CN113342060A

CN113342060A - 一种基于相对定位的无人机群中继网络构建方法

Info

Publication number: CN113342060A
Application number: CN202110614657.7A
Authority: CN
Inventors: 汪芸; 田大海
Original assignee: Nanjing Zhenrong Software Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Zhenrong Software Technology Co ltd
Priority date: 2021-06-02
Filing date: 2021-06-02
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2041-06-02
Also published as: CN113342060B

Abstract

本发明涉及一种基于相对定位的无人机群中继网络构建方法，本方法包括初始化阶段、部署阶段、拓扑控制阶段、回收阶段，依靠寻路算法、待部署边集合更新策略、飞行控制策略、回收算法，仅依赖无人机与地面信标节点、无人机与无人机之间的相对位置信息，通过正三角形构造方法，实现了无人机群网络的构建，为地面节点群提供通信中继服务。本发明解决了特殊环境中无人机群的部署问题，实现无人机群对地面节点的完全覆盖并保证无人机网络的连通性。

Description

一种基于相对定位的无人机群中继网络构建方法

技术领域

本发明涉及一种基于相对定位的无人机群中继网络构建方法，涉及计算机领域。

背景技术

在极地考察、紧急救援、战场环境等场景中，各地面单位之间需要搭建临时通信网络进行通信。为了克服无线通信的距离限制，以Ad-hoc模式组织网络成为一种可行的选择。然而，复杂的地形环境使得地面中继节点的部署变得困难重重，为了能够快速高效地搭建起可用的通信网络，可以使用无人机作为中继节点为地面节点群提供通信中继服务。中继服务指为地面上两个无法直接通信的节点通过其他节点建立传输路径，完成通信的服务。无人机能够自由地部署在空中任意位置，空对地、空对空的传输路径上几乎不存在任何障碍物的阻隔，是通信中继节点理想的选择。因此，保证无人机中继网络对地面节点群的完全覆盖以及各中继无人机之间的连通性对于网络服务的质量至关重要。现有的研究通常假设在部署无人机网络时存在卫星定位系统的辅助，即依赖于定位系统提供的绝对位置信息来预先计算出各无人机的部署位置并完成部署。

基于绝对定位的部署方案是一种静态方案，因为在规划网络中各节点部署位置的过程中所需的全部信息在开始前就已经准备就绪，并不需要在无人机部署的过程中动态地收集。然而，在某些特殊的情况下，卫星定位系统可能无法正常工作，或者在信息不全情况下需要临时快速部署，此时使用基于绝对位置信息的方案将无法部署无人机网络，因为无论是获取地面节点的绝对位置信息，还是根据规划好的方案部署无人机过程都需要依赖卫星定位系统。另外，在基于绝对位置信息的方案中节点之间并不知道各自的位置，想要在空中进行信息汇聚计算非常困难。

发明内容

发明目的：提出一种基于相对定位的无人机群中继网络构建方法，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：提供了一种基于相对定位的无人机群中继网络构建方法，该方法包括以下步骤：

第一步，初始化阶段，选择合适的位置部署一些信标节点，并周期性地发送无线电信号来标示地面节点群的位置。基于信标节点，完成初始无人机部署。

在该步骤中，根据信标节点标示的地面节点群位置部署初始无人机。初始无人机的部署存在以下三种情况：

(1)由于地面节点群中节点数目较少或节点分布非常聚集，只需要一架无人机就完成了对当前地面节点群的覆盖。这种情况下不需要多架无人机构成中继网络来提供服务。无人机群中继拓扑构造方法完成。

(2)在地面信标节点的指示下布置两架初始无人机，并保证它们之间的距离为无人机最大通信距离，此时完成了对地面节点群的覆盖。这种情况下仅根据信标节点即完成了无人机中继网络的部署，不需要后续网络部署策略的指导。无人机群中继拓扑构造方法完成。

(3)当两架初始无人机部署完毕后，如果仍然有地面节点未被覆盖，则在相应部署策略的指导下进行部署。

第二步，部署阶段，完成无人机群中继网络部署，取两架初始无人机连线的中点位置作为部署后续无人机的起始位置，在无人机飞行控制策略的帮助下，通过不断构造正三角形结构实现无人机网络的部署，完成对地面节点的覆盖。

(1)待部署无人机到达起始位置，即两架初始无人机连线的中点，加入无人机网络，并从邻居节点处获取全局拓扑信息、地面节点覆盖信息、待部署边集合以及从起始位置到达所有待部署边的路径集合；

