【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于控制，涉及一種高動態(tài)環(huán)境下的無人集群拓?fù)湫迯?fù)方法。
技術(shù)介紹
1、由于無人機(jī)有移動靈活、部署便捷、組網(wǎng)成本低、多傳感器集成等特點(diǎn)，使其具有高度的自主性和適應(yīng)性。在中繼通信、農(nóng)業(yè)、物流、災(zāi)害監(jiān)測、環(huán)境保護(hù)與監(jiān)測、基礎(chǔ)設(shè)施檢查等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，隨著無人機(jī)應(yīng)用場景的擴(kuò)大和復(fù)雜多變的應(yīng)用環(huán)境，無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)通過將多架無人機(jī)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作和信息共享。無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)具有分布式控制、自組織協(xié)同、任務(wù)分工合作、魯棒性強(qiáng)、覆蓋范圍廣泛等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜和高效的任務(wù)執(zhí)行，適應(yīng)各種應(yīng)用場景和應(yīng)用環(huán)境。
2、在無人機(jī)集群執(zhí)行任務(wù)的過程中，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)由于自身能量限制或外部環(huán)境等原因會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)受損，影響集群的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和任務(wù)完成能力。因此，為保證無人機(jī)集群在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化后能迅速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)性能，保證網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸和信息共享，需設(shè)計(jì)一種無人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫迯?fù)方法。首先，能提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)常被應(yīng)用于對網(wǎng)絡(luò)的連通性要求高的搜救救援、災(zāi)情監(jiān)測等關(guān)鍵任務(wù)。通過拓?fù)湫迯?fù)，可以快速恢復(fù)失效節(jié)點(diǎn)引起的網(wǎng)絡(luò)連接問題，保證網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸，從而更好地應(yīng)對緊急情況和保障人們的生命安全。其次，拓?fù)湫迯?fù)能夠提高無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)的效率和性能。由于無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大且拓?fù)渥兓l繁，通過拓?fù)湫迯?fù)可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋率、延長網(wǎng)絡(luò)壽命、優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸路徑，從而提升整體網(wǎng)絡(luò)性能。第三，拓?fù)湫迯?fù)可以提高集群網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性。面對復(fù)雜多變的環(huán)境和任務(wù)需求，通過拓?fù)湫迯?fù)方法，集群網(wǎng)絡(luò)可以具備自身感知、信息共享和自主決策的能力，快速
3、一方面，專利技術(shù)人對拓?fù)湫迯?fù)的現(xiàn)有研究集中無線傳感網(wǎng)和移動自組織網(wǎng)，針對移動性高、拓?fù)鋭討B(tài)變化劇烈、連通性要求高、鏈路通信距離長的飛行自組網(wǎng)的研究相對較少，大多研究集中在特定場景下的編隊(duì)控制、任務(wù)規(guī)劃、拓?fù)錁?gòu)建方面。另一方面，多數(shù)研究針對靜態(tài)場景和網(wǎng)絡(luò)特殊節(jié)點(diǎn)失效后的修復(fù)，針對動態(tài)環(huán)境和大規(guī)模無人機(jī)節(jié)點(diǎn)失效的研究較少。因此需要一種在動態(tài)環(huán)境下圍繞無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)在遭受大規(guī)模節(jié)點(diǎn)失效后的拓?fù)湫迯?fù)方法，提高無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)的通信效率和容錯(cuò)性能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、有鑒于此，本專利技術(shù)的目的在于提供一種高動態(tài)環(huán)境下的無人集群拓?fù)湫迯?fù)方法，在大面積節(jié)點(diǎn)失效情況下能夠修復(fù)無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B通性的同時(shí)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2、為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)提供如下技術(shù)方案：
3、一種無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫迯?fù)方法，包括以下步驟：
4、s1：載入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；
5、s2：建立無人機(jī)節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路，構(gòu)建集群網(wǎng)絡(luò)正常飛行和受損拓?fù)淠Ｐ停?/p>
