CN118158638A - 一种基于光通信的无人机组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光通信的无人机组网方法，依据预设的编队网络搜索无人机的连接对象，再通过无人机上搭载的光通信模组及匹配转台完成节点之间的初始化连接；随着节点的不断连接最终构建完整的编队网络；根据编队网络，无人机构建节点通信链路网络，发送节点的无人机数据在选定通信链路上依次传递；本发明充分利用光通信技术的高稳定性与可靠性，满足了无人机集群在高强度干扰下执行协同任务的需求，解决了复杂环境下无人机网络的实时通信问题，增强了编队网络的结构稳定性与鲁棒性。

Description

一种基于光通信的无人机组网方法

技术领域

本发明涉及无人机编队控制领域，尤其涉及一种基于光通信的无人机组网方法。

背景技术

无人机编队组网是指多个无人机通过通信、协同控制等技术，在空中形成一个有序的编队，并协同执行任务。无人机集群具有广阔的应用前景，在军事领域无人机群可以用于执行侦察、监视、打击等任务；在民用领域无人机编队组网可以用于执行搜索救援、灾害监测、物流配送等任务。随着无人机技术的不断发展，无人机编队组网技术将得到更加广泛的应用。

无人机编队组网需要依靠无线通信技术来实现无人机之间的实时信息交互，这对无线通信技术提出了较高的要求。现有的无人机光通信方式是通过在五人机上安装激光通信模组与地面的控制平台进行通信，进而实现对无人机编队的控制，然而这种方式对无人机离地的距离有限制，超过设定的通信范围后，无人机与控制平台之间的通信数据丢包率会增加，信号传输的稳定性降低，增加距离之后各无人机之间通过控制平台控制具有一定的延时，无人机编队运行过程中可能会存在无人机之间不能同步响应控制指令的现象，降低了工作效率。因此，如何增强高空环境下无人机集群网络的鲁棒性成为主要的研究技术难点。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种基于光通信的无人机组网方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于光通信的无人机组网方法，具体步骤包括：

搭载光通信模组的多个无人机相互通信，构建无人机编队网络；

根据编队网络，多个无人机之间建立连接通信链路，形成无人机节点链路网络；

根据通信链路网络，发送节点选择对应的通信链路，确定接收节点；发送节点对通信数据进行调制，根据选择的通信链路将通信数据传输至下一节点，当前节点对接收的通信数据进行解调获取发送节点的数据信息；

判断接收节点，若当前节点为接收节点，则结束数据传递，若当前节点不是接收节点，则根据当前节点与接收节点的链路将当前节点的通信数据传递至下一节点，直至接收节点获取到通信数据。

优选的，光通信模组的连接方式为单一匹配连接，多个光通信模组在未匹配状态下，同一时刻的光通信模块之间一对一连接。

优选的，每个光通信模组均匹配有转台，控制无人机发送和接收的角度。

优选的，构建无人机编队网络的具体步骤包括：

基于编队网络确定当前无人机需要连接的对象；

基于编队网络中连接对象的相对位置，调整与光通信模组匹配转台的起始位置，待连接光通信模组的转台起始位置关于中轴对称，所述中轴为贯穿待连接的转台旋转中心的直线；

待连接转台之间以特定的步进角度向相反的方向扫描，若光通信模组获取到特定信号，转台则停止扫描，待连接的光通信模组之间建立连接；若未检测到特定信号，则继续扫描直至扫描角度达到上限。

优选的，若扫描角度达到上限，则将待连接转台的扫描方向调整为相反方向，保持待连接转台在起始位置与最大角度位置的区间内循环扫描直至建立连接。

优选的，多个无人机之间传递的通信数据包括：帧头、发送节点、关键数据、接收节点、校验信息、帧尾。

优选的，帧头帧尾为固定格式；接收节点和发送节点为每个无人机的识别地址，关键数据为无人机具体服务数据。

优选的，多个无人机之间构建通信链路的具体步骤包括：

基于编队网络获取各无人机之间的连接关系，根据连接关系确定每个无人机节点的度；

根据节点的度确定每个无人机需要安装的光通信模组数量；

通过Dijkstra算法获得每个节点与任意节点之间进行数据传输的通信链路。

优选的，单个无人机安装多个光通信模组时，采用冗余的光通信模组匹配任意初始无人机编队以外的无人机。

优选的，单个无人机具有多条通信链路时，在最短路径受阻时，选择次优通信链路完成数据传输。

本发明提供的一种基于光通信的无人机组网方法，其有益效果在于：

1、每个无人机上均安装有至少一个光通信模组，无人机通过光通信模组进行通信连接，构建的无人机编队网络可靠性强。且每个无人机集成了光通信模组和控制平台，使得数据通信过程直接在无人机与无人机之间传输，而无需无人机再将数据信号传输至地面的控制平台再向其他无人机进行传送，突破了无人机在高空运行时对高度的限制，无人机可以在高空即可实现数据传输，提高了数据传输过程的抗干扰能力和数据传输效率。

