CN106992897A - 多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法及装置 - Google Patents

多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN106992897A
CN106992897A CN201710423617.8A CN201710423617A CN106992897A CN 106992897 A CN106992897 A CN 106992897A CN 201710423617 A CN201710423617 A CN 201710423617A CN 106992897 A CN106992897 A CN 106992897A
Authority
CN
China
Prior art keywords
digraph
arc
node
communication network
failure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710423617.8A
Other languages
English (en)
Inventor
罗贺
王国强
胡笑旋
马华伟
靳鹏
夏维
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hefei University of Technology
Original Assignee
Hefei University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hefei University of Technology filed Critical Hefei University of Technology
Priority to CN201710423617.8A priority Critical patent/CN106992897A/zh
Publication of CN106992897A publication Critical patent/CN106992897A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L41/00—Arrangements for maintenance, administration or management of data switching networks, e.g. of packet switching networks
    • H04L41/12—Discovery or management of network topologies
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L41/00—Arrangements for maintenance, administration or management of data switching networks, e.g. of packet switching networks
    • H04L41/06—Management of faults, events, alarms or notifications
    • H04L41/0654—Management of faults, events, alarms or notifications using network fault recovery
    • H04L41/0659—Management of faults, events, alarms or notifications using network fault recovery by isolating or reconfiguring faulty entities
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/01—Protocols
    • H04L67/12—Protocols specially adapted for proprietary or special-purpose networking environments, e.g. medical networks, sensor networks, networks in vehicles or remote metering networks
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W24/00—Supervisory, monitoring or testing arrangements
    • H04W24/04—Arrangements for maintaining operational condition

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Telephonic Communication Services (AREA)

Abstract

本发明提供了一种多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法及装置。所述方法包括：当所述多无人机协同编队发生通信故障时，获取所述通信故障的类型；根据所述通信故障的类型在通信网络拓扑中删除通信故障弧或通信故障节点以获取优化通信网络拓扑；获取所述优化通信网络拓扑的三维最优持久图，所述三维最优持久图即为该多无人机协同编队的优化信息交互拓扑。所述装置基于上文所述方法实现。本发明可以在多无人机组成的三维持久编队发生通信故障之后快速优化信息交互拓扑以避免发生无人机碰撞事故并恢复编队队形。

Description

多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法及装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法及装置。
背景技术