6、s3：正常飛行階段：基于預(yù)定義路徑計(jì)算無人機(jī)集群正常飛行階段虛擬力，更新位置信息；
7、s4：恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)1-連通階段：基于幸存節(jié)點(diǎn)的鄰域信息，計(jì)算多重虛擬力修復(fù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌謴?fù)網(wǎng)絡(luò)連通；其中，網(wǎng)絡(luò)1-連通指網(wǎng)絡(luò)連通度為1；
8、s5：優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋階段：基于全局網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置信息，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓采w性能；
9、根據(jù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以修復(fù)受損網(wǎng)絡(luò)連通度和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋度為目標(biāo)，采用基于改進(jìn)多重虛擬力的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫迯?fù)方法，對無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的移動方向和速度進(jìn)行更新。
10、進(jìn)一步，所述s1中，載入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)包括通信范圍、傳感范圍和無人機(jī)生成位置信息，無人機(jī)預(yù)定義軌跡，無人機(jī)初始生成服從泊松盤分布。
11、進(jìn)一步，所述s2中，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)正常飛行和受損的拓?fù)淠Ｐ停唧w步驟為：
12、對于自由空間中由n架無人機(jī)構(gòu)成的無人機(jī)集群v＝{u1,u2,...un}，n為集群無人機(jī)數(shù)量，設(shè)兩無人機(jī)節(jié)點(diǎn)ui和uj之間的距離為dij，當(dāng)dij小于通信距離rc時(shí)兩節(jié)點(diǎn)之間存在雙向鏈路，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)抽象為由節(jié)點(diǎn)集合v和無人機(jī)之間的通信關(guān)系集合e＝{(ui,uj)|ui,uj∈v,dij≤rc}構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)g＝(v,e)；對于無人機(jī)集群在移動過程中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)遭受大范圍攻擊受損階段，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分割成g'＝{gi＝(vi,ei)|i＝1,2,...,m}，包括m個(gè)連通子區(qū)域。
13、進(jìn)一步，所述s3中，更新無人機(jī)節(jié)點(diǎn)正常飛行階段的位置信息，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)ui沿預(yù)定義路徑pi＝{pi,n＝(xi,n,yi,n)|n＝1,2,...,k}前進(jìn)到目標(biāo)區(qū)域，k為預(yù)定義路徑的路點(diǎn)數(shù)量；節(jié)點(diǎn)ui的此刻位置為pi,n＝(xi,n,yi,n)，下一時(shí)刻位置為pi,n+1＝(xi,n+1,yi,n+1)，其引導(dǎo)力表達(dá)式為：
14、
15、kg為引導(dǎo)力調(diào)整系數(shù)，為當(dāng)前路點(diǎn)指向下一路點(diǎn)的單位向量，通過節(jié)點(diǎn)所受合力計(jì)算節(jié)點(diǎn)速度大小：
16、
17、進(jìn)一步，所述s4中，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)受損階段網(wǎng)絡(luò)幸存節(jié)點(diǎn)的虛擬力種類和大小，具體包括：
18、s41：設(shè)置引導(dǎo)力：與s3所述引導(dǎo)力設(shè)置一致，幸存節(jié)點(diǎn)沿預(yù)定義路徑前行；
19、s42：設(shè)置聚合力：將鄰域內(nèi)有節(jié)點(diǎn)遭受攻擊的節(jié)點(diǎn)作為修復(fù)節(jié)點(diǎn)來完成修復(fù)過程，節(jié)點(diǎn)通過其鄰域內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)的失效情況判斷初始聚合力的方向；節(jié)點(diǎn)定時(shí)收到來自鄰居的位置信息及其鄰居維護(hù)的一跳鄰居列表來更新自己的節(jié)點(diǎn)鄰域列表，包括節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居列表γi＝{(idj,posj)|dij＜rc}以及對應(yīng)的二跳鄰居列表ii＝{(idj,posj,γj)|dij＜rc}；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生失效時(shí)，節(jié)點(diǎn)會基于粒子群-模擬退火算法計(jì)算聚合位置集合uuc＝{o1,o2,...,ol}，l為節(jié)點(diǎn)聚合位置數(shù)量，節(jié)點(diǎn)聚合力定義為：
20、
21、kc為聚合力調(diào)整系數(shù)，為節(jié)點(diǎn)不連通位置集合為uuc＝{o1,o2,...,ol}的位置向量；
22、s43：設(shè)置拓?fù)淞Γ簽楸ＷC整體拓?fù)浯笾路€(wěn)定，設(shè)定鄰居間的拓?fù)淞砭S護(hù)鄰居間的連接關(guān)系，包括防止鄰居斷連的吸引力和避免節(jié)點(diǎn)距離過近的排斥力，具體定義為：
23、
24、為吸引力，定義為：
25、
26、為排斥力，定義為：
27、
