答对多个所述无人平台重新进行动态分组，直至任务完成。
进一步地，所述根据所述一级应答对多个无人平台重新进行动态分组包括：
根据每个所述组员与其组长的距离重新调整分组，或向所述空地无人系统添加新的小组，或向所述空地无人系统添加新的组员；
对所述一级应答进行处理时，记录新的成员信息，完成动态分组。
为达上述目的，第二方面，本发明提供了一种空地无人系统分布式实时通信装置，其包括：
获取模块，用于获取空地无人系统内多个无人平台的初始化信息；根据所述初始化信息对多个所述无人平台进行分组，确定每个小组的组长和组员，断开与所有所述组员的通信连接，其中，所述组长与所在小组内的各所述组员建立通信连接；
处理模块，用于向各所述组长发布一级调查，其中，各所述组长基于所述一级调查向所在小组内的各所述组员发布二级调查，并响应于所在小组内的各所述组员针对所述二级调查做出的二级应答，基于所述二级应答反馈一级应答；
控制模块，用于基于来自各所述组长的所述一级应答进行处理，并发送控制指令。
使用本发明的空地无人系统分布式实时通信方法或装置，通过对无人平台分组和设置组长来构建双层星型网络的通信架构，由指挥中心与组长通信，由组长与组员通信，通过发布调查和应答的通信模式，具有简单高效且灵活的特点，允许服务器在一个单一的请求里同时检查多个客户端的状态，以解决传统的发布订阅模式的双向来回应答的繁琐性和不确定性以及请求回应模式仅支持一对一请求应答的局限性，并可有效减轻服务器的负载，并使整个系统负载均衡，提升系统的稳定性和鲁棒性。且本发明的局部编队模式在局部小范围内形成信息交流，可实现小范围完成特定任务以及个别无人平台出现故障时组内紧急支援的功能；自组编队模式允许系统内无人平台的动态添加或删除，有效提高系统的动态灵活性。且本发明采用nanomsg平台，基于纯c代码实现，省去了对c++库的依赖，更加简洁高效，在嵌入式平台中具有良好应用。
为达上述目的，第三方面，本发明提供了一种空地无人系统分布式实时通信装置，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，当所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上所述的空地无人系统分布式实时通信方法。
根据本发明的空地无人系统分布式实时通信装置，具有与根据本发明第一方面的空地无人系统分布式实时通信方法具有类似的有益效果，在此不再赘述。
为达上述目的，第四方面，本发明提供了一种多无人系统，其包括：
如上所述的空地无人系统分布式实时通信装置以及多个无人平台，所述无人平台包括无人机和无人车。
使用本发明的多无人系统，通过根据各无人平台的任务进行分组，各个组通过设立组长收集各个组员的环境信息以及状态信息反馈给指挥中心做统一处理，指挥中心不直接与各个组员进行直接通信，而是通过组长进行间接通信。且本发明可实行动态分组，并允许工作过程中临时动态加入小组或组员，保证整个系统资源利用率的最大化和当前编队通信模式的灵活性。从而保证在空地无人系统通信性能的安全性、可靠性、高效性、灵活性以及实时性。
附图说明
图1为根据本发明实施例的空地无人系统分布式实时通信方法的流程示意图；
图2为根据本发明实施例的空地无人系统的结构示意图；
图3为根据本发明实施例的无人平台分组的流程示意图；
图4为根据本发明实施例的指挥中心与各个无人平台间的信息交流示意图；
图5为根据本发明实施例的一问多回通信模式的工作示意图；
图6为根据本发明实施例的组员异常处理的流程示意图；
图7为根据本发明实施例的指挥中心进行一级应答处理的流程示意图；
图8为根据本发明实施例的组长异常处理的流程示意图；
图9为根据本发明实施例的空地无人系统分布式实时通信装置的结构示意图；
图10为根据本发明实施例的多无人系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述根据本发明的实施例，描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的要素。要说明的是，以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表本发明的所有实施方式。它们仅是与如权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的装置和方法的例子，本发明的范围并不局限于此。在不矛盾的前提下，本发明各个实施例中的特征可以相互组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
