CN113641188A - 无人机集散式任务规划的多中心无人机选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机集散式任务规划的多中心无人机选择方法，包括：通过无人机群中每个无人机的数据采集模块向其余所有无人机输入源数据；无人机群的每个无人机之间生成直接通信链路；确定中心无人机；确定中心无人机之间的通信链路；本发明可快速地选举出多个中心无人机以继续执行任务规划，一方面可避免当发生单点失效时无人机群陷入瘫痪，另外一方面又能有效减少参与任务规划的无人机数量，从而降低通信信息量。

Description

无人机集散式任务规划的多中心无人机选择方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，特别是一种无人机集散式任务规划的多中心无人机选择方法。

背景技术

无人机凭借4D(“Dall”,“Dirty”,“Dangerous”，“Deep”)环境的适应性、灵活机动性和低成本等优势，被越来越多地应用于复杂任务场景，比如战场情报收集与打击、城市灭火、无人快递、电网巡线、植保等。其中，多无人机或者无人机集群在协同执行任务的过程中，由于受到任务需求、飞行环境和无人机自身等方面的约束，需要求解复杂的任务规划问题。任务规划问题是指给定N个可支配的无人机和M个任务，找到无人机和任务之间的最优匹配，使得无人机执行任务获得的总收益最大化。

依据执行任务规划的架构，多无人机任务规划通常分为分布式任务规划和集中式任务规划(“多无人机自主协同控制理论与方法，沈林成等，2013，国防工业出版社”)。

集中式任务规划由一个中心单元，如地面站、中心无人机，执行任务规划。其中，基于中心无人机的集中式任务规划具备算法简单、动态响应速度快等优点。但该任务规划存在单点失效的致命缺点，即当中心无人机发生故障或者损毁时，整个无人机群将陷入瘫痪。

分布式任务规划由地位平等的多个无人机共同执行任务规划。由于需要所有无人机通过信息交互协同完成任务，该任务规划存在通信信息量大的问题，即通信信息量或者信息交互次数随无人机数量的增加而指数上升。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种无人机集散式任务规划的多中心无人机选择方法，该方法可快速地选举出多个中心无人机以继续执行任务规划，一方面可避免当发生单点失效时无人机群陷入瘫痪，另外一方面又能有效减少参与任务规划的无人机数量，从而降低通信信息量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无人机集散式任务规划的多中心无人机选择方法，包括以下步骤：

步骤S1、通过无人机群中每个无人机的数据采集模块向其余所有无人机输入源数据；

步骤S2、无人机群的每个无人机之间生成直接通信链路；

步骤S3、确定中心无人机；

步骤S4、确定中心无人机之间的通信链路。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述源数据包括无人机群中每个无人机的编号、规定时限和时间同步信号，所述时间同步信号用于同步所述无人机群中所有无人机的时钟，所述无人集群中的每个无人机需具备双向通信模块、广播通信模块、计算模块和存储模块。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述无人机群众的每个无人机通过广播状态信息确认直接通信链路，并统计各自的邻域，所述广播状态信息包括双向通信模块、广播通信模块、计算模块和存储模块是否正常的信息，所述直接通信链路为两个无人通过广播或者双向通信方式直接进行通信的链路，所述领域为某一无人机直接通信的无人机的编号集合，且该集合包含该无人机自身的编号。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3具体如下：

无人机群中的任一无人机通过直接通信链路发送其邻域，然后通过对比邻域大小确认中心无人机，所述中心无人机为其直接通信链路上的所有无人机中拥有最大邻域或者最多直接通信链路数，并且编号最小或者编号最大的无人机。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S4a、中心无人机通过直接通信链路向非中心无人机发送其链路集合，所述链路集合为包含当前中心无人机编号的集合，非中心无人机的邻域中包含中心无人机的邻域中没有的元素；

步骤S4b、接收到链路集合的非中心无人机将其自身编号添加至链路集合的尾部，并将更新后的链路集合发送至其他无人机，其他无人机包含能与链路集合中最后一个元素对应的无人机直接通信并且不能与链路集合中倒数第二个元素对应的无人机直接通信的无人机；

步骤S4c、无人机群判断同步时钟是否超过规定时限，如是则结束，否则执行S4d；

步骤S4d、接收到链路集合的无人机将其自身编号加入链路集合的尾部；判断当前无人机是否为中心无人机，如果是则记录更新后的链路集合为中心无人机之间的一条通信链路；将更新后的链路集合发送至其他无人机，执行步骤S4c。