在起飞巡航阶段，所有无人机(UAV)通常通过点对点的通信链接(communicationlinks)进行信息交互，以形成一定的编队队形(formation shape或者formationgeometry)，并保持此编队队形继续朝目标区域飞行。其中所使用的通信链接被称为多UAV协同编队的信息交互拓扑(information exchange topology)，同时，将UAV之间所有可用的通信链接的集合称为多UAV协同编队的通信网络拓扑(Communication NetworkTopology)。
由于信息交互拓扑中任何两位置UAV之间的通信距离不同，导致信息交互拓扑中不同UAV之间通信链接具有不同的通信代价并会消耗UAV相应的电池电量或燃料。实际应用中，两个UAV之间通信链接的通信代价受到很多因素影响，例如，任务要求、通信距离、飞行性能、安全性等。为简化说明，上述通信代价直接采用通信距离来表示。
同时，每架UAV可用的电池电量或燃料又是有限的。此外，编队飞行过程中某架或多架UAV可能会发生通信故障，使得当前信息交互拓扑中的某些通信链接不能够被使用，从而导致多UAV协同编队不能继续保持编队队形，严重时甚至会导致UAV碰撞事故。因此，如何通过优化多无人机协同编队的信息交互拓扑，以避免发生UAV碰撞事故并恢复编队队形，同时降低UAV的电池电量或燃料的消耗成为了亟需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法及装置，用于在多无人机组成的三维持久编队发生通信故障之后快速优化此三维持久编队的信息交互拓扑，以避免发生无人机碰撞事故并恢复编队队形，同时降低无人机的电池电量或燃料的消耗。
第一方面，本发明实施例提供了一种多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法，所述方法包括：
当所述多无人机协同编队发生通信故障时，获取所述通信故障的类型；
根据所述通信故障的类型在通信网络拓扑中删除通信故障弧或通信故障节点以获取优化通信网络拓扑；
获取所述优化通信网络拓扑的三维最优持久图，所述三维最优持久图即为该多无人机协同编队的优化信息交互拓扑。
可选地，所述获取所述优化通信网络拓扑的三维最优持久图的步骤包括：
计算所述优化通信网络拓扑的三维最优刚性图；
将所述三维最优刚性图中每条边转换成属于所述优化通信网络拓扑的一条弧或者两条权值相同但方向相反的弧得到第一有向图；
在所述第一有向图中增加一个虚拟领航者节点和所述虚拟领航者节点到所述第一有向图中每个节点的出弧得到第二有向图；所述虚拟领航者节点与所述第一有向图中每个节点之间设置有三条出弧，并且所述虚拟领航者节点的每条出弧的权值相同并大于所述第一有向图中全部弧的权值之和；
获取所述第二有向图的第一最小树形图，并删除所述第一最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第三有向图T1；
删除所述第二有向图中对应所述第一最小树形图中所有弧及其对应的反向弧得到第四有向图；
获取所述第四有向图的第二最小树形图，并删除所述第二最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第五有向图T2；
删除所述第四有向图中对应所述第二最小树形图中所有弧及其对应的反向弧得到第六有向图；
获取所述第六有向图的第三最小树形图，并删除所述第三最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第七有向图T3；
合并所述第三有向图、所述第五有向图和所述第七有向图得到第八有向图T以及所述第八有向图T中弧的数量m；
当所述三维最优刚性图R的节点数量为n且m满足m＝3n-6时，则所述第八有向图T为三维最优持久图；
当满足m<(3n-6)时，获取所述三维最优刚性图中的第l条边对应的属于所述第一有向图中弧集合的一条或者两条弧，符号l的初始值为1；
若该一条或者两条弧都不在所述第八有向图中，获取第l条边对应两节点在所述第八有向图中的入度；
当第l条边对应的两节点的入度不都等于3且其中一个入度小于3的节点的对应第l条边的入弧属于所述第一有向图中弧集合时，将该入度小于3的节点的对应第l条边的入弧添加到所述第八有向图中得到第九有向图；
若所述第九有向图中弧的数量m等于(3n-6)时，则所述第九有向图为三维最优持久图；否则将所述第八有向图中的数据更新为所述第九有向图中的数据。
可选地，所述获取所述优化通信网络拓扑的三维最优持久图的步骤还包括：
当第l条边对应的两节点的入度都等于3且该第l条边对应的一条弧属于所述第一有向图中弧集合时，将该第l条边对应的一条弧添加到第八有向图中得到第十有向图，记该弧指向的节点为第一节点；
按照先入度2再入度1最后入度0的方式在所述第十有向图中寻找入度小于3的一个第二节点，使得所述第二节点与所述第一节点之间具有最少跳数的路径，并且所述最少跳数的路径对应的所有弧的反向弧都在所述第一有向图中弧集合中，将所述最少跳数的路径对应的所有弧反向得到第十一有向图；否则从所述第十有向图中删除已添加的该第l条边对应的一条弧，从优化通信网络拓扑中删除该第l条边对应的两条弧，重新计算；
若所述第十一有向图中弧的数量m等于(3n-6)时，则所述第十一有向图为三维最优持久图；否则将所述第八有向图中的数据更新为所述第十一有向图中的数据；
将所述符号l的值增加1，若符号l小于等于(3n-6)时，则继续判断第l条边对应的一条或两条弧是否都不在所述第八有向图T中。
可选地，所述根据所述通信故障的类型在通信网络拓扑中删除通信故障弧或通信故障节点以获取优化通信网络拓扑的步骤包括：
若所述通信故障的类型为无人机的单播发射机故障，则删除所述通信网络拓扑中该无人机对应节点的所有出弧；
若所述通信故障的类型为无人机的单播接收机故障，则删除所述通信网络拓扑中该无人机对应节点的所有入弧；
若所述通信故障的类型为无人机的单播收发机故障、广播发射机故障或者广播接收机故障，则删除所述通信网络拓扑中该无人机对应节点的所有入弧和出弧以及该节点；
或者，
若通信故障的类型为任意两无人机之间的链接中断，则删除所述通信网络拓扑中该链接对应的弧；
在所述通信网络拓扑中，若某个无人机的对应节点被删除或该节点的所有弧被删除，则所述无人机退出编队并独自返回机场。
第二方面，本发明实施例提供了一种多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化装置，所述装置包括：
通信故障类型获取模块，用于在所述多无人机协同编队发生通信故障时，获取所述通信故障的类型；
