CN115988447B - 一种基于ZigBee的混合编队无人设备的分层通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于ZigBee的混合编队无人设备的分层通信方法，涉及异构多智能体集群的通信技术领域，能够减小通信带宽的要求，并且设计了小组间的互相协作方案以便完成多样的任务，增强系统的适用性。本发明包括：在所述系统初始化的过程中，识别各个智能体的MAC地址，并根据识别结果确定每个智能体与邻近的智能体间的通信关系。将所述系统中的智能体划分为引领层和跟随层。根据智能体的系统ID，确定各个智能体所处的引领层或者跟随层。所述引领层的智能体向存在通信关系的所有智能体组播自身的位置、速度和偏航信息，所述跟随层的智能体的识别接收所处子群对应的领导者的信息。

Description

一种基于ZigBee的混合编队无人设备的分层通信方法

技术领域

本发明涉及异构多智能体集群的通信技术领域，尤其涉及一种基于ZigBee无线网络的应用于多无人机/无人车等无人设备的异构多智能体集群分层编队通信方法。

背景技术

随着科学技术的发展以及任务需求的多样化，单一种类的智能体系统显得难以适应，异构多智能体系统的跨域协同称为了未来的趋势。目前无人机-无人车空地协同技术是异构集群在编队领域的重要应用，无人机无人车编队控制，协同导航，协同起降受到了国内外学者的广泛关注。其中无人机无人车集群的通信链路的实现则是无人机无人车编队系统的基础，具有着重要的研究意义。

现有的无线通信技术可以实现多架智能体间以及智能体与地面站间的通信，但目前商业无线通信网络传输速率一般比较低。传统的领导-跟随者编队控制方法需要所有集群成员相互之间进行通信，随着集群中智能体数量的增加，通信量成几何式增长，导致通信拥堵乃至瘫痪，制约了智能体集群的规模。

因此，如何减小混合编队无人设备通信带宽的要求，同时增强系统的适用性以便完成多样的任务，成为了需要研究的课题。

发明内容

本发明的实施例提供一种基于ZigBee的混合编队无人设备的分层通信方法，能够减小通信带宽的要求，并且设计了了小组间的互相协作方案以便完成多样的任务，增强系统的适用性。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

技术方案中设计的系统包括：智能体和地面站，智能体和地面站分别都安装有ZigBee通信模块。智能体包括：至少两辆无人车和至少四架无人机。

所述方法包括：S1、在所述系统初始化的过程中，识别各个智能体的MAC地址，并根据识别结果确定每个智能体与邻近的智能体间的通信关系，其中，所述系统中的智能体划分为引领层和跟随层。

S2、将所述系统中的智能体划分为引领层和跟随层，其中，每个处于所述引领层的智能体对应至少一个所述跟随层中的子群，每个子群中包括至少一个处于所述跟随层的智能体。

S3、根据智能体的系统ID，确定各个智能体所处的引领层或者跟随层，其中，每个ZigBee模块接入ZigBee网络的时自动分配一个系统ID。

S4、所述引领层的智能体向存在通信关系的所有智能体组播自身的位置、速度和偏航信息，所述跟随层的智能体的识别接收所处子群对应的领导者的信息，其中，所述领导者为处于所述引领层的智能体。

本发明实施例提供的基于ZigBee的混合编队无人设备的分层通信方法，通过设置相同的通信导前码和网络编号使所有的智能体处在同一个ZigBee网络中。根据具体需求，为每一辆无人车/无人机分配各自的系统编号和可识别的MAC地址集，通过MAC地址与系统编号的双层判定确立系统的通信拓扑关系。子群层智能体接收来自对应子群领导者的位置、速度与偏航信息，根据编队规划器解算出期望位置与速度，并根据智能体类型的不同选择合适的编队跟踪控制器形成预设队形。当遭遇与对应领导者通信关系丢失等意外情况或任务需求需要更改通信关系时，可以在线修改系统编号判定，改变通信拓扑关系并实现自身领导者的切换，从而可以实现多无人机/无人车有限通信条件下的分层编队，可以提高通信效率并增大异构集群的规模。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的无人机无人车系统示意图。