由于空地无人协同系统具有非常广阔的应用前景，受到了世界各国的广泛关注。无人机相对于载人飞机，具有体积小、造价低、对环境要求低、能有效适应复杂环境等优点。且在危险环境执行任务时不需考虑人员安全问题。随着地面机器人技术和导航规划、智能控制等技术的日趋成熟，无人车的发展也受到了普遍的重视。在人员无法接近或高度危险的区域，无人车可以代替人员进入情况不明或者人难以进入的场合去查明现场情况、取回样本以及处理高危险性事件,等，避免操作人员直接暴露在危险环境中，大大减少人员伤亡。
但是无人机大多存在工作时间较短、负载较轻等问题，无法对地面目标进行精确观测；无人车在地面工作主要存在视野较小、对周围的环境没有一个比较宏观的掌握的缺点。空地协同系统可以很好地弥补无人机、无人车各自工作时的缺点，有效融合二者的优势来完成多种不同任务。
现有的大规模分布式空地无人系统集群中，由于系统通信节点较多，且呈分布式、异构式的特点，各无人平台之间的信息交互与信息共享存在着动态改变、数据延迟、负载过重的风险。各无人平台之间能否进行实时且可靠的数据传输是整个空地系统任务能否完成的关键，因而有效保证整个空地系统内部的实时稳定的通信成为亟待解决的问题。现有的无人空地系统常采用轮询方式进行通信。在此种方式中，由指挥中心依次发出指令询问单个无人平台，无人平台返回数据，指挥中心收到后再发送应答。对于大规模通信集群，系统需不断在每一个体的发送-接收-确认指令间建立一一对应关系，并根据结果进行相应处理。因此对各种数据的处理过程复杂，大量占用系统资源大并且效率低下。
本发明提出一种基于nanoMsg通信框架的、可适用于大规模分布式空地无人系统集群的实时通信方法，解决了空地无人系统中通信节点较多、通信方式复杂以及通信周期长造成的动态改变、数据延迟、负载过重等难题，具有简单，灵活，可靠，实时的特点。通过指挥中心同时获取多个子平台的环境信息以及当前状态的实时反馈，并且要求各个子平台在接收到指挥中心的控制指令之后能够在有限时间之内做出有效反馈，保证整个通信过程的安全性和可靠性。同时由于任务需求以及单点故障存在的可能性，集群中部分个体可形成一对一或小规模网络，在局部网络内进行高效通信。
图1所示为根据本发明实施例的空地无人系统分布式实时通信方法的流程示意图，包括步骤S1至S3。
在步骤S1中，获取空地无人系统内多个无人平台的初始化信息；根据所述初始化信息对多个所述无人平台进行分组，确定每个小组的组长和组员，断开与所有所述组员的通信连接，其中，所述组长与所在小组内的各所述组员建立通信连接。图2所示为根据本发明实施例的空地无人系统的结构示意图，包括指挥中心和多个无人平台，其中，无人平台包括无人机和无人车。在本发明实施例中，在初始时刻，所述指挥中心与每个所述无人平台均建立通信连接，获取并记录其所述初始化信息，其中，所述初始化信息包括每个所述无人平台的ID、身份以及任务，身份用于指示所述无人平台为组长或组员。在本发明实施例中，指挥中心通过使用nanomsg库中的nn_socket与每个无人平台建立连接。以下给出一个初始化信息的具体示例，可以理解的是，本发明并不以此为限。
设计无人平台的ID是为了区分各个无人平台，方便任务分发与状态监控。在本发明实施例中，ID由两部分组成：
|属性|编号|
其中，属性用于区分无人机和无人车，编号代表不同的无人平台。
在本发明实施例中，身份包含组长和组员两种，在本发明实施例中，组长和组员由于身份的不同，承担着不同的工作。结合空地无人系统的特点，系统中无人机视角广阔，获取的平面信息丰富，无人车采集环境信息更具体，侦察时隐蔽性好，可用于执行具体任务，因此每组的组长身份均由无人机担任，且每组需要至少一个无人车配合工作。如图2所示，组长用于与指挥中心进行通信连接，帮助指挥中心平均负载；每个组员与其组长进行通信连接，组员在执行任务过程中可能由于组长出现异常变为组长身份。
在本发明实施例中，根据整个空地无人系统所要执行的具体任务场景，初始任务的划分方法不同，以下列举几种常见应用场景的初始任务划分方法，但并不以此为限。
1、空地无人区域侦察系统
对于侦察系统来说，需要无人平台对特定区域进行侦察，同时在侦查过程中需要对侦察路径的周围进行监视工作，以防止敌方突然的袭击等等。因此可以将当前无人平台按照侦察任务需求分为前锋侦察组一、前锋侦察组二……，以及监控防卫组一、监控防卫组二……等。
2、空地无人定点爆破系统