优化通信网络拓扑获取模块，用于根据所述通信故障的类型在通信网络拓扑中删除通信故障弧或通信故障节点以获取优化通信网络拓扑；
优化信息交互拓扑获取模块，用于获取所述优化通信网络拓扑的三维最优持久图，所述三维最优持久图即为该多无人机协同编队的优化信息交互拓扑。
可选地，所述优化信息交互拓扑获取模块用于执行以下步骤包括：
计算所述优化通信网络拓扑的三维最优刚性图；
将所述三维最优刚性图中每条边转换成属于所述优化通信网络拓扑的一条弧或者两条权值相同但方向相反的弧得到第一有向图；
在所述第一有向图中增加一个虚拟领航者节点和所述虚拟领航者节点到所述第一有向图中每个节点的出弧得到第二有向图；所述虚拟领航者节点与所述第一有向图中每个节点之间设置有三条出弧，并且所述虚拟领航者节点的每条出弧的权值相同并大于所述第一有向图中全部弧的权值之和；
获取所述第二有向图的第一最小树形图，并删除所述第一最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第三有向图T1；
删除所述第二有向图中对应所述第一最小树形图中所有弧及其对应的反向弧得到第四有向图；
获取所述第四有向图的第二最小树形图，并删除所述第二最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第五有向图T2；
删除所述第四有向图中对应所述第二最小树形图中所有弧及其对应的反向弧得到第六有向图；
获取所述第六有向图的第三最小树形图，并删除所述第三最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第七有向图T3；
合并所述第三有向图、所述第五有向图和所述第七有向图得到第八有向图T以及所述第八有向图T中弧的数量m；
当所述三维最优刚性图R的节点数量为n且m满足m＝3n-6时，则所述第八有向图T为三维最优持久图；
当满足m<(3n-6)时，获取所述三维最优刚性图中的第l条边对应的属于所述第一有向图中弧集合的一条或者两条弧，符号l的初始值为1；
若该一条或者两条弧都不在所述第八有向图中，获取第l条边对应两节点在所述第八有向图中的入度；
当第l条边对应的两节点的入度不都等于3且其中一个入度小于3的节点的对应第l条边的入弧属于所述第一有向图中弧集合时，该入度小于3的节点的对应第l条边的入弧添加到所述第八有向图中得到第九有向图；
若所述第九有向图中弧的数量m等于(3n-6)时，则所述第九有向图为三维最优持久图；否则将所述第八有向图中的数据更新为所述第九有向图中的数据。
可选地，所述优化信息交互拓扑获取模块还用于执行以下步骤包括：
当第l条边对应的两节点的入度都等于3且该第l条边对应的一条弧属于所述第一有向图中弧集合时，将该第l条边对应的一条弧添加到第八有向图中得到第十有向图，记该弧指向的节点为第一节点；
按照先入度2再入度1最后入度0的方式在所述第十有向图中寻找入度小于3的一个第二节点，使得所述第二节点与所述第一节点之间具有最少跳数的路径，并且所述最少跳数的路径对应的所有弧的反向弧都在所述第一有向图中弧集合中，将所述最少跳数的路径对应的所有弧反向得到第十一有向图；否则从所述第十有向图中删除已添加的该第l条边对应的一条弧，从优化通信网络拓扑中删除该第l条边对应的两条弧，重新计算；
若所述第十一有向图中弧的数量m等于(3n-6)时，则所述第十一有向图为三维最优持久图；否则将所述第八有向图中的数据更新为所述第十一有向图中的数据；
将所述符号l的值增加1，若符号l小于等于(3n-6)时，则继续判断第l条边对应的一条或两条弧是否都不在所述第八有向图T中。
可选地，所述通信故障类型获取模块用于执行以下步骤包括：
若所述通信故障的类型为无人机的单播发射机故障，则删除所述通信网络拓扑中该无人机对应节点的所有出弧；
若所述通信故障的类型为无人机的单播接收机故障，则删除所述通信网络拓扑中该无人机对应节点的所有入弧；
若所述通信故障的类型为无人机的单播收发机故障、广播发射机故障或者广播接收机故障，则删除所述通信网络拓扑中该无人机对应节点的所有入弧和出弧以及该节点；
或者，
若通信故障的类型为任意两无人机之间的链接中断，则删除所述通信网络拓扑中该链接对应的弧；
在所述通信网络拓扑中，若某个无人机的对应节点被删除或该节点的所有弧被删除，则所述无人机退出编队并独自返回机场。
与现有技术相比较，本发明可以在多无人机组成的三维持久编队发生通信故障时快速优化此三维持久编队的信息交互拓扑，以避免发生无人机碰撞事故并恢复编队队形，同时降低无人机的电池电量或燃料的消耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法的流程示意图；
图2(a)～(b)是本发明实施例中5架UAV组成的三维持久编队的队形以及相对位置示意图；UAV1、UAV2、UAV3、UAV4和UAV5分别在队形的1号、2号、3号、4号和5号位置。
图3为本发明实施例提供的上述多无人机协同编队无通信故障时的最优信息交互拓扑示意图；
图4(a)～(e)是上述多无人机协同编队中的UAV1发生单播发射机故障时采用图1方法获取该多无人机协同编队的优化信息交互拓扑的过程示意图；
图5是本发明实施例提供的多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化装置框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在对上述方法进行详细说明之前，首先对多无人机组成的三维持久编队的编队控制方法、通信网络拓扑和信息交互拓扑进行说明。
多无人机组成的三维持久编队的编队控制方法是一种基于距离的编队控制方法，其基本思想是：编队中的一架或多架无人机作为编队领航者(formation leader)按照预定的编队参考航迹飞行，其余的无人机在飞行过程需要同时保持与另外3架无人机之间的距离恒定，从而实现对三维空间的编队队形的保持。
假设n架无人机(UAV)需要使用三维持久编队的编队控制方法来形成和保持一个三维空间的编队队形S，S中的n个位置分别编号为{1,2,…,n}，所有的UAV都可以作为编队领航者，每架UAV可以通过点对点通信链接和其它任意UAV进行信息交互，每个通信链接的通信代价由其相应的通信距离决定。因此，可以用一个赋权有向图D＝(V,A,W,P)来表示编队中UAV之间所有可用的通信链接，并简称为通信网络拓扑：
(1)V＝{vi},1≤i≤n是图中的节点集合，其中vi表示第i架无人机UAVi。