图2为本发明实施例提供的分层通信方法通信规则示意图。

图3为本发明实施例提供的分层通信方法流程示意图。

图4为本发明实施例提供的总体方法流程示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本实施例的设计目的在于，为了精简智能体间不必要的通信数据流，提高通信效率，增加异构编队系统的智能体规模。能够实现无人机无人车系统分层编队，以便根据任务需求将集群划分为多个编队小组，增强异构系统的实用性。

本实施例的设计思路大致为：针对异构多智能体编队时存在非必要的通信数据从而导致的通信拥堵问题，通过将异构集群划分为不同的通信层次，避免了无人车/无人机间的数据冲突，相同通信条件下能有效增加集群的规模。

本发明实施例提供一种基于ZigBee的混合编队无人设备的分层通信方法，所述方法用于一种系统中，所述系统包括：智能体和地面站，智能体和地面站分别都安装有ZigBee通信模块。智能体包括：至少两辆无人车和至少四架无人机，如图1所示的，由多架无人车无人机、PC端的地面站组成系统通信网络。每一架无人车无人机以及PC端均装载ZigBee通信模块用于收发数据。通过XCTU提前确保每一个ZigBee模块工作在同一个通信网络中，且具备相同的通信导前码与工作波特率。其中，所述无人机可以采用四旋翼无人机。系统中智能体种类包含地面无人车和四旋翼无人机，引领层或子群层对于智能体种类并无限制，无人车/无人机均可根据需要决定处在引领层还是子群层。

如图4所示的，所述方法包括：

S1、在所述系统初始化的过程中，识别各个智能体的MAC地址，并根据识别结果确定每个智能体与邻近的智能体间的通信关系。

其中，所述系统中的智能体划分为引领层和跟随层。可以将所有的智能体分为引领层和跟随层，并为所有的ZigBee模块设置相同的通信导前码和网络ID，使系统中所有设备处在同一个ZigBee通信网络之中。具体来说，引领层和跟随层的划分根据实际情况以及任务需求决定，引领层和跟随层对于智能体类型没有限制，即无人车无人机既可以处在引领层作为一个子编队的领导者，也可以处在子群层作为子编队的跟随者。通信导前码和网络ID均在任务开始前设置完成，在任务开始接入网络后不可更改。

S2、将所述系统中的智能体划分为引领层和跟随层。

其中，每个处于所述引领层的智能体对应至少一个所述跟随层中的子群，每个子群中包括至少一个处于所述跟随层的智能体。将所有集群成员分为引领层和子群层，将整个ZigBee无线通信网络分为若干子网络。引领成员可以和同一子网络的子群成员通信，引领成员可以根据编队需要互相通信，子群成员仅和同一子网络的引领成员通信。正常情况下的分层情况与通信规则如图2所示。

需要说明的是，在混合编队方案的特殊之处，主要在于跟随者接收到信息之后的编队跟随部分，其中，编队规划器根据接收到的领导者信息解算出该跟随者当前时刻的期望位置、期望速度，根据智能体类型的不同，采用不同的编队跟踪控制器。若跟随者类型为无人机，则采用串级PID控制器实现编队跟踪，若跟随者类型为无人车，则采用L1非线性控制器。

S3、根据智能体的系统ID，确定各个智能体所处的引领层或者跟随层。

其中，每个ZigBee模块出厂时自带MAC地址，每个ZigBee模块接入ZigBee网络的时自动分配一个系统ID。具体的，MAC地址为每一个ZigBee模块的硬件地址，在模块出厂时根据IEEE标准统一分配，唯一且不可更改。系统ID为第一次接入网络时分配，可以根据编队和通信需求进行修改，但同一个ZigBee网络中，智能体系统ID不能重复。具体的，为系统中所有的智能体分配系统ID后，ZigBee透明模式下，默认的系统通信拓扑图为网状通信拓扑。对于编队系统而言，这样的网状通信拓扑结构虽然稳定，但不必要的数据流过多，随着系统中智能体数量的增加，这带来的通信压力将会迅速增长，使得系统数据链路阻塞。所以通过api模式的使用，和通信分层方案的设计，可以有效的缓解通信链路的压力，便于无人机无人车编队规模的扩展。

