CN113194502A - 一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法 - Google Patents

Abstract

一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法，属于无人机通信技术领域，用以解决现有集中式通信网络由于中心节点断开连接而导致无人机群通信网络崩溃的问题。本发明的技术要点包括：将无人机节点状态描述为下述三者之一：Leader、Follower和Candidate，通过动态地调整节点状态来应对复杂的网络环境，考虑了节点状态转换中可能出现的各种情况，并给出了应对策略，当通信网络中Leader不存在或断开连接，无人机机群能快速地、自主地、分布式地选取出新的Leader作为中心节点，以此建立新的集中式通信网络。本发明保证了后端的全局态势感知和决策的全局最优性，同时解决了对抗环境下集中式通信架构不鲁棒的问题。本发明可用于无人机集群的任务分配中。

Description

一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法

技术领域

本发明涉及无人机通信技术领域，尤其涉及一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法。

背景技术

近年来，精确导航技术和5G通信技术的发展，使得无人机的集群应用越来越普遍。自组织能力和智能的提高使其广泛应用于多种任务，如火灾监测、协同搜索和协同拦截等。无人机机群自主完成任务需要建立一个稳定可靠的无人机机群通信网络，用以传输个体无人机的信息，形成对当前工作环境的态势感知，协调无人机执行相应任务。

无人机机群的通信网络架构主要有两类：集中式和分布式。每一个无人机均视为一个节点，在集中式通信网络架构中存在特定的中心节点，中心节点接收来自所有无人机的信息，形成全局态势感知；在分布式通信网络架构中，每个无人机接收部分其他无人机的信息，形成局部态势感知。集中式架构在获得全局态势的前提下，能够做出全局最优决策，然而在对抗环境下，通信链路可能受到干扰，甚至部分机群个体可能失去联系，同时信息传输也可能存在不确定的延迟，集中式架构可能因中心节点断开连接导致整个通信网络瘫痪。去中心化的分布式架构不依赖特定节点，对于上述场景是鲁棒的，但是不能保证决策的全局最优。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法，用以解决现有集中式通信网络由于中心节点断开连接而导致无人机群通信网络崩溃的问题。

一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法，包括建立中心化的分布式通信网络；其中，所述通信网络中包括一个中心节点和多个普通节点；在通信过程中，中心节点广播中心节点状态信息且与普通节点实时通信，所述通信网络按照下述步骤实时更新中心节点：

步骤一、普通节点若在心跳超时时间内没有接收到中心节点状态信息，则启动候选中心节点选取流程，从而确定候选中心节点；其中，所述心跳超时时间为根据无人机节点间通信延时预设的时间阈值；

步骤二、候选中心节点广播候选中心节点状态信息，若在候选超时时间内接收到中心节点状态信息，则该候选中心节点状态转换为普通节点；若在候选超时时间内没有接收到中心节点状态信息，则启动中心节点选举流程，从而确定该候选中心节点状态转换为待确定中心节点或普通节点；其中，所述待确定中心节点广播中心节点状态信息，所述候选超时时间为根据无人机节点间通信延时预设的时间阈值；

步骤三、当候选中心节点状态转换为待确定中心节点后，将中心节点和所述待确定中心节点的周期数或候选超时时间进行比较，从而确定最终的中心节点；其中，周期数为节点在中心节点选举流程中历经的次数或者轮数。

进一步地，步骤一中所述候选中心节点选取流程包括：检查候选中心节点集合中是否有候选中心节点，如果有，则投票给候选中心节点集合中的第一个候选中心节点；如果没有，则该普通节点状态转换为候选中心节点。

进一步地，步骤二中所述中心节点选举流程包括：候选中心节点若赢得超过普通节点总数一半以上的选票，则状态转换为待确定中心节点；若在候选超时时间内没有赢得选举，则状态转换为普通节点。

进一步地，步骤三中所述确定最终的中心节点的过程包括：首先比较中心节点和所述待确定中心节点的周期数大小，周期数大的节点确定为最终的中心节点；若周期数相等，则比较中心节点和所述待确定中心节点的候选超时时间大小，候选超时时间大的节点确定为最终的中心节点；若候选超时时间相等，则分别对中心节点和所述待确定中心节点的候选超时时间重新抽样直至区分出大小。

进一步地，所述心跳超时时间和所述候选超时时间均是延时常量T_d的正整数倍，所述延时常量T_d通过下式计算得到：

其中，t_m表示通信延时的平均值；t_s表示通信延时的方差。

进一步地，中心节点广播中心节点状态信息或候选中心节点广播候选中心节点状态信息的发布频率为：

进一步地，对于新加入的节点，初始化为普通节点，且其周期数为0。

进一步地，步骤一中所述心跳超时时间为满足均匀分布且取值在[T_min,T_max]上的随机数，且T_min、T_max满足下述公式：

T_min＝n₂·T_d,n₂∈[2,4]

T_max＝n₃·T_d,n₃∈[4,6]

T_max-T_min＞T_d

进一步地，步骤二中所述候选超时时间Δc满足下述公式：

Δc＝n₄·T_d,n₄∈[2,3]