对于定点爆破系统来说，需要对当前区域不同位置的敌方阵营进行爆破任务，为防止敌方发现，最好同时爆破，因此需要当前无人平台按照不同爆破点的方向分为A点爆破组一、B点爆破组二、C点爆破组三……等。
3、空地无人协同建图与导航系统
对于协同建图与导航系统来说，需要无人平台完成对未知区域的探索以及导航任务，因此为了得到更加全面的地图信息，需要对当前无人平台按照可探索的所有方向分为A方向探索组一、B方向探索组二、C方向探索组三……等。
可以理解的是，各无人平台的身份以及任务可由操作人员事先写入，然后指挥中心通过通信获取每个无人平台的初始化信息，再根据当前初始化信息进行分组。
在本发明实施例中，根据所述初始化信息对多个所述无人平台进行分组，确定每个小组的组长和组员，断开与所有所述组员的通信连接，其中，所述组长与所在小组内的各所述组员建立通信连接。在本发明实施例中，在各无人平台确认身份和任务后，无人平台开始分组，整个系统形成局部自组编队通信架构。图3所示为根据本发明实施例的无人平台分组的流程示意图，包括步骤S21至S22。
在步骤S21中，确定各个所述身份指示为组员的所述无人平台的所述ID信息。在本发明实施例中，通过获取初始化信息中的身份信息确定各个身份为组员的无人平台的ID。
在步骤S22中，将具有相同任务的各个所述身份指示为组员的无人平台确定为同一小组，并将具有相同任务的所述身份指示为组长的无人平台确定为该组的组长，以对多个所述无人平台进行分组。在本发明实施例中，如果多个身份为组员的无人平台的任务相同，则确认为同一组成员。再确定任务相同的组长，完成对无人平台的分组。
本发明实施例的局部自组编队的通信架构，解决了空地无人系统中多无人平台通信造成的服务器负载过重问题，实现了负载均衡，提升了系统的鲁棒性，保证了无人机和无人车在系统中的合理分配。同时该模式在局部形成编队，实现了无人平台之间的局部信息交流，保证了无人机和无人车在编队内能够发挥各自的优势。
在本发明实施例中，建立每个所述组员与其组长的通信连接，并断开每个所述组员与所述空地无人系统内指挥中心的通信连接。其中，各所述组长基于nanomsg库中的nn_socket与所在小组内的各所述组员建立通信连接。在本发明实施例中，组长根据任务是否相同确定本组成员后，通过套接字(socket)与每个组员建立通信连接。可以理解的是，只要能在各个通信节点间建立有效、可靠连接均可以。而使用套接字能更好的基于nanomsg消息队列进行通信传输。使用套接字的有益效果为：传输数据为字节级，传输数据可自定义；传输数据时间短，性能高；适合于客户端和服务器端之间信息实时交互；可以加密，数据安全性强。
在本发明实施例中，每个所述组员确认对方为其组长后，同意建立所述通信连接。在本发明实施例中，每个组员通过任务与身份确定对方是否为其组长：当对方任务与自己相同，且身份为组长时，则确定对方为自己的组长。确定组长后，每个组员同意与其组长建立通信连接。
本发明实施例选取开源程度高且可靠性高的基于nanoMsg消息队列的平台，该平台独立于底层物理通信结构，具有更好的灵活性和可靠性，适用于大规模集群系统的实时通信。
图4所示为根据本发明实施例的指挥中心与各个无人平台间的信息交流示意图。当每一个组员同意与组长建立通信连接后，则断开与指挥中心的通信连接。当所有组长与组员确定连接关系后，通过指挥中心将形成双层星型网络，整个系统形成自组编队通信架构进行分布式实时通信。可以理解的是，本发明实施例也可以将双层星型网络拓扑扩展成更多层的星型网络拓扑，以减轻服务器负载。此时信息传输层级变多，但组长、组员的传输逻辑不变。
在步骤S2中，向各所述组长发布一级调查，其中，各所述组长基于所述一级调查向所在小组内的各所述组员发布二级调查，并响应于所在小组内的各所述组员针对所述二级调查做出的二级应答，基于所述二级应答反馈一级应答。在本发明实施例中，基于上述构建的双层星型网络拓扑，由指挥中心发布给各组长的调查为一级调查，由各组长发布给其组员的调查为二级调查。在本发明实施例中，发布的一级调查可包括监控信息和控制指令，监控信息用于要求反馈每个组长及其所有组员的环境信息及实时状态，控制指令用于控制每个无人平台的运行状态。在本发明实施例中，指挥中心通过调用nanomsg库中的nn_send函数向所在的套接字(socket)中发布一级调查，要求各组长包括所在组员反馈地图信息及实时状态，等待应答。
在本发明实施例中，指挥中心发布的一级调查的消息内容由以下标志位组成：
|Flag_1|L-ID|M-ID|Message|