(2)从待部署边集合中取出一个元素作为将要部署的目的地边，并向网络中广播消息通知其他节点更新待部署边集合；

(3)从路径集合中找到从起始位置到待部署边的路径，在无人机飞行控制策略的指导下，到达待部署边；如果不是从起始位置出发，则根据寻路算法找到从当前部署边到达下一个待部署边的最短路径；

(4)到达待部署边后，在无人机飞行控制策略的指导下执行部署操作，到达相应的部署位置，并检测当前位置是否有新的地面节点被覆盖；

(5)如果没有，则认为无人机在当前位置部署无效。因此，在无人机飞行控制策略的指导下返回对应部署边的中点，并跳转到(2)重新执行后续步骤；

(6)如果有，则认为无人机在当前位置部署完成。因此，首先更新待部署边集合，然后在路径集合中添加到达新生成的待部署边的路径，最后向网络中广播消息，通知其他节点更新信息，包括全局网络拓扑、地面节点覆盖情况、待部署边集合以及路径集合；

(7)当待部署边集合为空时，当前地面节点群覆盖完成，否则继续部署下一架无人机。

第三步，拓扑控制阶段，当地面节点出现位置变化时，无人机网络能够根据各无人机掌握的地面节点接入信息对地面节点的移动情况做出相应判断，并通过改变网络拓扑实现跟踪覆盖。

第四步，回收阶段，当任务执行结束不再需要临时通信网络时，通过相应的控制策略对已部署的无人机进行回收。

当无人机网络的通信中继工作完成后，需要对组成网络的无人机进行回收，无人机的回收过程是无人机部署过程的逆向执行。

有益效果：本发明通过基于相对位置信息的方案解决无人机群拓扑构建问题。一方面，基于相对位置信息的方案摆脱了对卫星定位系统的高度依赖，在卫星定位系统不可用时，提供了可靠的备选方案，进一步完善了部署无人机群网络构筑临时通信环境的方法；另一方面，基于相对位置信息的方案不存在位置信息汇总问题，有利于未来潜在服务的拓展，为地面节点提供更优质的服务。因此，本发明针对当卫星定位系统不可用或者由于某些原因无法保证定位精度时，在仅依赖无人机与地面信标节点、无人机与无人机之间的相对位置信息的情况下，通过正三角形构造方法，实现无人机中继网络对地面节点的完全覆盖并保证无人机网络的连通性。

附图说明

图1为无人机网络拓扑示例。

图2为基于相对定位的无人机群中继网络构建方法的阶段组成。

图3为移动信标节点连通多个地面节点群示意图。

图4为无人机部署时邻居节点分布情况。

图5为无人机网络拓扑控制协议。

图6为网络中的空闲无人机在拓扑控制策略的指导下对移动节点进行追踪覆盖的过程示意图。

图7为为无人机中继网络回收过程的仿真示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

本发明有以下假设：每架无人机都有唯一ID来标识；无人机可以通过接收信号强度指示(RSSI)测得与其他无人机之间的准确距离；无人机网络中所有无人机的飞行高度一致；无人机可以以指定速度匀速飞行；无人机到达指定部署位置后可以借助自身的惯性单元以及传感器保持悬停，不会随意改变位置。

本发明使用的基本概念包括：

(1)全局拓扑信息：网络中的每一个无人机节点都会维护一份使用邻接表存储的全局拓扑信息。

(2)地面节点的覆盖信息：网络中每架无人机都会将自己覆盖的地面节点信息广播到整个网络中，使每架无人机都维护一份无人机与地面节点的覆盖关系表。

(3)待部署边集合：在网络中，两架已部署无人机的连线称为一条无人机边。如果某一条边只属于一个正三角形结构而不是被两个三角形共有，且该边没有被尝试部署过，则称其为一条待部署边。待部署边决定了无人机的部署位置，即能够与待部署边构成新的等边三角形的位置，如图1所示，A、B、C、D、E、F、G、H、J、K代表10 架已部署无人机，则图中共有17条无人机边，其中边AC、AG、BE、BF、CK、DF、 DH、EJ、GH、JK构成待部署边集合。对于图1中的待部署边AG而言，L所在的位置即为对应的部署位置。

