CN112672289B - 一种无人机集群组网通信系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机集群组网通信系统和方法，其中，集群通信收发模块从通信使能控制模块接收信息；集群通信收发模块从集群控制算法模块接收信息，将该信息编码并发送给组网通信模组；通信时隙管理模块统一调度，调用通信网络维护模块对网络通信节点编号列表维护，调用通信使能控制模块对组网通信模组的信息进行接收和过滤，调用集群通信收发模块对接收信息进行解析和对发送信息进行编码，将解析后的信息传递给集群控制算法模块，以及将编码完的信息传递给组网通信模组。采用带通信时隙协调的广播式通信实现组网通信网络内通信节点之间相互通信，通信节点数量便捷增加，通信节点有序发送信息。

Description

一种无人机集群组网通信系统和方法

技术领域

本发明涉及无人机集群控制与组网通信技术领域，具体涉及一种无人机集群组网通信系统和方法。

背景技术

无人机集群是由若干具有相同构型和功能的同构无人机，或具有不同构型或不同功能的异构无人机组成的群体。无人机集群系统是一种包括无人机集群、地面控制站、集群通信系统、集群控制软件等组成的可完成特殊任务的复杂系统。无人机集群由地面控制系统控制或机载自主控制系统控制，可以完成各种复杂的任务，在大面积测绘、农业植保、飞行表演等民用领域，以及协同侦察、协同打击等军用领域有着广泛应用。

现有的无人机集群系统采用的控制形式分为集中式、分布式，其中集中式是目前实现应用最多的一种形式，而其控制形式主要取决于集群组网通信方式。在无人机集群集中式控制方面，CN110597285A提出一种适应大规模无人机集群控制系统，采用一个集群控制站和多个地面站模式的集中式通信方式，实现成倍扩大现有普通无人机编队规模，该系统内的无人机之间没有直接交互，对地面站控制指令和通信系统可靠性依赖较大。在无人机集群分布式控制方面，CN110554709A提出一种分布式仿生多智能体自主集群控制方法，无人机之间以及无人机与地面站之间可以进行信息交换；CN110865653A提出一种分布式集群无人机队形变换方法，通过无人机通信共享实现无人机队形设计、形成与保持、队形变换。现有的无人机集群分布式组网通信多采用时分多址和广播通信方式，其中时分多址通信采用轮询方式通信，当集群内无人机数量越多时通信时延越大，且不利于集群无人机数量的扩充，而广播式通信方式存在多个通信节点同时发送消息的情况，会由于收发冲突导致信息丢失。

发明内容

本发明的目的在于克服现有无人机集群分布式组网通信方式存在时延大、集群无人机数量扩展不便以及广播通信冲突等不足，提供一种无人机集群组网通信系统和方法，用于集群无人机之间可靠高效通信。本发明的有益效果为1)采用带通信时隙协调的广播式通信实现组网通信网络内通信节点之间相互通信，通信节点数量便捷增加，通信节点有序发送信息，以及任意多个通信节点均能接收广播信息，有效减少信息发送冲突以及通信延时；2)采用通信使能功能滤掉无效信息，降低通信解析处理负担，提高组网通信系统抗干扰能力；3)采用应答式通信方式，可选择性地在重要通信信息中加入应答内容，通过接收方的应答情况确定信息是否发送成功以及对需求信息的查询，确保重要信息可靠传输，降低通信带宽占用。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种无人机集群组网通信系统，该系统包括组网通信模组、通信使能控制模块、集群通信收发模块、通信时隙管理模块、通信网络维护模块和集群控制算法模块；所述组网通信模组接收信息并传递给通信使能控制模块，所述通信使能控制模块从组网通信模组接收信息并传递给集群通信收发模块；所述集群通信收发模块从通信使能控制模块接收信息，将该信息解析后发送给通信网络维护模块和集群控制算法模块；所述集群通信收发模块从集群控制算法模块接收信息，将该信息编码并发送给组网通信模组；通信时隙管理模块统一调度，调用通信网络维护模块对网络通信节点编号列表维护，调用通信使能控制模块对组网通信模组的信息进行接收和过滤，调用集群通信收发模块对接收信息进行解析和对发送信息进行编码，将解析后的信息传递给集群控制算法模块，以及将编码完的信息传递给组网通信模组。