2、通过无人机节点与节点相互传递通信数据的方式，传输的准确性更高。

3、支持编队扩展；当单个无人机上安装了多个光通信模组时，冗余的光通信模组可匹配任意初始集群以外的其他无人机，可实现集群的扩充与合并。

4、传递通信的高鲁棒性；对于存在多条通信链路的无人机，在最短路径受阻的情况下可以通过次优链路实现通信。

附图说明

图1为本发明提供的基于光通信的无人机链路网络进行数据传输的流程图；

图2为本发明提供的基于光通信的无人机构建通信连接的流程图；

图3为本发明提供的基于光通信的无人机构建通信连接的示意图；

图4为本发明提供的基于光通信的五个节点无人机的集群网络。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为任意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、横向、纵向……)仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

本发明提供了一种基于光通信的无人机组网方法，其具体步骤包括：

搭载光通信模组的多个无人机相互通信，构建无人机编队网络；

根据编队网络，多个无人机之间建立连接通信链路，形成无人机节点链路网络；

根据通信链路网络，发送节点选择对应的通信链路，确定接收节点；发送节点对通信数据进行调制，根据选择的通信链路将通信数据传输至下一节点，当前节点对接收的通信数据进行解调获取发送节点的数据信息；

判断接收节点，若当前节点为接收节点，则结束数据传递，若当前节点不是接收节点，则根据当前节点与接收节点的链路将当前节点的通信数据传递至下一节点，直至接收节点获取到通信数据。

具体的，每一无人机上都配置有光通信模组，每个无人机可安装至少两个光通信模组，待连接无人机之间的通信模组相互连接，构成了无人机编队网络。基于编队网络，每个光通信模组都匹配有一个转台，用来控制无人机接收和发送通信数据的角度。基于编队网络，无人机与无人机之间通过转台获取待连接的无人机地址信息后构建连接通信链路。如图1所示，无人机通信链路构建完成后，首先确定发送的无人机节点，根据构建的通信链路网络确定接收节点，而后对需要发送的数据信号进行调制，选定的通信链路将调制的通信数据发送至与发送节点相连接的无人机节点上，当前节点对接收的数据进行解调获取接收节点的数据信息。当前节点的无人机判断该节点是否为接收节点，若不是接收节点，则继续将数据信息传输至链路的下一个节点处，直至接收节点接收到通信数据。本实施例中，多个无人机通过安装多个光通信模组，使得无人机与无人机之间直接进行通信连接，相比于现有技术来说，光通信模组汇集了现有技术中的光通信功能和控制平台的控制功能，省去了位于高空的无人机与地面的控制平台之间的通信距离，提升了无人机的响应速度。另外，无人机进行数据传输时，基于构建的通信链路网络选择最优的数据传递链路，通过选择链路将通信数据依次在无人机节点进行传递的方式，克服了飞行高度对无人机与无人机之间进行数据通信的限制，提高了无人机之间连接和状态不稳定的问题，同样也减少了数据传输的丢包概率，提升了无人机编队的稳定性，提高了无人机的抗干扰能力。

此外，当无人机安装了多个光通信模组时，冗余的光通信模组可匹配任意初始集群以外的其他无人机，可实现集群的扩充与合并。其中，初始集群是指第一次了连接形成的编队网络，初始集群构建完成后，可通过冗余的光通信模组与初始集群以外的无人机或者集群连接，形成更大的编队网络，降低了无人机编队的扩充难度。对于存在多条通信链路的无人机来说，在最短路径受阻的情况下，可以通过选择次优链路来实现通信，有效的提高了传递通信的鲁棒性，所述次优路径是指在某个节点不存在情况下的最短拓扑路径。