(4)到达待部署边的路径集合：当一架待部署无人机根据待部署边集合确定了目的地边后，需要在无人机飞行控制策略的指导下按照一定的路径飞行才能到达待部署边并执行部署操作。为了方便无人机飞行控制策略的设计，路径中的每一个点，都是无人机边的中点。网络中的每架无人机都维护着从起始位置到各个待部署边的路径集合，每当有新的无人机部署完毕，该无人机就会通过在现有路径的基础上添加新生成的待部署边中点得到到达该边的路径，并向网络中广播消息通知其他节点更新路径集合。

(5)可回收节点：当一架无人机没有覆盖任何地面节点，且由它构成的无人机边都不在其他无人机节点到达网络任意位置的唯一路径上时，该无人机为网络中的可回收节点。

(6)更新通知：当一架无人机检测到当前覆盖的地面节点数增加时，会向网络中的其他无人机节点广播消息，消息中携带新增地面节点的ID，以便通知其他无人机节点更新所维护的地面节点覆盖情况。

(7)检测通知：当一架无人机检测到当前覆盖的地面节点数减少时，为了确认该地面节点是移动到了其他无人机节点的覆盖范围还是整个网络的覆盖范围之外，会向网络中的其他无人机节点广播消息，通知其他无人机节点立即检测自身的地面节点覆盖情况。

(8)调度通知：当一架无人机广播了检测通知之后，经过网络中所有无人机节点对当前地面节点覆盖情况的检测更新，发现当前网络覆盖的总节点数减少时，会向网络中广播消息通知那些可回收节点对相关的待部署边进行智能化部署来寻找移动的地面节点。

为了实现发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于相对定位的无人机群中继网络构建方法，其特征在于，包括以下步骤，如图2所示：

对于存在多个相隔较远的地面节点群的情况，以图3为例，虽然两个地面节点群已经各自完成了无人机中继网络的部署，但彼此的网络之间并没有连通，导致处于不同节点群之间的地面节点无法通过中继网络进行通信。此时，需要引入地面移动信标节点。在基础的地形勘探结果的支持下，地面移动信标节点具备从一个地面节点群到达另一个地面节点群的能力。为了让两个无人机网络能够连通，地面移动信标节点从源无人机网络的边缘出发，向目标无人机网络移动，图中虚线即表示地面移动信标节点的路径。在这个过程中，每当地面信标节点移动距离达到无人机的最大通信半径时，就停在原地，并释放一架无人机升空悬停，使之与源无人机网络连通。当地面移动信标节点到达目标无人机网络下方时，即可在源网络和目标网络之间构筑起一条由多架无人机组成的通信链路，实现两个无人机网络的互通。

部署阶段还包含了寻路算法、待部署边集合更新策略和飞行控制策略。

首先是寻路算法。在部署策略的第(3)步中，当无人机在当前部署边对应的部署位置部署无效时，需要从当前部署边出发到达待部署边集合中下一个待部署边，而不是从起始位置出发。此时，无人机会根据全局拓扑信息以及正三角形的网络结构寻找二者之间的最短路径。实际上，寻路算法可以推广到网络中任意两条无人机边之间最短路径的获取。由于无人机智能部署与拓扑控制策略中规定：无人机在网络中的移动一定是从一条无人机边的中点到达另一条无人机边的中点，所以寻路算法的第一步就是将当前的网络拓扑转化为由各无人机边的中点组成的连通图，其中属于同一个正三角形结构的两条边的中点是连通的。然后就可以使用广度优先搜索算法寻找源点(源无人机边)到目标点(目标无人机边)之间的最短路径了。

寻路算法的详细描述如算法1所示。1到9行描述了根据描述网络拓扑的邻接表构造各边中点的连通图的过程，10到35行描述了使用广度优先搜索算法从构造的连通图中搜索最短路径的过程。

待部署边集合更新策略。该策略用于当有新的无人机部署完毕后，更新待部署边集合。

获取节点N的邻居节点列表：{n₀,n₁,n₂,…,n_m,}；

从待部署边集合中移除所有由N的邻居节点之间相互构成的边：n_in_j；

获取由N新构造的无人机边的集合：{Nn₀,Nn₁,Nn₂,…,Nn_m,}；

根据当前拓扑信息，找出上述集合中只属于一个正三角形结构的边：Nn_i,Nn_j；

将Nn_i,Nn_j加入待部署边集合。

待部署边集合更新策略，以图4为例。从(a)到(d)，邻居节点数分别为2，3，4， 5，接下来将分别对这四种情况进行讨论。在(a)中，当前部署边为AB，则先将AB 移除，再将NA和NB加入待部署边集合；在(b)中，当前部署边可能为AB或BC，则先将AB和BC移除，再将NA和NC加入待部署边集合；在(c)中，当前部署边可能为AB、BC或CD，则先将AB、BC和CD移除，再将NA和ND加入待部署边集合；在(d)中，当前部署边可能为AB、BC、CD或DE，则先将AB、BC、CD和DE移除，再将NA和NE加入待部署边集合。