本发明的有益效果是：

1、本发明针对集中式任务规划的单点失效问题和分布式任务规划通信信息量大的问题，提供了一种无人机集散式任务规划的多中心无人机选择方法，该方法通过广播通信方式找出局部区域中含直接通信链路最多且编号最小(也可设置为最大)的无人机作为中心无人机，再通过直接通信链路扩散可链接至中心无人机的链路，通过多轮扩散最终可建立多个中心无人机之间的通信链路。

2、该方法采用了无人机相互通信的方式，无需地面指挥控制，具备自主选择自主决策的特点，同时结合了快速的贪婪对比机制，具备简单易行的特点，由于拥有多个中心无人机，某一无人机发生故障或者被击落不会导致无人机群陷入瘫痪，同时由于只选取用于局部区域中含直接通信链路最多且编号最小(也可设置为最大)的无人机作为中心无人机，可大幅减少参与任务规划的无人机数量，从而降低通信信息量。

附图说明

图1为本发明实施例中多无人机分布图；

图2为本发明实施例的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

如图2所示，一种无人机集散式任务规划的多中心无人机选择方法，包括：

S1初始化、通过无人机群的数据采集模块向其每个无人机输入初始数据；

所有无人机均需具备双向通信功能、广播通信功能，具备一定算力并可单独执行任务规划算法；所有无人机顺序进行编号，编号为i的无人机表示第i个无人机；所有无人机携带同步时钟；无人机i认为中心无人机的获胜者为变量W_i，并且初始化为i，即自身；

S2、每个无人机生成直接通信链路：

S2a、在时刻t0，所有无人机均在约定时间内向其周围广播状态信息；

S2b、在时刻t1，无人机i(取所有编号)记录S2a过程中收到的状态信息条数，并整理出可直接通信的无人机的编号集合(包含无人机i自身，为了方便后续的比较)，简称邻域N_i；|N_i|表示邻域N_i的大小(即元素个数)，|N_i|越大表明无人机i能直接通信的对象数量越多，或者拥有的直接通信链路越多。

与图1的空间分布对应，其所有无人机的邻域如表1所示：

表1

S3、确定中心无人机：

S3a、在时刻t2，所有无人机在约定时间内广播各自的邻域信息；

S3b、在时刻t3，无人机i(i取所有编号)获得其邻域N_i内每个元素对应的无人机的邻域，取其中拥有最大邻域的无人机编号组成新集合M_i；令获胜者W_i取集合M_i的最小值(也可设置为最大值)，以确保获胜者的唯一性；

S3c、无人机i判断其获胜者编号W_i是否等于自身编号i，如是则确定该无人机为中心无人机，如否则为非中心无人机。

如表1所示，无人机9的邻域N₉＝{8,9,10,11,12}，表示除自身外，无人机9可以和无人机8、10、11、12直接通信；广播后，无人机9能接收到无人机8、10、11、12分别发送的邻域N₈、N₁₀、N₁₁和N₁₂；N₉中的元素中拥有最大邻域的是无人机9和10，因此M₉＝{9,10}；W_i取集合M₉的最小值，W₉＝9；由于W₉＝i＝9，即无人机9的获胜者是无人机9自身，因此，无人机9是中心无人机。如表1所示，无人机3和无人机6也是中心无人机。无人机群1-12仅有3个中心无人机，因此参与任务规划的无人机数量大副减少。

S4、确定中心无人机之间的通信链路：

根据确定规则，中心无人机邻域内除自身外的其他无人机均为非中心无人机，且其获胜者均为该中心无人机；任意两个中心无人机之间没有直接通信链路。

S4a、在时刻t3，中心无人机j计算其邻域内N_j的非中心无人机k(k取N_j的所有元素)的相对补集N_k–N_j，若相对补集不为空，则发送链路集合L_jj＝{j}至无人机k。相对补集N_k–N_j中的元素是属于N_k但不属于N_j的元素，该元素对应的无人机能与k直接通信且不能与j直接通信，但显然能通过k间接与j通信；

S4b、在时刻t4，收到链路集合的非中心无人机k将自身编号k添加至链路集合L_jj的尾部以形成新链路集合L_jk，并将链路集合L_jk发送至相对补集N_k–N_j内的所有无人机。链路集合相邻两个元素可直接通信；