其他方面，本发明还提供了一种组网通信网络。所述组网通信网络包含M个通信节点，M为大于等于3的整数；所述组网通信网络进行广播式通信，任一通信节点广播的信息，其它节点均能接收；组网通信网络的规模不受限制，可以增加或减少通信节点数量而不对网络通信功能造成影响。所述通信节点为上述的无人机集群组网通信系统。

进一步地，所述组网通信模组是具有广播式无线通信功能的集群组网通信硬件和软件模块，经由集群通信收发模块接收集群控制算法模块发来的信息并进行无线广播，以及接收从所述组网通信网络中其它通信节点发来的信息。

进一步地，所述通信使能控制模块，对接收到的信息进行初步解析和判断，判断是否需要将信息传给所述集群通信收发模块进行解析，通过过滤接收到的信息，去掉不相关及干扰信息，减少无效信息处理量，提高通信效率。

进一步地，所述集群通信收发模块，将待发送的信息按通信协议格式进行编码，将编码后的信息发送到所述组网通信模组；所述集群通信收发模块从所述通信使能控制模块读取过滤后的信息，按通信协议格式进行解码；对于解码信息中有应答请求内容的信息，按应答请求内容和通信协议格式完成应答信息编码，对于需要所述组网通信网络中其它通信节点在收到信息后进行应答的，在发送的编码信息中加入应答请求内容；根据用户需求设定通信信息的软件加密和软件解密格式，保障广播式无线通信安全。

进一步地，所述通信时隙管理模块，对通信时序进行计算，实现周期性有序收发信息的调度管理；所述通信网络维护模块，对组网通信网络内的通信节点进行统计，维护网络内所有通信节点，生成网络通信节点编号列表；所述集群控制算法模块，接收所述集群通信收发模块解析的信息，用于计算集群无人机控制策略，并将要广播的信息输出给所述集群通信收发模块进行编码。

再一方面，本发明还提供了一种无人机集群组网通信方法，应用于上述的无人机集群组网通信系统，该方法包括：

步骤1：系统初始化，将所述组网通信模组设置为广播模式，实现组网通信网络中信息能够由一个通信节点发送，其它通信节点均能接收的模式；所述通信时隙管理模块开始运行，对通信进程进行管理；

步骤2：所述通信时隙管理模块按固定周期调用所述通信网络维护模块对网络通信节点编号列表进行维护，其中，网络通信节点编号由所述集群通信收发模块解析得到，通过对组网通信网络内通信节点的编号和数量统计，并按照编号的大小进行排序，生成网络通信节点编号列表；

步骤3：所述通信时隙管理模块按网络通信节点编号列表生成通信时间间隔，具体方式为按照预定通信频率计算节点发送信息的时间间隔；

步骤4：在每个通信时间间隔内，通信时隙管理模块判断是否发送信息；若所在通信节点为网络通信节点编号列表中首节点，或在网络通信节点编号列表中所在通信节点的前一个通信节点已完成信息发送，或到达时间间隔点的情况出现，则需要发送信息，转步骤5；否则所在通信节点不需要发送信息，转步骤6；

步骤5：通信时隙管理模块调用集群通信收发模块向组网通信模组发送编码后的信息，由组网通信模组完成广播；

步骤6：所述通信时隙管理模块调用所述通信使能控制模块对信息进行初步解析；

步骤7：通信使能控制模块判断解析的信息是否为所在节点可用信息，如果有所在节点可用信息，则转步骤8，如果没有所在节点可用信息，则将其清除，转步骤3；

步骤8：通信时隙管理模块调用所述集群通信收发模块对接收信息按通信协议格式进行解析；

步骤9：如果解析的信息内容是集群控制信息，则转步骤10；如果不是集群控制信息，则为网络通信节点编号信息，经由集群通信收发模块传递给所述通信网络维护模块，转步骤2；