飞行控制策略。新无人机从以某一已部署边的中点作为初始位置，按照飞行控制策略进行飞行。

(1)如果按照已选好的路径进行飞行，则由于此时正三角形的三个顶点已经部署了无人机，新无人机根据与该三个顶点位置上无人机的距离，调整飞行姿态，不断尝试，直至进入预定位置。

(2)重复(1)，直至进入最后一跳。

(3)如果是最后一跳，此时正三角形的两个顶点上已经部署无人机，新无人机与该两个顶点进行测距，调整飞行姿态，到达与两个顶点形成正三角形位置。检测地面节点覆盖情况。

情况一：覆盖新的地面节点，说明进入正确位置。

情况二：未覆盖新的地面节点，则按照飞行控制策略返回该两个顶点的中点，保持飞行姿态不变，重复(3)。

当地面节点由于某些原因改变自身位置时，可能会出现以下几种情况：

(1)经过移动后，地面节点仍然处于原无人机的覆盖范围。这种情况下，不需要做任何处理；

(2)经过移动后，地面节点处于网络中其他无人机的覆盖范围内。这种情况下，当地面节点接收到来自新的无人机的信号后，可以自动接入当前无人机。该无人机在发现新的地面节点接入之后，会发送广播消息，通知网络中的其他节点更新地面节点覆盖情况；

(3)经过移动后，地面节点处于当前无人机网络的覆盖范围之外。此时，无人机网络需要通过拓扑控制策略对该节点进行覆盖，如图5所示。

当一架无人机自身覆盖的一个地面节点移动到了无人机网络的覆盖范围之外时，该无人机最有可能跟踪到该地面节点的移动并再次将其覆盖的边是该无人机参与构成的部署边。因此，首先该无人机将自己参与构造的部署边重新加入待部署边集合中，并广播通知其他节点更新相关信息。然后，网络中的可回收无人机执行部署阶段动作和拓扑控制策略，首先寻找到达待部署边的路径，然后执行部署操作。当网络中存在多个可回收无人机时，无人机通过检测自身是否为当前ID最小的无人机，来决定调度的先后顺序。如果网络中不存在可回收无人机，则当前无人机会通知地面控制中心，后者通过部署新的无人机节点来实现跟踪覆盖。

当确定要回收整个无人机网络时，网络中所有的无人机覆盖的地面节点数都会变为零。因此，判断一架无人机当前是否可回收的唯一标准即为由当前无人机构成的无人机边均不是其他无人机节点到达起始位置的唯一路径。基于这条准则，无人机网络的回收算法可以描述为算法2：

实施例1：

一个基于相对定位的无人机中继网络拓扑控制策略仿真用例

图6展示了当地面用户发生位置变化时，网络中的空闲无人机在拓扑控制策略的指导下，对移动节点进行追踪覆盖的过程。

表1拓扑控制仿真参数

参数	取值
		地面用户所处区域	1000*1000
无人机水平方向覆盖半径	200
		无人机地面覆盖半径	200
地面节点数	30

图6描述了无人机拓扑控制策略的关键步骤：左上图展示了无人机网络部署完毕时的情形；右上图展示了两个地面节点的移动情况，“×”形标记表示节点原来的位置，方形表示节点移动后的位置。当右上角的节点移动之后，原来覆盖该节点的无人机变为空闲无人机；当左下角的节点移动之后，根据拓扑控制协议，无人机网络会很快发现当前覆盖的地面节点数的变化，并调度网络中的空闲无人机对丢失的地面节点进行追踪覆盖；左下图展示了空闲无人机根据寻路算法确定飞行路径，并在无人机飞行控制策略的帮助下，经历“回收”-“转移”-“部署”三个阶段的飞行，到达目标位置；右下图展示了追踪覆盖结束之后，无人机网络的拓扑情况。