本发明的有益技术效果是：

本发明将无人机节点状态描述为下述三者之一：Leader(中心节点)，Follower(普通节点)和Candidate(候选中心节点)，通过动态地调整节点状态来应对复杂的网络环境；考虑了节点状态转换中可能出现的各种情况，并给出了应对策略；将新加入的节点初始化为Follower，若通信网络中Leader不存在或断开连接，无人机机群能快速地、自主地、分布式地选取出新的Leader作为中心节点，以此建立新的集中式通信网络。本发明通过自主地、分布式地选取无人机机群中心节点，建立了一个鲁棒性强的集中式通信网络，从而相比于分布式通信网络，保证了后端的全局态势感知和决策的全局最优性；相比于集中式通信网络，本发明在对抗环境下不会因中心节点断开连接而导致整个无人机机群通信网络崩溃，解决了对抗环境下集中式通信架构不鲁棒的问题。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。

图1是本发明一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法的示意性流程图；

图2是本发明一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法中普通节点状态转换算法的示意性流程图；

图3是本发明一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法中候选中心节点状态转换算法的示意性流程图；

图4是本发明一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法中中心节点状态转换算法的示意性流程图；

图5是本发明一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法中无人机机群中心节点选择的结果；其中，图(a)表示网络连接正常；图(b)表示网络断开连接。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

如图1所示，一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法，包括以下步骤：

步骤一：通信网络整体框架设计。

将无人机机群节点状态描述为下述三者之一：Leader，Follower和Candidate。Leader表示该节点是集中式通信网络的中心节点；Follower表示该节点是一个普通节点；Candidate表示该节点是中心节点的候选节点即候选中心节点。

一般情况下，一个正常工作的集中式通信网络有且仅有一个Leader节点，其余节点均为Follower节点，不存在Candidate节点。Leader节点以一定的频率向其他节点广播Leader Heartbeat即中心节点状态信息，其他节点接收到Leader Heartbeat以确定Leader节点存在。

若Leader不存在或者断开连接，少部分节点状态由Follower转换成Candidate。Candidate节点以同一频率向其他节点广播Candidate Heartbeat即候选中心节点状态信息，Follower节点从若干Candidate节点中投票选出新的Leader节点。

步骤二：测定网络延时及其他参数。

测量任意两个无人机节点间的通信延时，用平均值t_m和方差t_s来描述通信延时的统计特征。本发明使用一个延时常量T_d来表征通信延时。

在多组节点间测量通信延时，延时常量T_d取多次测量结果的平均值。

获得延时常量T_d后，分别确定Leader Heartbeat的发布频率f_L、节点在Follower状态下的心跳超时区间[T_min,T_max]和在Candidate状态下的候选超时时间Δc；其中，候选超时时间为根据无人机节点间通信延时预设的时间阈值；心跳超时区间为根据无人机节点间通信延时预设的时间范围。

T_min＝n₂·T_d,n₂∈[2,4] (3)

T_max＝n₃·T_d,n₃∈[4,6] (4)

T_max-T_min＞T_d (5)

Δc＝n₄·T_d,n₄∈[2,3] (6)

步骤三：初始化新加入节点。

对于任意新加入的节点A_i，初始化其相关变量如下：

节点A_i的状态为：

S_i＝Follower (7)

节点A_i的周期数为：

Term_i＝0 (8)

其中，周期数为节点在中心节点选举流程中历经的次数或者轮数；节点A_i在Follower状态下的心跳超时时间T_i的取值是在[T_min,T_max]上的随机数，T_i满足均匀分布。心跳超时时间为根据无人机节点间通信延时预设的时间阈值。

节点A_i的被选举人集合

即候选中心节点集合，将其初始化为空集。

节点A_i的最后一次获取到Leader Heartbeat的时间T_last ⁱ，将其初始化为当前时刻。

注：节点A_i的状态S_i、周期数Term_i，被选举人集合

和最后一次获取到LeaderHeartbeat的时间T_last随节点状态的更新和时间的推进可能会发生变化，而Follower状态下的超时时间T_i一般不会发生变化。

步骤四：Follower节点信息传递及状态转换。

如图2所示，Follower节点在超时时间T_i内接收到Leader Heartbeat，则认为Leader节点仍存在，Follower节点与Leader节点交换信息。如果在超时时间T_i没有收到LeaderHeartbeat，Follower节点将启动选取Leader节点流程即候选中心节点选取流程。Follower节点首先会检查是否有其他节点成为Candidate，即

中是否有元素。如果

非空，Follower节点向所有节点广播一个事件：Follower节点投票给

中的第一个元素。如果

是空集，Follower节点的状态转换为Candidate，并广播Candidate Heartbeat。算法以2f_L的频率在Follower节点运行。Follower节点状态转换的算法伪代码如下：

步骤五：Candidate节点信息传递及状态转换。

如图3所示，Candidate节点在候选超时时间Δc内接收到Leader Heartbeat，说明Leader节点重新连接到网络，或者其他Candidate节点赢得选举成为Leader，Candidate节点状态转换为Follower。Candidate节点在候选超时时间Δc内赢得到超过50％节点的选票，Candidate节点状态转换为Leader。Candidate节点在候选超时时间Δc内没有赢得选举，则节点A_i状态转换为Follower。算法以2f_L的频率在Candidate节点运行。Candidate节点状态转换的算法伪代码如下：