步骤10：所述集群控制算法模块接收到信息后完成相关计算，将计算结果发送给所述集群通信收发模块；

步骤11：所述通信时隙管理模块调用所述集群通信收发模块按通信协议格式对信息进行编码，这里，编码信息的发送时间由所述通信时隙管理模块决定。

附图说明

图1为本发明一实施例中无人机集群组网通信系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例中无人机集群组网通信网络的结构示意图；

图3为本发明一实施例中无人机集群组网通信方法的框图。

图号说明：

100组网通信模组 101通信使能控制模块

102集群通信收发模块 103通信时隙管理模块

104通信网络维护模块 105集群控制算法模块

具体实施方式

以下结合附图1～3和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、无人机集群组网通信系统、物品或者现场设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、无人机集群组网通信系统、物品或者现场设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、无人机集群组网通信系统、物品或者现场设备中还存在另外的相同要素。

请参阅图1所示，本实施例提供一种无人机集群组网通信系统，包括组网通信模组100、通信使能控制模块101、集群通信收发模块102、通信时隙管理模块103、通信网络维护模块104、集群控制算法模块105；所述集群组网通信系统的组网通信模组100接收信息并传递给通信使能控制模块101，所述通信使能控制模块101从组网通信模组100接收信息并传递给集群通信收发模块102；所述集群通信收发模块102从通信使能控制模块101接收信息，将该信息解析后发送给通信网络维护模块104和集群控制算法模块105；所述集群通信收发模块102从集群控制算法模块105接收信息，将该信息编码并发送给组网通信模组100；通信时隙管理模块103统一调度，调用通信网络维护模块104对网络通信节点编号列表维护，调用通信使能控制模块101对组网通信模组100的信息进行接收和过滤，调用集群通信收发模块102对接收信息进行解析和对发送信息进行编码，将解析后的信息传递给集群控制算法模块105，以及将编码完的信息传递给组网通信模组100。请参阅图2所示，所述集群组网通信系统作为组网通信网络中的一个通信节点，所述组网通信网络包含M个所述通信节点，M为大于等于3的整数；所述组网通信网络进行广播式通信，任一通信节点广播的信息，其它节点均能接收；组网通信网络的规模不受限制，可以增加或减少通信节点数量而不对网络通信功能造成影响。

本实施例中，所述组网通信模组100，是一种具有广播式无线通信功能的集群组网通信硬件和软件模块，经由集群通信收发模块102，接收集群控制算法模块105发来的信息并进行无线广播，以及接收从所述组网通信网络中其它通信节点发来的信息；所述通信使能控制模块101，对接收到的信息进行初步解析和判断，判断是否需要将信息传给所述集群通信收发模块102进行解析，通过过滤接收到的信息，去掉不相关及干扰信息，减少无效信息处理量，提高通信效率；所述集群通信收发模块102，将待发送的信息按通信协议格式进行编码，将编码后的信息发送到所述组网通信模组100；所述集群通信收发模块102从所述通信使能控制模块101读取过滤后的信息，按通信协议格式进行解码；对于解码信息中有应答请求内容的信息，按应答请求内容和通信协议格式完成应答信息编码，对于需要所述组网通信网络中其它通信节点在收到信息后进行应答的，在发送的编码信息中加入应答请求内容；根据用户需求设定通信信息的软件加密和软件解密格式，保障广播式无线通信安全；所述通信时隙管理模块103，对通信时序进行计算，实现周期性有序收发信息的调度管理；所述通信网络维护模块104，对组网通信网络内的通信节点进行统计，维护网络内所有通信节点，生成网络通信节点编号列表；所述集群控制算法模块105，接收所述集群通信收发模块102解析的信息，用于计算集群无人机控制策略，并将要广播的信息输出给所述集群通信收发模块102进行编码。