其中，Flag_1：为0代表收集信息，为1代表发送控制指令。
L-ID：代表所在组(组长ID)，其中ID为ALL表示所有组，否则表示特定组。
M-ID：代表组员ID，其中ID为ALL时表示该组所有成员，否则表示特定无人平台。
Message：代表具体的信息或者指令，其中，信息为:时间戳、位置、速度、环境信息；控制指令为：方向、速度、任务。
按照上述标志位，指挥中心在发布一级调查收集地图信息以及状态信息时发布的具体内容例如为：
|0|ALL|ALL|时间戳|位置|速度|环境信息|
在本发明实施例中，指挥中心在发布一级调查后，设置截止时间time_1(例如1s)，进入等待各组长应答阶段。
在本发明实施例中，各所述组长基于所述一级调查向所在小组内的各所述组员发布二级调查。在本发明实施例中，指挥中心发布一级调查之后，各组长通过调用nanomsg库中的nn_recv函数接收socket中的消息后进行处理，并在各组内socket中发送二级调查给各自组员，等待应答。可以理解的是，所述二级调查基于上述一级调查，同样可包括监控信息和控制指令。
在本发明实施例中，各组长通过调用nanomsg库中的nn_recv函数接收socket上的消息，通过判断调查的内容是否为自己的组、自己的组员，并判断是监控信息或者是控制指令后，向组内socket发送二级调查，发送的消息格式为：
|Flag_1|L-ID|Message|
其中，Flag_1：为0代表收集信息，为1代表发送控制指令。
L-ID：代表组员ID，其中ID为ALL表示该组所有成员，否则表示特定无人平台。
Message：代表具体的信息或者指令，其中，信息为：时间戳、位置、速度、环境信息；控制指令为：方向、速度、任务。
按照上述标志位，各组长发布的二级调查的具体内容例如为：
|0|ALL|时间戳|位置|速度|环境信息|
在本发明实施例中，各组长发布二级调查后，设置截止时间time_2(例如500ms)，进入等待组员应答阶段。
在本发明实施例中，各所述组长响应于所在小组内的各所述组员针对所述二级调查做出的二级应答，基于所述二级应答反馈一级应答。在本发明实施例中，各组长发布组内二级调查后，各组员通过接收组内socket信息后，整理本机信息，对其做出二级应答。
在本发明实施例中，组员根据自己ID判断接收的是何种调查信息，如果发送到自己的是监控信息，则对其进行应答，按照时间戳、位置、速度、环境信息的信息格式去将信息打包发送到socket内，并回复组长，然后清空缓存地图的缓存区，重新开始采集地图点。如果发送到自己的是控制指令，则按照控制指令内容更新当前任务，然后按照控制指令中的方向、速度输出给底层驱动系统，应答一个标志位OK代表收到并执行具体指令。
在本发明实施例中，各组员对组长发送的二级调查做出二级应答之后，各组长响应于二级应答，对指挥中心做出一级应答。在本发明实施例，所述二级应答包括所述组员的ID信息，用于排查是否有组员发生通信异常。其中，组长对各组员的二级应答作出处理，正常情况下收集组员反馈的地图信息和状态信息，打包反馈给指挥中心。以下给出一个示例以更好的解释本发明，但并不以此为限。
组长根据各组员回馈的信息，如果是环境和状态信息，则建立缓存区，例如可按照以下格式进行信息的存储和记录：
|监控信息标志位|组别|组员ID|时间戳|位置|速度|环境信息|
对在本发明实施例中，当第二时长(例如定时器time_2的时间被击中)后，开始循环排查其组员ID是否全部返回。若所有组员ID均返回，说明每个组员都做出了二级应答，此时将缓存区内容打包发送给指挥中心所在socket，完成本次对指挥中心的一级应答。
在本发明实施例中，若排查发现某个组员ID未返回，则认为有组员发生通信异常，组长进行组员异常处理，支援故障组员。
图5所示为根据本发明实施例的一问多回通信模式的工作示意图，一个测量者可以连接很多应答者，而一个应答者只能连接一个测量者。在本发明实施例中，指挥中心作为测量者可以连接很多组长，而每个组长作为应答者，都只能连接指挥中心，组长之间不通信。组长与组员的关系亦是如此：每个小组内建立通信网络，组员间并不相互通信，而是都只与组长通信，实现信息共享，由此以减少系统额外通信开销。