步骤六：Leader节点信息传递及状态转换。

如图4所示，Leader节点广播Leader Heartbeat并与Follower节点交换消息。若Leader节点接收来自到节点A_j即待确定中心节点的Leader Heartbeat，Leader节点和节点A_j通过比较Term_i和Term_j大小来确定哪个节点保留Leader身份。如果无法通过比较Term_i和Term_j来确定，那么将通过比较T_i和T_j来确定。如果T_i和T_j相等，Leader节点和节点A_j将分别对T_i和T_j重新抽样直到区分出大小。算法以2f_L的频率在Leader节点运行。Leader节点状态转换的算法伪代码如下：

具体实施例一

验证本发明的有效性。假设在自组织网络中有6个无人机，在运行过程中，通过随机关闭中心节点以模拟中心节点损坏或者失联。考虑以下两种情况来评估本发明方法的性能：

1)自组织网络正常连接，6个无人机节点之间可以正常交换信息；

2)自组织网络连接中断，分割为两个连通的子网络，每个子网络中包含三个无人机节点(注：算法不限于此特定情况)。

图5表示了6个无人机的状态转换过程，其中0、1和2分别表示节点Leader、Candidate和Follower。图5(a)表示：如果网络正常连接，则整个过程中只有一个Leader处于活跃状态；当Leader消失或崩溃时，将确定一个新的Leader来保持分布式系统继续运行。图5(b)表示：当网络连接断开且分割为多个子网络时，将选举出多个Leader，每个Leader都为其子网络内各节点服务。这保证了无人机机群在恶劣的应用环境中的可靠性。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (9)

1.一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法，其特征在于，包括建立中心化的分布式通信网络；其中，所述通信网络中包括一个中心节点和多个普通节点；在通信过程中，中心节点广播中心节点状态信息且与普通节点实时通信，所述通信网络按照下述步骤实时更新中心节点：

步骤一、普通节点若在心跳超时时间内没有接收到中心节点状态信息，则启动候选中心节点选取流程，从而确定候选中心节点；其中，所述心跳超时时间为根据无人机节点间通信延时预设的时间阈值；

步骤二、候选中心节点广播候选中心节点状态信息，若在候选超时时间内接收到中心节点状态信息，则该候选中心节点状态转换为普通节点；若在候选超时时间内没有接收到中心节点状态信息，则启动中心节点选举流程，从而确定该候选中心节点状态转换为待确定中心节点或普通节点；其中，所述待确定中心节点广播中心节点状态信息，所述候选超时时间为根据无人机节点间通信延时预设的时间阈值；

步骤三、当候选中心节点状态转换为待确定中心节点后，将中心节点和所述待确定中心节点的周期数或候选超时时间进行比较，从而确定最终的中心节点；其中，周期数为节点在中心节点选举流程中历经的次数或者轮数。

2.根据权利要求1所述的一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法，其特征在于，步骤一中所述候选中心节点选取流程包括：检查候选中心节点集合中是否有候选中心节点，如果有，则投票给候选中心节点集合中的第一个候选中心节点；如果没有，则该普通节点状态转换为候选中心节点。

3.根据权利要求1所述的一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法，其特征在于，步骤二中所述中心节点选举流程包括：候选中心节点若赢得超过普通节点总数一半以上的选票，则状态转换为待确定中心节点；若在候选超时时间内没有赢得选举，则状态转换为普通节点。

4.根据权利要求1所述的一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法，其特征在于，步骤三中所述确定最终的中心节点的过程包括：首先比较中心节点和所述待确定中心节点的周期数大小，周期数大的节点确定为最终的中心节点；若周期数相等，则比较中心节点和所述待确定中心节点的候选超时时间大小，候选超时时间大的节点确定为最终的中心节点；若候选超时时间相等，则分别对中心节点和所述待确定中心节点的候选超时时间重新抽样直至区分出大小。

5.根据权利要求1所述的一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法，其特征在于，所述心跳超时时间和所述候选超时时间均是延时常量T_d的正整数倍，所述延时常量T_d通过下式计算得到：

其中，t_m表示通信延时的平均值；t_s表示通信延时的方差。

6.根据权利要求5所述的一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法，其特征在于，中心节点广播中心节点状态信息或候选中心节点广播候选中心节点状态信息的发布频率为：

。

7.根据权利要求1所述的一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法，其特征在于，对于新加入的节点，初始化为普通节点，且其周期数为0。

8.根据权利要求5所述的一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法，其特征在于，步骤一中所述心跳超时时间为满足均匀分布且取值在[T_min,T_max]上的随机数，且T_min、T_max满足下述公式：

T_min＝n₂·T_d,n₂∈[2,4]

T_max＝n₃·T_d,n₃∈[4,6]

T_max-T_min＞T_d。

9.根据权利要求5所述的一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法，其特征在于，步骤二中所述候选超时时间△c满足下述公式：

△c＝n₄·T_d,n₄∈[2,3] 。

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