S4c、判断是否超出规定时限，如是则结束所有步骤，如否则执行S4d；规定时限可根据多次仿真或者试验获得经验值；

S4d、收到链路集合L_jk的无人机l将自身编号添加至收到的链路集合尾部L_jk以形成新链路集合L_jl，并将链路集合L_jl发送至相对补集N_l–N_k内的所有无人机；如果无人机l为中心无人机，则将L_jl记录为中心无人机之间的通信链路；执行S4c；

如表1相对补集列所示，步骤S4a中，仅无人机4、5和8的相对补集非空，无人机4和5能够收到中心无人机3的链路集合L₃₃＝{3}，无人机8能够收到中心无人机6的消息。以无人机4为例，步骤S4b中，无人机4链路集合L₃₃更新为L₃₄＝{3,4}，计算出相对补集N₄–N₃＝{6}，随后将链路集合L₃₄发送至无人机6。步骤S4d中，以无人机6为例，无人机6将链路集合L₃₄更新为L₃₆＝{3,4,6}，计算出相对补集N₆–N₄＝{7，8}，随后将链路集合L₃₆发送至无人机7和8；由于无人机6为中心无人机，因此将记录L₃₆＝{3,4,6}为中心无人机3和6之间的一条通信链路3-4-6。重复执行S4c和S4d后，以无人机8为例，无人机8将链路集合更新为L₃₈＝{3,4,6,8}，计算出相对补集N₈–N₆＝{9,10}，随后将其链路集合L₃₆发送至无人机9和10；再次重复执行步骤S4c和S4d后，以无人机9为例，无人机9将链路集合更新为L₃₉＝{3,4,6,8,9}，计算出相对补集N₉–N₈＝{11,12}，随后将其链路集合L₃₉发送至无人机11和12；由于无人机9为中心无人机，因此将记录L₃₉为中心无人机3和9之间的一条通信链路。最终形成的中心无人机之间的链路见表2。

表2

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无人机集散式任务规划的多中心无人机选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、通过无人机群中每个无人机的数据采集模块向其余所有无人机输入源数据；

步骤S2、无人机群的每个无人机之间生成直接通信链路；

步骤S3、确定中心无人机；

步骤S4、确定中心无人机之间的通信链路。

2.根据权利要求1所述的无人机集散式任务规划的多中心无人机选择方法，其特征在于，在步骤S1中，所述源数据包括无人机群中每个无人机的编号、规定时限和时间同步信号，所述时间同步信号用于同步所述无人机群中所有无人机的时钟，所述无人集群中的每个无人机需具备双向通信模块、广播通信模块、计算模块和存储模块。

3.根据权利要求2所述的无人机集散式任务规划的多中心无人机选择方法，其特征在于，在步骤S2中，所述无人机群众的每个无人机通过广播状态信息确认直接通信链路，并统计各自的邻域，所述广播状态信息包括双向通信模块、广播通信模块、计算模块和存储模块是否正常的信息，所述直接通信链路为两个无人通过广播或者双向通信方式直接进行通信的链路，所述领域为某一无人机直接通信的无人机的编号集合，且该集合包含该无人机自身的编号。

4.根据权利要求3所述的无人机集散式任务规划的多中心无人机选择方法，其特征在于，所述步骤S3具体如下：

无人机群中的任一无人机通过直接通信链路发送其邻域，然后通过对比邻域大小确认中心无人机，所述中心无人机为其直接通信链路上的所有无人机中拥有最大邻域或者最多直接通信链路数，并且编号最小或者编号最大的无人机。

5.根据权利要求4所述的无人机集散式任务规划的多中心无人机选择方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S4a、中心无人机通过直接通信链路向非中心无人机发送其链路集合，所述链路集合为包含当前中心无人机编号的集合，非中心无人机的邻域中包含中心无人机的邻域中没有的元素；

步骤S4b、接收到链路集合的非中心无人机将其自身编号添加至链路集合的尾部，并将更新后的链路集合发送至其他无人机，其他无人机包含能与链路集合中最后一个元素对应的无人机直接通信并且不能与链路集合中倒数第二个元素对应的无人机直接通信的无人机；

步骤S4c、无人机群判断同步时钟是否超过规定时限，如是则结束，否则执行S4d；

步骤S4d、接收到链路集合的无人机将其自身编号加入链路集合的尾部；判断当前无人机是否为中心无人机，如果是则记录更新后的链路集合为中心无人机之间的一条通信链路；将更新后的链路集合发送至其他无人机，执行步骤S4c。

Images