在本发明实施例中，测量者用于发送调查，调查指的是测量者期望从各个应答者处返回的信息序列，然后该调查将发送给所有关联的应答者。发送调查后，使用套接字接收响应。测量者发送调查时同时设置与调查相关的超时，指定等待调查答复的时间，称之为截止日期。截止日期以毫秒为单位，默认值为1000(即1秒)。当调查截止日期到期时，接收将返回超时错误，对应的应答者认为其出现异常。应答者则用于回应调查，使用接收功能接收调查，使用发送功能发送响应。此套接字最多可以连接到一个对等方。在本发明实施例中，每个测量者可发布调查给多个应答者并接收多个应答回复。并根据应答回复情况判断是否有应答者发生异常，例如当超过预设时长时某个无人平台还未应答回复，则认为该无人平台发生通信异常。
在本发明实施例中，在组长对组员的二级应答进行处理过程中，如果组长循环排查时发现缺少某个ID，表示此时该ID对应的无人平台还未返回二级应答，则认为该ID对应的无人平台出现通信连接故障，将其确定为异常组员。此时组长需进行组员异常处理。图6所示为根据本发明实施例的组员异常处理的流程示意图，包括步骤S61至S63。
在步骤S61中，所述组长根据未返回的组员ID判断异常组员的属性，例如为无人机或无人车。
在步骤S62中，获取此刻组内其他相同属性的无人平台的位置，并根据属性相同的各无人平台的位置，确定其与异常组员上一时刻位置的平面距离。在本发明实施例中，根据组内相同属性的各无人平台的位置(xID，yID)与异常组员的位置(xfault，yfault)进行计算，得到平面距离disID：
disID＝(xID-xfault)2+(yID-yfault)2
在步骤S63中，根据所述平面距离进行排序，确定所述平面距离最小的组员的ID，所述组长对所述平面距离最小的组员发布控制指令，以对所述异常组员进行支援。在本发明实施例中，通过将计算确定的多个平面距离进行排序，得到最小距离的无人平台的ID，组长对其发布如下所示的控制指令，对异常组员进行支援：
|控制指令标志位|组别|组员ID|任务|方向|速度|
此时该组长反馈给指挥中心的对应于该组员的信息为：
|监控信息标志位|组别|组员ID|故障|
然后同样打包发送给指挥中心所在socket，完成本次对组员的异常处理以及对指挥中心的一级应答。
本发明实施例的发布调查的通信方法，解决了多无人系统中由于通信节点较多，通信方式复杂造成的通信周期长，数据延迟等问题，又解决了传统的发布订阅模式的双向来回应答的繁琐性和不确定性以及请求回应模式仅支持一对一请求应答的局限，保证了系统的简洁性和实时性。
可以理解的是，在本发明实施例中，支援指根据无人平台的具体功能，帮助异常组员排除意外情况，例如帮助其完成硬件重启操作。如果重启失败或者在组内已经没有相同属性的其他无人平台可进行支援，此时指挥中心显示消息告知操作人员，派新的无人平台加入整个系统进行支援。如果不具备条件，则放弃支援。
在步骤S3中，基于来自各组长的所述一级应答做出处理，并发送控制指令。图7所示为根据本发明实施例的指挥中心进行一级应答处理的流程示意图，包括步骤S71至S73。
在步骤S71中，当接收到来自各所述组长的所述一级应答后，经过第一时长(例如定时器time_1的时间被击中)后，开始循环排查各所述组长ID是否全部返回。在本发明实施例，所述一级应答包括所述组长的ID信息，用于排查是否有组长发生通信异常。
在步骤S72中，当确定各所述组长的ID信息均返回时，向各所述组长发送所述控制指令。当确定各所述组长ID信息均返回时，表示每个组长均作出了一级响应，所有组长都可保持正常的通信连接，所述指挥中心向各组长发送所述控制指令。在本发明实施例中，指挥中心对各组长的一级应答做出处理，正常情况下执行的操作为收集环境信息，更新系统中各无人平台状态信息。
在本发明实施例中，指挥中心在等待一级应答时间内，接收来自各组长的一级应答消息，循环排查每一个组长的消息包，将其消息进行解包、分类、更新所有组员当前的状态信息，同时收集所有组员的位置以及对应的地图点的信息，通过协同建图算法构建当前探索到的区域的点云地图，然后利用路径规划算法计算对应每一个ID位置的规划路径，生成对应于每一个ID的控制指令。控制指令的具体内容例如可为如下所示：
|1|组长ID|组员ID|方向|速度|任务|
在步骤S73中，当确定有所述组长ID信息未返回时，进行组长异常处理，已更换发生异常的组长和确定新组长，并向所述新组长发送所在小组的各所述组员的信息。在本发明实施例中，指挥中心对组长应答进行处理过程中，在循环排查组长ID发现缺少某个组长ID，即超过第一时长还未收到某组长的一级应答时，则认为该组长出现通信故障，由指挥中心进行组长异常处理，更换组长和确定新组长。图8所示为根据本发明实施例的组长异常处理的流程示意图，包括步骤S731至S732。