S4、所述引领层的智能体向存在通信关系的所有智能体组播自身的位置、速度和偏航信息，所述跟随层的智能体的识别接收所处子群对应的领导者的信息。

其中，所述领导者为处于所述引领层的智能体的系统ID。具体的，可以识别MAC地址，决定智能体自身能与哪些邻近智能体间存在通信关系。再判定系统ID决定智能体自身处在引领层还是子群层。实际应用中，每一架无人机/无人车在刷写固件时，都在固件中刷写了可识别的MAC地址集，每个智能体仅可以与可识别MAC地址的对象间进行消息收发，MAC识别关系一旦写入后，任务过程中不可更改。一般情况，引领层智能体间MAC地址相互识别，而子群层智能体间则不识别，但引领层智能体可以识别多个引领层智能体的MAC地址。

引领层的智能体向存在通信关系的所有智能体组播自身的位置、速度与偏航信息，子群层智能体通过系统ID的识别，对可识别MAC地址的其他引领层智能体的数据包进行丢包处理，仅接收所处子群领导者的信息传递给编队控制器。

本实施例中，在S1中包括：根据识别各个智能体的MAC地址建立MAC地址集，并根据MAC地址集建立底层通信拓扑关系，所述底层通信拓扑关系烧录至各个智能体的程序中。工作在同一个ZigBee网络下，每个ZigBee模块的MAC地址各不相同且无法改变，因此在无人机/无人车控制软件中通过枚举可识别的MAC地址集建立底层通信拓扑关系，该通信关系仅可通过为智能体重新烧录程序改变，在编队过程中不可改变。

根据所述底层通信拓扑关系建立所述系统的ZigBee无线通信网络，在所述系统的ZigBee无线通信网络中确定每个智能体与邻近的智能体间的通信关系。

当智能体启动并接入所述系统的ZigBee无线通信网络后，为接入的智能体分配系统ID。在智能体接入ZigBee网络时为每个智能体分配系统ID，系统ID以及系统ID的相关判定条件可在线修改，但同一时刻，编队中正在运行的智能体系统ID不得相同。

具体的，为所述系统中所有的ZigBee模块设置相同的通信前导码和网络ID，以便于所述系统中所有设备处在同一个ZigBee通信网络之中，其中，所有ZigBee模块的波特率也相同，且均工作在API模式下。除每个ZigBee模块出厂时自带的MAC地址外，在每一个设备接入ZigBee网络的时候，为其分配一个系统ID。

本实施例中，在S2中，包括：

检测智能体的系统ID是否符合引领层ID，并将符合引领层ID的智能体的位置、速度和偏航信息进行打包，，之后根据底层通信拓扑关系组播给自身MAC地址集中的邻接智能体，实际应用中，由引领层智能体通过组播的方式给自身代码中枚举出的MAC地址集合中的其他智能体发送信息。。其中，指定系统所有引领层智能体的ID，当智能体自身系统ID符合引领层ID时，将自身位置、速度、偏航信息打包组播给存在通信关系的邻接智能体。

本实施例中，需要针对多无人机无人车系统中的冗余通信关系，裁剪掉子群智能体间的非必要的通信链路，并保留编队、任务变动与故障预防所需的必要通信，保证系统在有限通信的情况下实现无人机无人车系统的分层编队，其中，非必要的通信链路可以依据实际情况灵活设定，而裁剪掉通信链路的具体手段也是基于现有协议实现的，在此不做赘述。具体的，在为智能体烧录固件时，为每一个智能体添加自身可识别的MAC地址集NetworkAddress，其中枚举出了可以互相通信的智能体地址VehicleAddress，精简掉与不在可识别集中智能体间的通信关系。然后再根据系统ID的判定决定自身所处层次。对于一个智能体来说，若自身处在引领层，则给可识别集中的所有对象组播自身的位置、速度与偏航信息。引领层中其他智能体和子群层中智能体接收到数据包后，将数据包中的系统ID与自身领导者ID进行比较，若接收的是来自自身领导者的数据，则将消息传递给编队控制器进行解算，若不是则丢弃该数据包。