(2)是图中的弧集合，其中aij表示从UAVi到UAVj有一个可用的通信链接从而使得UAVi能发送信息给UAVj。
(3)W＝{w(aij)},aij∈A是图中每条弧的权值集合，其中w(aij)表示aij的通信代价。
(4)P＝{pi},1≤i≤n是每架无人机在编队队形S的具***置集合，其中将编队队形S中的n个位置分别编号为{1,2,...,n}，则1≤pi≤n表示UAVi在S中的具***置。
根据前面的描述可知，多无人机组成的三维持久编队中的每架无人机最多只需要从其它3架无人机接收信息，这意味着不需要使用所有可用的通信链接就可以实现编队队形的形成和保持。因此，多无人机的三维持久编队的信息交互拓扑T＝(V,A*,W*,P)是其通信网络拓扑D＝(V,A,W,P)的一个特殊子图，其中令w(T)表示信息交互拓扑T对应的编队通信代价，即有多无人机组成的三维持久编队的信息交互拓扑T具有如下特性。
定理1:多无人机组成的三维持久编队的信息交互拓扑T必须是其通信网络拓扑D的一个三维持久图；反之亦然。
为突出本发明提供的多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法的有效性，下面结合实施例和附图对上述方法进行详细说明。
图1为本发明一实施例提供的一种多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法的流程示意图，该方法包括：
S1、当所述多无人机协同编队发生通信故障时，获取所述通信故障的类型。
实际应用中，多无人机协同编队发生通信故障之后，为缩短执行时间，编队应以分布式的方式来优化信息交互拓扑，并且所有UAV的计算结果必须保持一致，因此所有UAV必须及时地获知到同样的通信故障信息。为此，基于现有技术中的方法，假设每个UAV都能使用一个广播通信信道(Broadcast Communication channel，BC)来获得同样的通信故障信息：(1)每个UAV都有一个单播发射机和一个单播接收机以进行点对点通信，每个UAV都有一个广播发射机和一个广播接收机以通过BC进行广播通信。(2)每个UAV每隔Tactive秒会通过BC上报其状态。(3)当一个UAV检测到某个通信故障时，它会立即通过BC通知其他UAV。
除了现有技术中考虑的四种通信故障外，还考虑另外两种通信故障：广播发射机故障和广播接收机故障。所有六种通信故障类型如表1所示。
表1
当所述多无人机协同编队发生通信故障时，本发明实施例采用以下通信故障诊断策略来获取所述通信故障的类型：
(1)当UAVi发生单播发射机故障、单播接收机故障、单播收发机故障或者广播接收机故障中的任何一种通信故障时，UAVi自身能够检测到此通信故障，UAVi将记录下此通信故障发生时的时间戳并通过BC将此通信故障和相应的时间戳信息通知其他UAV。
(2)当UAVi发生广播发射机故障时，UAVi自身能够检测到此通信故障但不能通过BC通知其他UAV，Tactive秒之后，其他UAV由于不能收到UAVi上报的状态将判定UAVi出现了广播发射机故障，并记录下此通信故障发生时的时间戳。
(3)当从UAVi到UAVj的通信链接出现链接中断并且编队保持队形过程中UAVi需要发送信息给UAVj，Tactive秒之后，如果UAVj自身没有发生单播接收机故障并且没有通过BC收到UAVi的单播发射机故障信息，UAVj将判定从UAVi到UAVj的通信链接出现了链接中断，然后UAVj将记录此通信故障的时间戳，然后通过BC将此通信故障和相应的时间戳信息通知其他UAV。
S2、根据所述通信故障的类型在通信网络拓扑中删除通信故障弧或通信故障节点以获取优化通信网络拓扑。
例如：如果UAVj发生单播发射机故障，则删除vj的所有出弧；如果UAVj发生单播接收机故障，则删除vj的所有入弧；如果UAVj发生单播收发机故障或者广播发射机故障或者广播接收机故障，则删除vj的所有弧；如果从UAVj到UAVk的通信链接发生链接中断，则删除ajk；如果vj的所有弧都被删除了，则删除vj并且令Pr中的Pj的值为-|pj|，即意味着UAVj应该退出编队。
S3、获取所述优化通信网络拓扑的三维最优持久图，所述三维最优持久图即为该多无人机协同编队的优化信息交互拓扑。
本发明实施例提供了一种基于三维最优刚性图和最小树形图(Three-Dimensional Optimal Rigid Graph and Minimum Cost Arborescence，3DORG_MCA)的信息交互拓扑优化算法来获取多无人机协同编队的优化信息交互拓扑。当通信故障发生时每个UAV将会执行此算法。以UAVi为例，当UAVi通过BC从其他UAV接收到一个通信故障通知或者检测到自身发生通信故障时，将运行此算法得到优化信息交互拓扑Tr。当每个UAV执行此算法后，将切换到Tr以确保UAV的安全并快速恢复编队队形。此算法的基本步骤如表2所示。
表2
需要说明的是，表2所提供算法的Step5.2中使用的现有技术中的三维最优刚性图生成算法，其基本步骤如表3所示，时间复杂度约为O(20×|V|4)。
表3
同时需要说明的是，表2所提供算法的Step5.5、Step5.7和Step5.9中的最小树形图(Minimum Cost Arborescence，MCA)指的是一个赋权有向图的最小生成树，此处使用的是Gabow等人提出的最小树形图生成算法，其计算复杂度为O(|E|+|V|×log|V|)。
表2所示算法的时间复杂度主要由Step5的时间复杂度决定，而Step5的时间复杂度主要由Step5.2、Step5.5、Step5.7和Step5.9决定，由于Step5.2的时间复杂度约为O(20×|Vr|4)，Step5.5、Step5.7和Step5.9的时间复杂度都约为O(|Ar|+|Vr|×log|Vr|)，所以表2所提供算法的时间复杂度约为O(20×|Vr|4+3×(|Ar|+|Vr|×log|Vr|))。
假设一个三维持久编队由5架无人机(UAV1、UAV2、UAV3、UAV4和UAV5)组成，其中每架无人机都可以作为编队的领航者。它们需要形成并保持一个如图2(a)所示的三维空间队形，其中的所有位置分别编号为{1,2,3,4,5}，UAV1、UAV2、UAV3、UAV4和UAV5分别在队形的1号、2号、3号、4号和5号位置；它们的相对位置如图2(a)所示；如果以队形中的4号位置作为坐标系的原点，则该多无人机协同编队的队形中的每个位置的坐标如图2(b)所示。当无通信故障时，该多无人机协同编队使用如图3所示的最优信息交互拓扑来形成并保持此队形，其中UAV1作为该多无人机协同编队的领航者。