在步骤S731中，通过所述发生异常的组长上一时刻反馈所在小组内所有组员的位置信息，确定所在小组内距离所述发生异常的组长最近的组员。在本发明实施例中，指挥中心通过上一时刻该组反馈回来的位置信息，计算该组内其他无人机与发生异常的组长的距离，并确定与发生异常的组长距离最近的无人机。
在步骤S732中，确定距离所述发生异常的组长最近的组员为所在小组的所述新组长，并与所述新组长建立通信连接。在本发明实施例中，指挥中心通过最开始记录的连接地址对上述确定的无人机进行跨组长紧急连接，任命其为该组新的组长，将其身份更改为组长，然后将该组其他组员的信息同步给新组长，同时给新组长发送支援前组长的控制指令。
在本发明实施例中，对应无人机接收到指挥中心紧急连接后，同意建立通信连接，并且根据指挥中心同步的组内信息对组内其它无人平台进行通信连接的建立，完成更换组长的操作，然后根据控制指令支援前组长。
在本发明实施例中，在步骤S4之后，还包括：由所述指挥中心根据各组长的一级应答对多个所述无人平台重新进行动态分组，直至任务完成。在本发明实施例中，动态分组包括根据每个所述组员与其组长的距离重新调整分组，或向所述空地无人系统添加新的小组，或向所述空地无人系统添加新的组员。
在本发明实施例中，指挥中心在记录了各个组员包括组长的位置之后，对整个系统的分组以及任务做统筹规划。这里不要求每次对一级应答都做分组处理，因此采用计数方法，进入一次一级应答则计数器加一，当达到指定次数(例如10次)时，通过设置判断语句，进入规划分组的处理，具体的动态分组方法如下：
对每个组员不分属性的分别计算其与自己组长和其他组长的平面距离，平面距离即忽略Z轴的高度，只去利用坐标中的X和Y计算距离。假设有10个小组，组长ID分别为G1、G2……G10，组员ID为L1、L2……，则针对每一个组员计算其到G1至G10的平面距离：
Figure BDA0002494284030000171
比较disL1G1至disL1G10得到其中最小的距离，判定其是否对应为自己组长，若是，则任务不变，如不是，则更换任务，更换组长。指挥中心记录更改小组信息，将其写入控制命令发到socket，等待应答。
在本发明实施例中，如果执行任务过程中临时需要加入新的小组，则直接由指挥中心同该组组长建立连接，在下一次指挥中心发布一级调查并且对各组长的一级应答做统一处理时，记录该组各成员信息，作为新的组，对其发布控制指令，完成新晋小组的动态加入。
在本发明实施例中，如果在任务执行过程中需要向某组临时加入新的组员，则先由该组员与指挥中心建立通信连接，指挥中心按任务将其分到对应的组，与组长建立连接，然后与指挥中心断开通信连接。在指挥中心发布一级调查并对一级应答做统一处理时，记录各组各成员最新信息，完成新晋组员的动态加入。
采用本发明实施例的空地无人系统分布式实时通信方法，通过对无人平台分组和设置组长来构建双层星型网络的通信架构，由指挥中心与组长通信，由组长与组员通信，通过发布调查和应答的通信模式，具有简单高效且灵活的特点，允许服务器在一个单一的请求里同时检查多个客户端的状态，以解决传统的发布订阅模式的双向来回应答的繁琐性和不确定性以及请求回应模式仅支持一对一请求应答的局限性，并可有效减轻服务器的负载，并使整个系统负载均衡，提升系统的稳定性和鲁棒性。且本发明的局部编队模式在局部小范围内形成信息交流，可实现小范围完成特定任务以及个别无人平台出现故障时组内紧急支援的功能；自组编队模式允许系统内无人平台的动态添加或删除，有效提高系统的动态灵活性。且本发明采用nanoMsg平台，基于纯c代码实现，省去了对c++库的依赖，更加简洁高效，在嵌入式平台中具有良好应用。
本发明第二方面的实施例还提供了一种空地无人系统分布式实时通信装置。图9所示为根据本发明实施例的空地无人系统分布式实时通信装置900的结构示意图，包括获取模块901、处理模块902以及控制模块903。
获取模块901用于获取空地无人系统内多个无人平台的初始化信息；根据所述初始化信息对多个所述无人平台进行分组，确定每个小组的组长和组员，断开与所有所述组员的通信连接，其中，所述组长与所在小组内的各所述组员建立通信连接。
处理模块902用于向各所述组长发布一级调查，其中，各所述组长基于所述一级调查向所在小组内的各所述组员发布二级调查，并响应于所在小组内的各所述组员针对所述二级调查做出的二级应答，基于所述二级应答反馈一级应答。
控制模块903用于基于来自各所述组长的所述一级应答进行处理，并发送控制指令。
所述空地无人系统分布式实时通信装置900的各个模块的更具体实现方式可以参见对于本发明的空地无人系统分布式实时通信方法的描述，且具有与之相似的有益效果，在此不再赘述。