本实施例中，在S4中，包括：

智能体检测自身的系统ID是否与领导者ID相同，若相同则，该智能体在接收到引领层中其它智能体的数据包的时候直接进行丢包处理，该智能体为整个编队系统的实际领导者，它的路径由写入的航点文件或上位机实时规划给出。需要说明的是，引领层中的各个智能体之间也进行交互通信，所交互的主要是位置信息。在实际应用中，引领层内部也可以存在跟随关系的，比如：引领层中有一个智能体的领导者ID就是这一个智能体的自身ID时，则这一个智能体实际上就是整个编队系统的领导者。其他的引领层的智能体是直接或间接跟随者他的。

若不相同则，该智能体接收所述引领层的智能体发出的通信信号，并读取对应ID的智能体的位置、速度以和偏航信息，所述对应ID为对应了该智能体系统ID的领导者ID。

为每个智能体指定一个可实时修改的在线参数，自身领导者ID。不同智能体间领导者ID可相同，智能体领导者ID等于自身系统ID时，该智能体不接收来自其他引领层智能体的位置、速度信息。当领导者ID不等于自身系统ID时，接收对应ID的智能体的位置、速度以及偏航信息，并通过编队规划器解算出自身当前时刻的期望位置、期望速度，最后根据自身的机架类型采用不同的编队跟踪控制器实现编队跟踪控制。。

进一步的，可以在出现接收不到对应领导者的信息或任务需求变动等情况时，进一步执行S5、在线修改所述系统的判定条件从而更新通信拓扑关系，并按照新的通信拓扑关系为子群中的智能体切换领导者。其中，当出现接收不到对应领导者的信息或任务需求变动等情况时，可在线修改判定条件改变通信拓扑关系，使子群层智能体切换为跟踪引领层的其他智能体。其中，判定条件的改变可以在任务过程中在线改变，通过地面站远程指令实现。因此，所述在线修改所述系统的判定条件从而更新通信拓扑关系，包括：在线修改对应子群的领导者ID值，从而更新通信拓扑关系。若跟随层智能体与原领导者间通信丢失或应任务需要更改领导者时，通过在线修改该子群智能体的领导者ID值即可实现通信拓扑关系的改变。例如：若出现某一个引领层领导者故障导致与子群间智能体通信丢失或任务需求变动等情况时，可以通过地面站指令修改该子群层智能体对应的自身领导者参数leader_ID，接收来自其它引领层智能体的位置、速度与偏航数据，将自身的领导者切换为其他引领层的智能体。

具体举例来说，本实施例在本具体举例的应用中主要用于多无人机无人车分层编队控制，在实际应用中的实现方式也可以将方案分为三个阶段，包括：编队准备阶段、编队执行阶段和编队重构阶段，其中：

1)编队准备阶段：

为每一架无人机无人车设置ZigBee模块的网络编号、通信导前码、工作模式以及工作波特率等一系列参数，之后根据任务需求规划引领层与子群层的智能体以及系统整体的队形，并通过MAC地址区分和系统ID判别将系统划分为几个不同的编队小组。规划完成后，为每一架智能体烧写控制固件。

2)编队执行阶段：

智能体根据自身层次不同，履行各自的职能，引领层智能体将自身的位置、速度与偏航等信息结合自身的系统ID与MAC地址打包发送给可识别集中的智能体，若存在引领层中其他智能体是自身领导者的情况下，接收其数据并传递给编队控制器。子群层智能体接收自身对应领导者的信息，并根据编队规划器解算出自身期望位置，之后根据智能体类型为无人机/无人车选择不同的跟踪控制器从而实现系统整体的编队。