当UAV1发生单播发射机故障时，根据表2提供的算法对该多无人机协同编队的信息交互拓扑进行优化，其主要过程如下：
(1)在Step2中，删除当前编队通信图D＝(V,A,W,P)中v1的所有出弧得到优化编队通信图Dr＝(Vr,Ar,Wr,Pr)。
(2)在Step5.2中，根据表3所示的三维最优刚性图算法生成得到Dr＝(Vr,Ar,Wr,Pr)对应的三维最优刚性图如图4(a)所示。
(3)在Step5.5中，得到第二有向图D′Rr的第一最小树形图T1′，如图4(b)所示，再将T1′中的v0和v0的出弧删除后得到T1。
(4)在Step5.7中，得到第四有向图D″Rr的第二最小树形图T′2，如图4(c)所示，再将T′2中的v0和v0的出弧删除后得到T2。
(5)在Step5.9中，得到第六有向图D″′Rr的第二最小树形图T′3，如图4(d)所示，再将T′3中的v0和v0的出弧删除后得到T3。
(6)在Step5.10中，将T1、T2和T3合并得到有向图Tr，如图4(e)所示。
(7)由于Tr中弧的总数与Rr中边的总数相同，满足Step5.11的条件，因此Tr是Rr对应的一个三维最优持久图，即Tr是此多无人协同编队的优化信息交互拓扑，其中UAV2作为该多无人机协同编队的新的领航者。
本发明实施例还提供了一种多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化装置，如图5所示，所述装置包括：
通信故障类型获取模块M1，用于在所述多无人机协同编队发生通信故障时，获取所述通信故障的类型；
优化通信网络拓扑获取模块M2，用于根据所述通信故障的类型在通信网络拓扑中删除通信故障弧或通信故障节点以获取优化通信网络拓扑；
优化信息交互拓扑获取模块M3，用于获取所述优化通信网络拓扑的三维最优持久图，所述三维最优持久图即为该多无人机协同编队的优化信息交互拓扑。
可选地，所述优化信息交互拓扑获取模块M3用于执行以下步骤包括：
计算所述优化通信网络拓扑的三维最优刚性图；
将所述三维最优刚性图中每条边转换成属于所述优化通信网络拓扑的一条弧或者两条权值相同但方向相反的弧得到第一有向图；
在所述第一有向图中增加一个虚拟领航者节点和所述虚拟领航者节点到所述第一有向图中每个节点的出弧得到第二有向图；所述虚拟领航者节点与所述第一有向图中每个节点之间设置有三条出弧，并且所述虚拟领航者节点的每条出弧的权值相同并大于所述第一有向图中全部弧的权值之和；
获取所述第二有向图的第一最小树形图，并删除所述第一最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第三有向图T1；
删除所述第二有向图中对应所述第一最小树形图中所有弧及其对应的反向弧得到第四有向图；
获取所述第四有向图的第二最小树形图，并删除所述第二最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第五有向图T2；
删除所述第四有向图中对应所述第二最小树形图中所有弧及其对应的反向弧得到第六有向图；
获取所述第六有向图的第三最小树形图，并删除所述第三最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第七有向图T3；
合并所述第三有向图、所述第五有向图和所述第七有向图得到第八有向图T以及所述第八有向图T中弧的数量m；
当所述三维最优刚性图R的节点数量为n且m满足m＝3n-6时，则所述第八有向图T为三维最优持久图；
当满足m<(3n-6)时，获取所述三维最优刚性图中的第l条边对应的属于所述第一有向图中弧集合的一条或者两条弧，符号l的初始值为1；
若该一条或者两条弧都不在所述第八有向图中，获取第l条边对应两节点在所述第八有向图中的入度；
当第l条边对应的两节点的入度不都等于3且其中一个入度小于3的节点的对应第l条边的入弧属于所述第一有向图中弧集合时，该入度小于3的节点的对应第l条边的入弧添加到所述第八有向图中得到第九有向图；
若所述第九有向图中弧的数量m等于(3n-6)时，则所述第九有向图为三维最优持久图；否则将所述第八有向图中的数据更新为所述第九有向图中的数据。
可选地，所述优化信息交互拓扑获取模块M3还用于执行以下步骤包括：
当第l条边对应的两节点的入度都等于3且该第l条边对应的一条弧属于所述第一有向图中弧集合时，将该第l条边对应的一条弧添加到第八有向图中得到第十有向图，记该弧指向的节点为第一节点；
按照先入度2再入度1最后入度0的方式在所述第十有向图中寻找入度小于3的一个第二节点，使得所述第二节点与所述第一节点之间具有最少跳数的路径，并且所述最少跳数的路径对应的所有弧的反向弧都在所述第一有向图中弧集合中，将所述最少跳数的路径对应的所有弧反向得到第十一有向图；否则从所述第十有向图中删除已添加的该第l条边对应的一条弧，从优化通信网络拓扑中删除该第l条边对应的两条弧，重新计算；
若所述第十一有向图中弧的数量m等于(3n-6)时，则所述第十一有向图为三维最优持久图；否则将所述第八有向图中的数据更新为所述第十一有向图中的数据；
将所述符号l的值增加1，若符号l小于等于(3n-6)时，则继续判断第l条边对应的一条或两条弧是否都不在所述第八有向图T中。
可选地，所述通信故障类型获取模块M1用于执行以下步骤包括：
若所述通信故障的类型为无人机的单播发射机故障，则删除所述通信网络拓扑中该无人机对应节点的所有出弧；
若所述通信故障的类型为无人机的单播接收机故障，则删除所述通信网络拓扑中该无人机对应节点的所有入弧；
若所述通信故障的类型为无人机的单播收发机故障、广播发射机故障或者广播接收机故障，则删除所述通信网络拓扑中该无人机对应节点的所有入弧和出弧以及该节点；
或者，
若通信故障的类型为任意两无人机之间的链接中断，则删除所述通信网络拓扑中该链接对应的弧；
在所述通信网络拓扑中，若某个无人机的对应节点被删除或该节点的所有弧被删除，则所述无人机退出编队并独自返回机场。
需要说明的是，本发明实施例提供的多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化装置与上述方法一一对应的关系，上述方法的实施细节同样适用于上述装置，本发明实施例不再对上述***进行详细说明。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法，其特征在于，所述方法包括：