28、ka和kr為拓?fù)淞φ{(diào)整系數(shù)，α∈(0,1]，αrc為期望為節(jié)點(diǎn)施加吸引力的理想距離，β∈(0,1]，βrd為期望為節(jié)點(diǎn)施加排斥力的理想距離；
29、s44：設(shè)置孤立節(jié)點(diǎn)邊界力：孤立節(jié)點(diǎn)為鄰域范圍內(nèi)受損嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)，單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)連通分支，不受鄰域拓?fù)淞Γㄟ^區(qū)域邊界對其施加邊界力來控制其偏離集群程度，區(qū)域邊界定義為以節(jié)點(diǎn)下一時(shí)刻的預(yù)定義路徑為中心的矩形區(qū)域，具體定義為：
30、
31、kb為邊界力調(diào)整系數(shù)；
32、s45：設(shè)置合力：恢復(fù)1-連通階段節(jié)點(diǎn)所受合力為：
33、
34、根據(jù)節(jié)點(diǎn)的鄰居幸存率來設(shè)定kc，定義節(jié)點(diǎn)的鄰居幸存率為節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)鄰居個(gè)數(shù)，為初始部署時(shí)節(jié)點(diǎn)的鄰居個(gè)數(shù)，聚合力系數(shù)定義為：
35、
36、進(jìn)一步，所述s5中，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋度，通過基于粒子群-模擬退本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種高動態(tài)環(huán)境下的無人集群拓?fù)湫迯?fù)方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高動態(tài)環(huán)境下的無人集群拓?fù)湫迯?fù)方法，其特征在于：所述S1中，載入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)包括通信范圍、傳感范圍和無人機(jī)生成位置信息，無人機(jī)預(yù)定義軌跡，無人機(jī)初始生成服從泊松盤分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高動態(tài)環(huán)境下的無人集群拓?fù)湫迯?fù)方法，其特征在于：所述S2中，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)正常飛行和受損的拓?fù)淠Ｐ停唧w步驟為：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高動態(tài)環(huán)境下的無人集群拓?fù)湫迯?fù)方法，其特征在于：所述S3中，更新無人機(jī)節(jié)點(diǎn)正常飛行階段的位置信息，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)ui沿預(yù)定義路徑Pi＝{pi,n＝(xi,n,yi,n)|n＝1,2,...,k}前進(jìn)到目標(biāo)區(qū)域，k為預(yù)定義路徑的路點(diǎn)數(shù)量；節(jié)點(diǎn)ui的此刻位置為pi,n＝(xi,n,yi,n)，下一時(shí)刻位置為pi,n+1＝(xi,n+1,yi,n+1)，其引導(dǎo)力表達(dá)式為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高動態(tài)環(huán)境下的無人集群拓?fù)湫迯?fù)方法，其特征在于：所述S4中，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)受損階段網(wǎng)絡(luò)幸存節(jié)點(diǎn)的虛擬力種類和大小，具體包括
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高動態(tài)環(huán)境下的無人集群拓?fù)湫迯?fù)方法，其特征在于：所述S5中，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋度，通過基于粒子群-模擬退火算法的三角剖分計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的覆蓋冗余或空洞，施加覆蓋修復(fù)力對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)點(diǎn)所受覆蓋修復(fù)力具體定義為：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種高動態(tài)環(huán)境下的無人集群拓?fù)湫迯?fù)方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高動態(tài)環(huán)境下的無人集群拓?fù)湫迯?fù)方法，其特征在于：所述s1中，載入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)包括通信范圍、傳感范圍和無人機(jī)生成位置信息，無人機(jī)預(yù)定義軌跡，無人機(jī)初始生成服從泊松盤分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高動態(tài)環(huán)境下的無人集群拓?fù)湫迯?fù)方法，其特征在于：所述s2中，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)正常飛行和受損的拓?fù)淠Ｐ停唧w步驟為：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高動態(tài)環(huán)境下的無人集群拓?fù)湫迯?fù)方法，其特征在于：所述s3中，更新無人機(jī)節(jié)點(diǎn)正常飛行階段的位置信息，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)ui沿預(yù)定義路徑pi＝{pi,n＝(xi...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：梁靚，蔡夢琪，賈云健，溫萬里，吳軒光，武彥飛，陳澤鑫，
申請(專利權(quán))人：重慶大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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