请参阅图3所示，基于同一发明构思，本实施例还提供了一种无人机集群组网通信方法的步骤为：

步骤1：系统初始化，将所述组网通信模组100设置为广播模式，实现组网通信网络中信息能够由一个通信节点发送，其它通信节点均能接收的模式；所述通信时隙管理模块103开始运行，对通信进程进行管理；

步骤2：所述通信时隙管理模块103按固定周期调用所述通信网络维护模块104对网络通信节点编号列表进行维护，其中，网络通信节点编号由所述集群通信收发模块102解析得到，通过对组网通信网络内通信节点的编号和数量统计，并按照编号的大小进行排序，生成网络通信节点编号列表；

步骤3：所述通信时隙管理模块103按网络通信节点编号列表生成通信时间间隔，具体方式为按照预定通信频率计算节点发送信息的时间间隔；假设通信频率为10Hz，则节点发送信息时间间隔为0.1秒；

步骤4：在每个通信时间间隔内，通信时隙管理模块判断是否发送信息；若所在通信节点为网络通信节点编号列表中首节点，或在网络通信节点编号列表中所在通信节点的前一个通信节点已完成信息发送，或到达时间间隔点的情况出现，则需要发送信息，转步骤5；否则所在通信节点不需要发送信息，转步骤6；

步骤5：通信时隙管理模块103调用集群通信收发模块102向组网通信模组100发送编码后的信息，由组网通信模组100完成广播；

步骤6：所述通信时隙管理模块103调用所述通信使能控制模块101对信息进行初步解析；

步骤7：通信使能控制模块101判断解析的信息是否为所在节点可用信息，如果有所在节点可用信息，则转步骤8，如果没有所在节点可用信息，则将其清除，转步骤3；

步骤8：通信时隙管理模块103调用所述集群通信收发模块102对接收信息按通信协议格式进行解析；

步骤9：如果解析的信息内容是集群控制信息，则转步骤10；如果不是集群控制信息，则为网络通信节点编号信息，经由集群通信收发模块102传递给所述通信网络维护模块104，转步骤2；

步骤10：所述集群控制算法模块105接收到信息后完成相关计算，将计算结果发送给所述集群通信收发模块102；

步骤11：所述通信时隙管理模块103调用所述集群通信收发模块102按通信协议格式对信息进行编码，这里，编码信息的发送时间由所述通信时隙管理模块103决定。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点之一：

1)采用带通信时隙协调的广播式通信实现组网通信网络内通信节点之间相互通信，通信节点数量便捷增加，通信节点有序发送信息，以及任意多个通信节点均能接收广播信息，有效减少信息发送冲突以及通信延时。

2)采用通信使能功能滤掉无效信息，降低通信解析处理负担，提高组网通信系统抗干扰能力。

3)采用应答式通信方式，可选择性地在重要通信信息中加入应答内容，通过接收方的应答情况确定信息是否发送成功以及对需求信息的查询，确保重要信息可靠传输，降低通信带宽占用。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (2)

1.一种无人机集群组网通信系统，其特征在于，该系统包括组网通信模组、通信使能控制模块、集群通信收发模块、通信时隙管理模块、通信网络维护模块和集群控制算法模块；所述组网通信模组，是一种具有广播式无线通信功能的集群组网通信硬件和软件模块，经由集群通信收发模块，接收集群控制算法模块发来的信息并进行无线广播，以及接收从组网通信网络中其它通信节点发来的信息；所述通信使能控制模块，对接收到的信息进行初步解析和判断，判断是否需要将信息传给所述集群通信收发模块进行解析，通过过滤接收到的信息，去掉不相关及干扰信息，减少无效信息处理量，提高通信效率；所述集群通信收发模块，将待发送的信息按通信协议格式进行编码，将编码后的信息发送到所述组网通信模组；所述集群通信收发模块从所述通信使能控制模块读取过滤后的信息，按通信协议格式进行解码；对于解码信息中有应答请求内容的信息，按应答请求内容和通信协议格式完成应答信息编码，对于需要所述组网通信网络中其它通信节点在收到信息后进行应答的，在发送的编码信息中加入应答请求内容；根据用户需求设定通信信息的软件加密和软件解密格式，保障广播式无线通信安全；所述通信时隙管理模块，对通信时序进行计算，实现周期性有序收发信息的调度管理；所述通信网络维护模块，对组网通信网络内的通信节点进行统计，维护网络内所有通信节点，生成网络通信节点编号列表；所述集群控制算法模块，接收所述集群通信收发模块解析的信息，用于计算集群无人机控制策略，并将要广播的信息输出给所述集群通信收发模块进行编码；