当所述多无人机协同编队发生通信故障时，获取所述通信故障的类型；
根据所述通信故障的类型在通信网络拓扑中删除通信故障弧或通信故障节点以获取优化通信网络拓扑；
获取所述优化通信网络拓扑的三维最优持久图，所述三维最优持久图即为该多无人机协同编队的优化信息交互拓扑。
2.根据权利要求1所述的多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法，其特征在于，所述获取所述优化通信网络拓扑的三维最优持久图的步骤包括：
计算所述优化通信网络拓扑的三维最优刚性图；
将所述三维最优刚性图中每条边转换成属于所述优化通信网络拓扑的一条弧或者两条权值相同但方向相反的弧得到第一有向图；
在所述第一有向图中增加一个虚拟领航者节点和所述虚拟领航者节点到所述第一有向图中每个节点的出弧得到第二有向图；所述虚拟领航者节点与所述第一有向图中每个节点之间设置有三条出弧，并且所述虚拟领航者节点的每条出弧的权值相同并大于所述第一有向图中全部弧的权值之和；
获取所述第二有向图的第一最小树形图，并删除所述第一最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第三有向图T1；
删除所述第二有向图中对应所述第一最小树形图中所有弧及其对应的反向弧得到第四有向图；
获取所述第四有向图的第二最小树形图，并删除所述第二最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第五有向图T2；
删除所述第四有向图中对应所述第二最小树形图中所有弧及其对应的反向弧得到第六有向图；
获取所述第六有向图的第三最小树形图，并删除所述第三最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第七有向图T3；
合并所述第三有向图、所述第五有向图和所述第七有向图得到第八有向图T以及所述第八有向图T中弧的数量m；
当所述三维最优刚性图R的节点数量为n且m满足m＝3n-6时，则所述第八有向图T为三维最优持久图；
当满足m<(3n-6)时，获取所述三维最优刚性图中的第l条边对应的属于所述第一有向图中弧集合的一条或者两条弧，符号l的初始值为1；
若该一条或者两条弧都不在所述第八有向图中，获取第l条边对应两节点在所述第八有向图中的入度；
当第l条边对应的两节点的入度不都等于3且其中一个入度小于3的节点的对应第l条边的入弧属于所述第一有向图中弧集合时，将该入度小于3的节点的对应第l条边的入弧添加到所述第八有向图中得到第九有向图；
若所述第九有向图中弧的数量m等于(3n-6)时，则所述第九有向图为三维最优持久图；否则将所述第八有向图中的数据更新为所述第九有向图中的数据。
3.根据权利要求1所述的多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法，其特征在于，所述获取所述优化通信网络拓扑的三维最优持久图的步骤还包括：
当第l条边对应的两节点的入度都等于3且该第l条边对应的一条弧属于所述第一有向图中弧集合时，将该第l条边对应的一条弧添加到第八有向图中得到第十有向图，记该弧指向的节点为第一节点；
按照先入度2再入度1最后入度0的方式在所述第十有向图中寻找入度小于3的一个第二节点，使得所述第二节点与所述第一节点之间具有最少跳数的路径，并且所述最少跳数的路径对应的所有弧的反向弧都在所述第一有向图中弧集合中，将所述最少跳数的路径对应的所有弧反向得到第十一有向图；否则从所述第十有向图中删除已添加的该第l条边对应的一条弧，从优化通信网络拓扑中删除该第l条边对应的两条弧，重新计算；
若所述第十一有向图中弧的数量m等于(3n-6)时，则所述第十一有向图为三维最优持久图；否则将所述第八有向图中的数据更新为所述第十一有向图中的数据；
将所述符号l的值增加1，若符号l小于等于(3n-6)时，则继续判断第l条边对应的一条或两条弧是否都不在所述第八有向图T中。
4.根据权利要求1所述的多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法，其特征在于，所述根据所述通信故障的类型在通信网络拓扑中删除通信故障弧或通信故障节点以获取优化通信网络拓扑的步骤包括：
若所述通信故障的类型为无人机的单播发射机故障，则删除所述通信网络拓扑中该无人机对应节点的所有出弧；
若所述通信故障的类型为无人机的单播接收机故障，则删除所述通信网络拓扑中该无人机对应节点的所有入弧；
若所述通信故障的类型为无人机的单播收发机故障、广播发射机故障或者广播接收机故障，则删除所述通信网络拓扑中该无人机对应节点的所有入弧和出弧以及该节点；
或者，
若通信故障的类型为任意两无人机之间的链接中断，则删除所述通信网络拓扑中该链接对应的弧；
在所述通信网络拓扑中，若某个无人机的对应节点被删除或该节点的所有弧被删除，则所述无人机退出编队并独自返回机场。
5.一种多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化装置，其特征在于，所述装置包括：
通信故障类型获取模块，用于在所述多无人机协同编队发生通信故障时，获取所述通信故障的类型；
优化通信网络拓扑获取模块，用于根据所述通信故障的类型在通信网络拓扑中删除通信故障弧或通信故障节点以获取优化通信网络拓扑；
优化信息交互拓扑获取模块，用于获取所述优化通信网络拓扑的三维最优持久图，所述三维最优持久图即为该多无人机协同编队的优化信息交互拓扑。
6.根据权利要求5所述的多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化装置，其特征在于，所述优化信息交互拓扑获取模块用于执行以下步骤包括：
计算所述优化通信网络拓扑的三维最优刚性图；
将所述三维最优刚性图中每条边转换成属于所述优化通信网络拓扑的一条弧或者两条权值相同但方向相反的弧得到第一有向图；
在所述第一有向图中增加一个虚拟领航者节点和所述虚拟领航者节点到所述第一有向图中每个节点的出弧得到第二有向图；所述虚拟领航者节点与所述第一有向图中每个节点之间设置有三条出弧，并且所述虚拟领航者节点的每条出弧的权值相同并大于所述第一有向图中全部弧的权值之和；