本发明第三方面的实施例提出了一种空地无人系统分布式实时通信装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，当所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上所述的空地无人系统分布式实时通信方法。
本发明第四方面的实施例提出了一种多无人系统。图10所示为根据本发明实施例的多无人系统1000的结构示意图，包括多个无人平台1001和空地无人系统分布式实时通信装置1002。
多个无人平台1001包括无人机和无人车，用于执行多种任务。
空地无人系统分布式实时通信装置1002用于保证系统进行实时通信，在本发明实施例中，所述空地无人系统分布式实时通信装置1002为如上所述的指挥中心。
在本发明实施例中，无人平台根据具体任务进行分组，各个组通过设立组长收集各个组员的环境信息以及状态信息反馈给指挥中心做统一处理，指挥中心不直接与各个组员进行直接通信，而是通过组长进行间接通信。各个编队内部建立局部通信网络，一旦组内某个组员出现故障，可由组长指挥组内距离最近的无人平台进行紧急支援。一旦组长出现故障，将由指挥中心选取距离组长最近的组员成为新组长，并且对出现状况的前组长进行支援。
在本发明实施例中，指挥中心每隔一段时间对当前通信网络中所有无人平台进行位置与任务的统筹，根据目前所在区域的位置，重新规划各小组编制，进行各编队之间组员的交换、输入、输出，以此保证整个系统资源利用率的最大化和当前编队通信模式的灵活性。同时该编队模式允许工作过程中临时动态加入小组或组员。
采用本发明实施例的多无人系统，通过根据各无人平台的任务进行分组，各个组通过设立组长收集各个组员的环境信息以及状态信息反馈给指挥中心做统一处理，指挥中心不直接与各个组员进行直接通信，而是通过组长进行间接通信。且本发明可实行动态分组，并允许工作过程中临时动态加入小组或组员，保证整个系统资源利用率的最大化和当前编队通信模式的灵活性。从而保证在空地无人系统通信性能的安全性、可靠性、高效性、灵活性以及实时性。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，应当理解的是，上述实施例是示例性的，不能解释为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (15)

1.一种空地无人系统分布式实时通信方法，其特征在于，包括：
获取空地无人系统内多个无人平台的初始化信息；根据所述初始化信息对多个所述无人平台进行分组，确定每个小组的组长和组员，断开与所有所述组员的通信连接，其中，所述组长与所在小组内的各所述组员建立通信连接；
向各所述组长发布一级调查，其中，各所述组长基于所述一级调查向所在小组内的各所述组员发布二级调查，并响应于所在小组内的各所述组员针对所述二级调查做出的二级应答，基于所述二级应答反馈一级应答；
基于来自各所述组长的所述一级应答进行处理，并发送控制指令。
2.根据权利要求1所述的空地无人系统分布式实时通信方法，其特征在于，所述一级应答包括所述组长的ID信息；所述基于来自各所述组长的所述一级应答进行处理，并发送控制指令包括：
当接收到来自各所述组长的所述一级应答后，经过第一时长后开始循环排查各所述组长的所述ID信息是否全部返回；
当确定各所述组长的所述ID信息均返回时，向各所述组长发送所述控制指令；
当确定有所述组长的所述ID信息未返回时，进行组长异常处理，以更换发生异常的组长和确定新组长，并向所述新组长发送所在小组的各所述组员的信息。
3.根据权利要求2所述的空地无人系统分布式实时通信方法，其特征在于，所述一级应答还包括各小组内组长和所述组员的位置信息；所述进行组长异常处理包括：
通过所述发生异常的组长在上一时刻反馈的所在小组内所有组员的位置信息，确定所在小组内距离所述发生异常的组长最近的组员；
确定距离所述发生异常的组长最近的组员为所在小组的所述新组长，并与所述新组长建立通信连接。
4.根据权利要求1所述的空地无人系统分布式实时通信方法，其特征在于，所述初始化信息包括各所述无人平台的ID信息、身份和任务，其中所述身份指示所述无人平台为组长或组员；所述根据所述初始化信息对多个所述无人平台进行分组，确定每个小组的组长和组员包括：
确定各个所述身份指示为组员的所述无人平台的所述ID信息；