本实施例中，安装于无人机上光通信模组的位置可调，根据无人机编队的形状，可对光通信模组的位置进行调节，相对于现有技术中安装位置固定的方式，打破了无人机编队形状的限制，拓宽了适用范围。

本实施例中，光通信模组的连接方式为单一匹配连接，多个光通信模组在未匹配状态下，同一时刻的光通信模块之间一对一连接。具体的，光通信模组为单一匹配机制，一个光通信模组与另一个光通信模组完成初始连接后被匹配在一起，同一时刻一个光通信模组仅允许匹配一个光通信模组，且两个模组必须都处于未匹配的状态。光通信模组具有双通信功能，兼具发送数据和接收数据的功能。

本实施例中，多个无人机之间传递的通信数据包括：帧头、发送节点、关键数据、接收节点、校验信息、帧尾。其中，帧头、帧尾为固定格式；接收节点和发送节点为每个无人机的识别地址，关键数据为无人机具体服务数据。其中，帧头、帧尾为固定格式是指数据传输的过程中帧头帧尾格式不变，具体需要事先设定。

如图2、3所示，无人机通过光通信模组通信构建无人机编队网络具体步骤包括：

基于编队网络确定当前无人机需要连接的对象；

基于编队网络中连接对象的相对位置，调整与光通信模组匹配转台的起始位置，待连接光通信模组的转台起始位置关于中轴对称，所述中轴为贯穿待连接的转台旋转中心的直线；

待连接转台之间以特定的步进角度(a)向相反的方向扫描，若光通信模组获取到特定信号，转台则停止扫描，待连接的光通信模组之间建立连接；若未检测到特定信号，则继续扫描直至扫描角度达到上限。

其中，转台的步进角度(a)可根据实际运用场景设置的参数，角度上限是指，飞行前设定的最大步进角度，转台的扫描过程则是从起始位置逐渐向最大步进位置，即扫描的终点运行，直至转到终点。其中，中轴可参考图2中示例的两个转台构成的位置，本实施例中将待连接的转台分别向相反的方向转动的目的在于，减少转台扫描的角度、缩短扫描时间，提高扫描概率，进而提高无人机与无人机的连接效率。其中，特定信号为特定的初始化连接信号。

本实施例中，若扫描角度达到上限，则将待连接转台的扫描方向调整为相反方向，保持待连接转台在起始位置与最大角度位置的区间内循环扫描直至建立连接。具体的，扫描角度达到上限后，将转台扫描方向调整至与前一轮扫描相反的方向继续扫描，此时，前一轮扫描的最大角度为下一轮扫描的起始位置，前一轮扫描的起始位置则为下一轮扫描的最大角度位置。

本实施例中，多个无人机之间构建通信链路的具体步骤包括：

基于编队网络获取各无人机之间的连接关系，根据连接关系确定每个无人机节点的度；

根据节点的度确定每个无人机需要安装的光通信模组数量；

通过Dijkstra算法获得每个节点与任意节点之间进行数据传输的通信链路。

为方便理解，先距离说明无人机构建链路网络的过程；

如图4所示，采用五个无人机节点形成的编队网络进行说明，五个节点的无人机构成的编队网络邻接矩阵A为：

其中，“1”代表存在通信连接，“0”表示不存在连接，无人机个体自身之间默认不存在连接；进一步得到网络的节点度矩阵D为：

基于编队网络获取各无人机之间的连接关系，根据连接关系确定每个无人机节点的度，其中，节点度是指该节点直接相连的边的数量。在一个无向图中，每条边连接两个节点，对于每个节点来说，节点的度就是与其相连边的总数。通过度矩阵获得每个无人机上搭载的光通信模组数量，例如无人机①搭载3个光通信模组，而无人机③则需要搭载4个设备。基于Dijkstra算法得到网络中任意节点之间的通信链路，例如无人机①与无人机⑤之间通信链路为①-③-⑤。本实施例中，获得无人机节点链路的方式包括但不限于Dijkstra算法，还可以是其他算法。