3)编队重构阶段：

当出现引领层智能体故障或编队需求变动时，通过在地面站端发送指令或是预先烧录的判定逻辑，实现子群层智能体切换接收其他引领层智能体的消息，从而实现系统整体的编队不受影响。

本实施例中集群中的智能体分为引领成员与子群成员，把通信网络划分为若干子网络，在一个子网络中引领成员为领航者，子群成员为跟随者，减小了通信带宽的要求，也能通过小组间的互相协作，完成多样的任务，增强系统的适用性。具体来说，通过设置相同的通信导前码和网络编号使所有的智能体处在同一个ZigBee网络中。根据具体需求，为每一辆无人车/无人机分配各自的系统编号和可识别的MAC地址集，通过MAC地址与系统编号的双层判定确立系统的通信拓扑关系。子群层智能体接收来自对应子群领导者的位置、速度与偏航信息，并根据编队控制器形成预设队形。当遭遇与对应领导者通信关系丢失等意外情况或任务需求需要更改通信关系时，可以在线修改系统编号判定，改变通信拓扑关系并实现自身领导者的切换，从而可以实现多无人机/无人车有限通信条件下的分层编队，可以提高通信效率并增大异构集群的规模。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于ZigBee的混合编队无人设备的分层通信方法，其特征在于，包括：所述方法用于一种系统，所述系统包括：智能体和地面站，智能体和地面站分别都安装有ZigBee通信模块；智能体包括：至少两辆无人车和至少四架无人机；

所述方法包括：

S1、在所述系统初始化的过程中，识别各个智能体的MAC地址，并根据识别结果确定每个智能体与邻近的智能体间的通信关系，其中，所述系统中的智能体划分为引领层和跟随层；

S2、将所述系统中的智能体划分为引领层和跟随层，其中，每个处于所述引领层的智能体对应至少一个所述跟随层中的子群，每个子群中包括至少一个处于所述跟随层的智能体；

S3、根据智能体的系统ID，确定各个智能体所处的引领层或者跟随层，其中，每个ZigBee模块接入ZigBee网络的时自动分配一个系统ID；

S4、所述引领层的智能体向存在通信关系的所有智能体组播自身的位置、速度和偏航信息，所述跟随层的智能体的识别接收所处子群对应的领导者的信息，其中，所述领导者为处于所述引领层的智能体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S1中，还包括：

为所述系统中所有的ZigBee模块设置相同的通信前导码和网络ID，以便于所述系统中所有设备处在同一个ZigBee通信网络之中，其中，所有ZigBee模块的波特率也相同，且均工作在API模式下。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在S1中包括：

根据识别各个智能体的MAC地址建立MAC地址集，并根据MAC地址集建立底层通信拓扑关系，所述底层通信拓扑关系烧录至各个智能体的程序中；

根据所述底层通信拓扑关系建立所述系统的ZigBee无线通信网络，在所述系统的ZigBee无线通信网络中确定每个智能体与邻近的智能体间的通信关系；

当智能体启动并接入所述系统的ZigBee无线通信网络后，为接入的智能体分配系统ID。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，在S2中，包括：

检测智能体的系统ID是否符合引领层ID，并将符合引领层ID的智能体的位置、速度和偏航信息进行打包，之后根据底层通信拓扑关系组播给自身MAC地址集中的邻接智能体。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在S4中，包括：

智能体检测自身的系统ID是否与领导者ID相同，若相同则，该智能体在接收到引领层中其它智能体的数据包的时候直接进行丢包处理，该智能体为整个编队系统的实际领导者。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

智能体检测自身的系统ID是否与领导者ID相同，若不相同则，该智能体接收所述引领层的智能体发出的通信信号，并读取对应ID的智能体的位置、速度以和偏航信息，所述对应ID为对应了该智能体系统ID的领导者ID。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

S5、在线修改所述系统的判定条件从而更新通信拓扑关系，并按照新的通信拓扑关系为子群中的智能体切换领导者。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在线修改所述系统的判定条件从而更新通信拓扑关系，包括：

在线修改对应子群的领导者ID值，从而更新通信拓扑关系。