将具有相同所述任务的各个所述身份指示为组员的无人平台确定为同一小组，并将具有相同所述任务的所述身份指示为组长的无人平台确定为该组的组长，以对多个所述无人平台进行分组。
5.根据权利要求1所述的空地无人系统分布式实时通信方法，其特征在于，所述组长与所在小组内的各所述组员建立通信连接包括：
各所述组长基于nanomsg库中的nn_socket与所在小组内的各所述组员建立通信连接。
6.根据权利要求1所述的空地无人系统分布式实时通信方法，其特征在于，所述向各所述组长发布一级调查：
基于nanomsg库中的nn_send函数通过所在的套接字向各所述组长发布一级调查，其中，所述套接字通过nanomsg库中的nn_socket建立。
7.根据权利要求6所述的空地无人系统分布式实时通信方法，其特征在于，所述一级调查包括监控信息和控制指令，所述监控信息用于要求每个所述组长及其所有组员的反馈其环境信息及实时状态，所述控制指令用于控制每个所述无人平台的运行状态。
8.根据权利要求1所述的空地无人系统分布式实时通信方法，其特征在于，所述各所述组长基于所述一级调查向所在小组内的各所述组员发布二级调查包括：
每个所述组长调用nanomsg库中的nn_recv函数通过所在的套接字接收所述一级调查，其中，所述套接字通过nanomsg库中的nn_socket建立；
每个所述组长在其组内的套接字中基于所述一级调查发布所述二级调查给其每个所述组员。
9.根据权利要求1所述的空地无人系统分布式实时通信方法，其特征在于，所述二级应答包括所述组员的ID信息；所述响应于所在小组内的各所述组员针对所述二级调查做出的二级应答，基于所述二级应答反馈一级应答包括：
各所述组长对接收到的组员的所述二级应答进行存储并记录，经过第二时长后开始循环排查其组员的所述ID信息是否全部返回；
当确定各所述组员的所述ID信息均返回时，将接收到的所述二级应答发送给所述空地无人系统内指挥中心做出所述一级应答；
当确定有所述组员的所述ID信息未返回时，由所述组长进行组员异常处理，并对所述指挥中心做出所述一级应答。
10.根据权利要求9所述的空地无人系统分布式实时通信方法，其特征在于，所述由所述组长进行组员异常处理包括：
所述组长根据未返回的组员的所述ID信息判断异常组员的属性；
根据此刻组内其他相同属性的无人平台的位置，确定其与上一时刻所述异常组员的平面距离；
根据所述平面距离进行排序，确定所述平面距离最小的组员的ID信息，所述组长对所述平面距离最小的组员发布控制指令，以对所述异常组员进行支援。
11.根据权利要求1所述的空地无人系统分布式实时通信方法，其特征在于，所述基于来自各所述组长的所述一级应答进行处理，并发送控制指令之后，还包括：
根据所述一级应答对多个所述无人平台重新进行动态分组，直至任务完成。
12.根据权利要求11所述的空地无人系统分布式实时通信方法，其特征在于，所述根据所述一级应答对多个无人平台重新进行动态分组包括：
根据每个所述组员与其组长的距离重新调整分组，或向所述空地无人系统添加新的小组，或向所述空地无人系统添加新的组员；
对所述一级应答进行处理时，记录新的成员信息，完成动态分组。
13.一种空地无人系统分布式实时通信装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取空地无人系统内多个无人平台的初始化信息；根据所述初始化信息对多个所述无人平台进行分组，确定每个小组的组长和组员，断开与所有所述组员的通信连接，其中，所述组长与所在小组内的各所述组员建立通信连接；
处理模块，用于向各所述组长发布一级调查，其中，各所述组长基于所述一级调查向所在小组内的各所述组员发布二级调查，并响应于所在小组内的各所述组员针对所述二级调查做出的二级应答，基于所述二级应答反馈一级应答；
控制模块，用于基于来自各所述组长的所述一级应答进行处理，并发送控制指令。
14.一种空地无人系统分布式实时通信装置，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，当所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-12中任一项所述的空地无人系统分布式实时通信方法。
15.一种多无人系统，其特征在于，包括：如权利要求14所述的空地无人系统分布式实时通信装置以及多个无人平台，所述无人平台包括无人机和无人车。
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