无人机节点之间建立连接时，其步骤包括：

基于编队网络确定需要建立连接的对象为②、③、④；

启动无人机①上的光通信模组，发出初始化连接信号，与此同时无人机②、③、④上的光通信模组也处于发射状态；

通过无人机上搭载的计算核心设置每个光通信模组转台的起始位置；

无人机控制转台以特定步进角度(a)向相反方向扫描，如图4中所示，转台1(无人机①搭载)从左向右扫描，转台2(无人机②搭载)从右向左扫描；

若两个转台扫描的过程中光通信模组搜索到了特定的初始化连接信号，则停止扫描，转台上搭载的光通信模组建立连接，即两架无人机之间建立通信链路；否则继续扫描直到扫描角度超过上限(图4中设置为6a)，此时转台朝相反方向扫描直到回到起始位置，重复这一扫描过程直到光通信模组建立连接；

编队网络中的无人机节点相互通信的具体步骤为(以无人机①与无人机⑤通信为例)：

基于网络得到无人机①与无人机⑤之间通信链路为①-③-⑤，则确定接收节点为⑤，无人机①对发送数据进行光信号调制，将调制的通信数据通过通信模组发送给通信链路的下一个无人机节点③；

无人机③接收通信数据并对其解调，解调后将自身识别的地址与通信数据中接收节点⑤的地址进行匹配，若匹配错误，则重新调制通信数据发送自身与接收节点通信链路(③-⑤)的下一个节点，即发送给无人机⑤；

无人机⑤接收到数据后重复无人机③的数据传递操作，若数据中的接收节点地址与自身地址匹配，则依据数据中的关键数据执行相应的操作。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于光通信的无人机组网方法，其特征在于，具体步骤包括：

搭载光通信模组的多个无人机相互通信，构建无人机编队网络；

根据编队网络，多个无人机之间建立连接通信链路，形成无人机节点链路网络；

根据通信链路网络，发送节点选择对应的通信链路，确定接收节点；发送节点对通信数据进行调制，根据选择的通信链路将通信数据传输至下一节点，当前节点对接收的通信数据进行解调获取发送节点的数据信息；

判断接收节点，若当前节点为接收节点，则结束数据传递，若当前节点不是接收节点，则根据当前节点与接收节点的链路将当前通信数据传递至下一节点，直至接收节点获取到通信数据。

2.根据权利要求1所述的基于光通信的无人机组网方法，其特征在于，所述光通信模组的连接方式为单一匹配连接，多个光通信模组在未匹配状态下，同一时刻的光通信模块之间一对一连接。

3.根据权利要求2所述的基于光通信的无人机组网方法，其特征在于，每个光通信模组均匹配有转台，控制无人机发送和接收的角度。

4.根据权利要求1所述的基于光通信的无人机组网方法，其特征在于，构建无人机编队网络的具体步骤包括：

基于编队网络确定当前无人机需要连接的对象；

基于编队网络中连接对象的相对位置，调整与光通信模组匹配转台的起始位置，待连接光通信模组的转台起始位置关于中轴对称，所述中轴为贯穿待连接的转台旋转中心的直线；

待连接转台之间以特定的步进角度向相反的方向扫描，若光通信模组获取到特定信号，转台则停止扫描，待连接的光通信模组之间建立连接；若未检测到特定信号，则继续扫描直至扫描角度达到上限。

5.根据权利要求4所述的基于光通信的无人机组网方法，其特征在于，若扫描角度达到上限，则将待连接转台的扫描方向调整为相反方向，保持待连接转台在起始位置与最大角度位置的区间内循环扫描直至建立连接。

6.根据权利要求4所述的基于光通信的无人机组网方法，其特征在于，多个无人机之间传递的通信数据包括：帧头、发送节点、关键数据、接收节点、校验信息、帧尾。

7.根据权利要求6所述的基于光通信的无人机组网方法，其特征在于，所述帧头帧尾为固定格式；接收节点和发送节点为每个无人机的识别地址，关键数据为无人机具体服务数据。

8.根据权利要求1所述的基于光通信的无人机组网方法，其特征在于，多个无人机之间构建通信链路的具体步骤包括：

基于编队网络获取各无人机之间的连接关系，根据连接关系确定每个无人机节点的度；

根据节点的度确定每个无人机需要安装的光通信模组数量；

通过Dijkstra算法获得每个节点与任意节点之间进行数据传输的通信链路。

9.据权利要求8所述的基于光通信的无人机组网方法，其特征在于，单个无人机安装多个光通信模组时，采用冗余的光通信模组匹配任意初始无人机编队以外的无人机。

10.根据权利要求9所述的基于光通信的无人机组网方法，其特征在于，单个无人机具有多条通信链路时，在最短路径受阻时，选择次优通信链路完成数据传输。