图7展示了无人机中继网络回收过程的仿真。当无人机网络需要被回收时，每一架无人机都会首先与覆盖的地面节点断开连接，如左上和右上图所示。在回收过程的每轮迭代中，都会根据回收算法找到当前所有的可回收节点，并回收这些节点，如后四幅图所示，图中黑色实线标记的无人机即为待回收节点。经过几轮迭代之后，网络中只剩下初始无人机。对初始无人机进行回收，即可完成整个无人机网络的回收。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实施例，但其不得解释为对本实施例自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实施例的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims

1.一种基于相对定位的无人机群中继网络构建方法，其特征在于，所述方法包括如下阶段：

初始化阶段：选择合适的位置部署一些信标节点，并周期性地发送无线电信号来标示地面节点群的位置；基于信标节点，完成初始无人机部署；

部署阶段：完成无人机群中继网络部署，取两架初始无人机连线的中点位置作为部署后续无人机的起始位置，在无人机飞行控制策略的帮助下，通过不断构造正三角形结构实现无人机网络的部署，完成对地面节点的覆盖；

拓扑控制阶段：当地面节点出现位置变化时，无人机网络能够根据各无人机掌握的地面节点接入信息对地面节点的移动情况做出相应判断，并通过改变网络拓扑实现跟踪覆盖；

回收阶段：当任务执行结束不再需要临时通信网络时，通过相应的控制策略对已部署的无人机进行回收。

2.根据权利要求1所述的一种基于相对定位的无人机群中继网络构建方法，其特征在于，初始化阶段具体如下：

根据信标节点标示的地面节点群位置部署初始无人机，除一架无人机就能完成地面节点群的覆盖的情况外，应部署两架初始无人机，并保证它们之间的距离为无人机最大通信距离。

3.根据权利要求1所述的一种基于相对定位的无人机群中继网络构建方法，其特征在于，部署阶段具体如下：

步骤2-1、待部署无人机以两架初始无人机连线的中点作为起始位置，根据邻居节点提供的信息，选择一条待部署边作为目的地边；

步骤2-2、在无人机飞行控制策略的指导下，到达目的地边，检测是否有新的地面节点被覆盖，若无，更换目的地边，直至有新的地面节点被覆盖；

步骤2-3、向网络中广播消息，通知其他节点更新信息。

4.根据权利要求3所述的一种基于相对定位的无人机群中继网络构建方法，其特征在于，步骤2-1进一步包括：

待部署无人机到达起始位置，即两架初始无人机连线的中点，加入无人机网络，并从邻居节点处获取全局拓扑信息、地面节点覆盖信息、待部署边集合以及从起始位置到达所有待部署边的路径集合。

5.根据权利要求3所述的一种基于相对定位的无人机群中继网络构建方法，其特征在于，部署阶段还包括如下步骤：

步骤2-4、从路径集合中找到从起始位置到待部署边的路径，在无人机飞行控制策略的指导下，到达待部署边；若不是从起始位置出发，则根据寻路算法找到从当前部署边到达下一个待部署边的最短路径；

步骤2-5、到达待部署边后，在无人机飞行控制策略的指导下执行部署操作，到达相应的部署位置，并检测当前位置是否有新的地面节点被覆盖；

若没有，则认为无人机在当前位置部署无效；因此，在无人机飞行控制策略的指导下返回对应部署边的中点，并跳转到步骤2-3重新执行后续步骤；

若有，则认为无人机在当前位置部署完成；因此，首先更新待部署边集合，然后在路径集合中添加到达新生成的待部署边的路径，最后向网络中广播消息，通知其他节点更新信息，包括全局网络拓扑、地面节点覆盖情况、待部署边集合以及路径集合；

步骤2-6、当待部署边集合为空时，当前地面节点群覆盖完成，否则继续部署下一架无人机。

6.根据权利要求1所述的一种基于相对定位的无人机群中继网络构建方法，其特征在于，拓扑控制阶段具体如下：

步骤3-1、判断地面节点出现位置变化后，是否需要通过拓扑控制策略对该节点进行重新覆盖；

步骤3-2、若判断需要进行重新覆盖，将由发现自身覆盖的地面节点减少的无人机进行动作，将自己参与构造的部署边重新加入待部署边集合中，并广播通知其他节点；

步骤3-3、网络中的可回收无人机执行部署操作，直至移动后的地面界面纳入覆盖范围。

7.根据权利要求1所述的一种基于相对定位的无人机群中继网络构建方法，其特征在于，回收阶段具体如下：

若某一无人机构成的无人机边均不是其他无人机节点达到起始位置的唯一路径，该无人机即为可回收无人机，执行无人机部署过程的逆向操作进行回收。