所述组网通信模组接收信息并传递给通信使能控制模块，所述通信使能控制模块从组网通信模组接收信息并传递给集群通信收发模块；所述集群通信收发模块从通信使能控制模块接收信息，将该信息解析后发送给通信网络维护模块和集群控制算法模块；所述集群通信收发模块从集群控制算法模块接收信息，将该信息编码并发送给组网通信模组；通信时隙管理模块统一调度，调用通信网络维护模块对网络通信节点编号列表维护，调用通信使能控制模块对组网通信模组的信息进行接收和过滤，调用集群通信收发模块对接收信息进行解析和对发送信息进行编码，将解析后的信息传递给集群控制算法模块，以及将编码完的信息传递给组网通信模组；所述集群组网通信系统作为组网通信网络中的一个通信节点，所述组网通信网络包含M个所述通信节点，M为大于等于3的整数；所述组网通信网络进行广播式通信，任一通信节点广播的信息，其它节点均能接收。

2.一种无人机集群组网通信方法，应用于权利要求1所述的无人机集群组网通信系统，该方法包括：

步骤1：系统初始化，将所述组网通信模组设置为广播模式，实现组网通信网络中信息能够由一个通信节点发送，其它通信节点均能接收的模式；所述通信时隙管理模块开始运行，对通信进程进行管理；

步骤2：所述通信时隙管理模块按固定周期调用所述通信网络维护模块对网络通信节点编号列表进行维护，其中，网络通信节点编号由所述集群通信收发模块解析得到，通过对组网通信网络内通信节点的编号和数量统计，并按照编号的大小进行排序，生成网络通信节点编号列表；

步骤3：所述通信时隙管理模块按网络通信节点编号列表生成通信时间间隔，具体方式为按照预定通信频率计算节点发送信息的时间间隔；

步骤4：在每个通信时间间隔内，通信时隙管理模块判断是否发送信息；若所在通信节点为网络通信节点编号列表中首节点，或在网络通信节点编号列表中所在通信节点的前一个通信节点已完成信息发送，或到达时间间隔点的情况出现，则需要发送信息，转步骤5；否则所在通信节点不需要发送信息，转步骤6；

步骤5：通信时隙管理模块调用集群通信收发模块向组网通信模组发送编码后的信息，由组网通信模组完成广播；

步骤6：所述通信时隙管理模块调用所述通信使能控制模块对信息进行初步解析；

步骤7：通信使能控制模块判断解析的信息是否为所在节点可用信息，如果有所在节点可用信息，则转步骤8，如果没有所在节点可用信息，则将其清除，转步骤3；

步骤8：通信时隙管理模块调用所述集群通信收发模块对接收信息按通信协议格式进行解析；

步骤9：如果解析的信息内容是集群控制信息，则转步骤10；如果不是集群控制信息，则为网络通信节点编号信息，经由集群通信收发模块传递给所述通信网络维护模块，转步骤2；

步骤10：所述集群控制算法模块接收到信息后完成相关计算，将计算结果发送给所述集群通信收发模块；

步骤11：所述通信时隙管理模块调用所述集群通信收发模块按通信协议格式对信息进行编码，这里，编码信息的发送时间由所述通信时隙管理模块决定。

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