获取所述第二有向图的第一最小树形图，并删除所述第一最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第三有向图T1；
删除所述第二有向图中对应所述第一最小树形图中所有弧及其对应的反向弧得到第四有向图；
获取所述第四有向图的第二最小树形图，并删除所述第二最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第五有向图T2；
删除所述第四有向图中对应所述第二最小树形图中所有弧及其对应的反向弧得到第六有向图；
获取所述第六有向图的第三最小树形图，并删除所述第三最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第七有向图T3；
合并所述第三有向图、所述第五有向图和所述第七有向图得到第八有向图T以及所述第八有向图T中弧的数量m；
当所述三维最优刚性图R的节点数量为n且m满足m＝3n-6时，则所述第八有向图T为三维最优持久图；
当满足m<(3n-6)时，获取所述三维最优刚性图中的第l条边对应的属于所述第一有向图中弧集合的一条或者两条弧，符号l的初始值为1；
若该一条或者两条弧都不在所述第八有向图中，获取第l条边对应两节点在所述第八有向图中的入度；
当第l条边对应的两节点的入度不都等于3且其中一个入度小于3的节点的对应第l条边的入弧属于所述第一有向图中弧集合时，该入度小于3的节点的对应第l条边的入弧添加到所述第八有向图中得到第九有向图；
若所述第九有向图中弧的数量m等于(3n-6)时，则所述第九有向图为三维最优持久图；否则将所述第八有向图中的数据更新为所述第九有向图中的数据。
7.根据权利要求5所述的多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化装置，其特征在于，所述优化信息交互拓扑获取模块还用于执行以下步骤包括：
当第l条边对应的两节点的入度都等于3且该第l条边对应的一条弧属于所述第一有向图中弧集合时，将该第l条边对应的一条弧添加到第八有向图中得到第十有向图，记该弧指向的节点为第一节点；
按照先入度2再入度1最后入度0的方式在所述第十有向图中寻找入度小于3的一个第二节点，使得所述第二节点与所述第一节点之间具有最少跳数的路径，并且所述最少跳数的路径对应的所有弧的反向弧都在所述第一有向图中弧集合中，将所述最少跳数的路径对应的所有弧反向得到第十一有向图；否则从所述第十有向图中删除已添加的该第l条边对应的一条弧，从优化通信网络拓扑中删除该第l条边对应的两条弧，重新计算；
若所述第十一有向图中弧的数量m等于(3n-6)时，则所述第十一有向图为三维最优持久图；否则将所述第八有向图中的数据更新为所述第十一有向图中的数据；
将所述符号l的值增加1，若符号l小于等于(3n-6)时，则继续判断第l条边对应的一条或两条弧是否都不在所述第八有向图T中。
8.根据权利要求5所述的多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化装置，其特征在于，所述通信故障类型获取模块用于执行以下步骤包括：
若所述通信故障的类型为无人机的单播发射机故障，则删除所述通信网络拓扑中该无人机对应节点的所有出弧；
若所述通信故障的类型为无人机的单播接收机故障，则删除所述通信网络拓扑中该无人机对应节点的所有入弧；
若所述通信故障的类型为无人机的单播收发机故障、广播发射机故障或者广播接收机故障，则删除所述通信网络拓扑中该无人机对应节点的所有入弧和出弧以及该节点；
或者，
若通信故障的类型为任意两无人机之间的链接中断，则删除所述通信网络拓扑中该链接对应的弧；
在所述通信网络拓扑中，若某个无人机的对应节点被删除或该节点的所有弧被删除，则所述无人机退出编队并独自返回机场。
CN201710423617.8A 2017-06-07 2017-06-07 多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法及装置 Pending CN106992897A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710423617.8A CN106992897A (zh) 2017-06-07 2017-06-07 多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710423617.8A CN106992897A (zh) 2017-06-07 2017-06-07 多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法及装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106992897A true CN106992897A (zh) 2017-07-28

Family

ID=59421439

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710423617.8A Pending CN106992897A (zh) 2017-06-07 2017-06-07 多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106992897A (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109240341A (zh) * 2018-12-04 2019-01-18 中国航空无线电电子研究所 一种基于消息交互的无人机密集编队控制方法
CN109379125A (zh) * 2018-09-30 2019-02-22 北京航空航天大学 一种多智能体编队控制方法及***
CN110794867A (zh) * 2019-10-18 2020-02-14 合肥工业大学 通信干扰下无人机编队信息交互拓扑智能决策方法和装置
CN110879608A (zh) * 2019-10-18 2020-03-13 合肥工业大学 不确定环境下无人***编队快速自适应决策方法和装置
CN110933639A (zh) * 2019-11-05 2020-03-27 合肥工业大学 无人机协同态势感知网络的信息交互拓扑优化方法和装置
CN111026104A (zh) * 2019-10-18 2020-04-17 合肥工业大学 突发事件下的多智能体***快速响应方法和装置
CN111294760A (zh) * 2020-01-19 2020-06-16 合肥工业大学 对抗环境下无人机协同态势感知网络快速响应方法和装置
CN114039682A (zh) * 2017-11-17 2022-02-11 深圳市道通智能航空技术股份有限公司 一种无人机的通信方法、通信装置及无人机

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105873171A (zh) * 2016-05-27 2016-08-17 合肥工业大学 基于最小树形图的无人机编队通信拓扑重优化方法及***

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105873171A (zh) * 2016-05-27 2016-08-17 合肥工业大学 基于最小树形图的无人机编队通信拓扑重优化方法及***

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王国强: "面向队形保持的无人机编队信息交互拓扑", 《万方数据博士学位论文》 *

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114039682B (zh) * 2017-11-17 2024-06-07 深圳市道通智能航空技术股份有限公司 一种无人机的通信方法、通信装置及无人机
CN114039682A (zh) * 2017-11-17 2022-02-11 深圳市道通智能航空技术股份有限公司 一种无人机的通信方法、通信装置及无人机
CN109379125A (zh) * 2018-09-30 2019-02-22 北京航空航天大学 一种多智能体编队控制方法及***
CN109240341A (zh) * 2018-12-04 2019-01-18 中国航空无线电电子研究所 一种基于消息交互的无人机密集编队控制方法
CN110794867A (zh) * 2019-10-18 2020-02-14 合肥工业大学 通信干扰下无人机编队信息交互拓扑智能决策方法和装置
CN110879608A (zh) * 2019-10-18 2020-03-13 合肥工业大学 不确定环境下无人***编队快速自适应决策方法和装置
CN111026104A (zh) * 2019-10-18 2020-04-17 合肥工业大学 突发事件下的多智能体***快速响应方法和装置
CN110879608B (zh) * 2019-10-18 2023-02-28 合肥工业大学 不确定环境下无人***编队快速自适应决策方法和装置
CN110794867B (zh) * 2019-10-18 2020-10-30 合肥工业大学 通信干扰下无人机编队信息交互拓扑智能决策方法和装置
CN110933639B (zh) * 2019-11-05 2022-09-06 合肥工业大学 无人机协同态势感知网络的信息交互拓扑优化方法和装置
CN110933639A (zh) * 2019-11-05 2020-03-27 合肥工业大学 无人机协同态势感知网络的信息交互拓扑优化方法和装置
CN111294760A (zh) * 2020-01-19 2020-06-16 合肥工业大学 对抗环境下无人机协同态势感知网络快速响应方法和装置
CN111294760B (zh) * 2020-01-19 2023-07-04 合肥工业大学 对抗环境下无人机协同态势感知网络快速响应方法和装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106992897A (zh) 多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法及装置
CN107797564A (zh) 多无人机协同编队中信息交互拓扑启发式优化方法及装置
CN107135104A (zh) 无人‑有人机编队信息交互拓扑优化方法及装置
CN107197474A (zh) 多无人机协同编队中的通信拓扑容错优化方法及装置
CN107092273A (zh) 无人‑有人机编队通信拓扑启发式优化方法及装置
CN107135105A (zh) 无人‑有人机编队信息交互拓扑容错优化方法及装置
CN106970645B (zh) 多无人机协同编队最优信息交互拓扑生成方法及装置
CN105873171B (zh) 基于最小树形图的无人机编队通信拓扑重优化方法及***
CN105871636B (zh) 基于最小树形图的无人机编队通信拓扑的重构方法及***
CN100596107C (zh) 报文转发方法以及自治***边界路由器
CN106301952A (zh) 一种sdn数据平面链路备份方法及装置
CN103457852B (zh) 一种多播虚拟网络的抗毁性映射方法
CN110391977A (zh) 一种网络故障保护的方法、***和存储介质
CN105246119B (zh) 一种车载自组织网络的单播路由转发方法和装置
CN103051536A (zh) 一种二层冗余链路的快速组播切换方法
CN105959217A (zh) 一种sdn移动自组网的数据处理方法及装置
CN106713147A (zh) 面向geo/leo双层卫星网络的抗毁路由方法
CN107613455A (zh) 轨道交通车地通信***
CN102045178A (zh) 虚拟专用局域网服务组播保护的方法及装置
CN103200071B (zh) 一种mstp多实例计算方法和设备
CN102740394B (zh) 中心计算的无线传感器网络2-不相交路径路由算法
CN102821099B (zh) 报文转发方法、设备及***
CN102185712B (zh) Vpls网络和以太环网的倒换方法及装置
CN102065006B (zh) 一种跨域标签交换路径域间失效的恢复方法
CN103178976A (zh) 组播树组建及故障恢复方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20170728

RJ01 Rejection of invention patent application after publication