CN112383872A - 一种分布式无人机编队状态信息广播发送频率的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式无人机编队状态信息广播发送频率的优化方法，涉及无人机编队技术领域，包括以下步骤：S1：每架无人机广播发送以北东地坐标为参考系的飞行状态信息，包括位置信息和速度信息；S2：每架无人机获取编队中其他无人机的状态信息，计算本机到编队内所有其他无人机的相对位置矩阵和相对速度矩阵；S3：每架无人机计算本机与其他无人机的相对速度矢量在相对位置矢量上的速度投影；S4：设置安全距离，分别计算每架无人机与其他无人机之间的参考状态信息发送频率；在保证编队飞行安全前提下，降低分布式无人机编队状态信息广播发送频率，减少编队飞行对通信网络速率需求，增加分布式无人机编队规模。

Description

一种分布式无人机编队状态信息广播发送频率的优化方法

技术领域

本发明涉及无人机编队技术领域，更具体地说，它涉及一种分布式无人机编队状态信息广播发送频率的优化方法。

背景技术

相对于集中式，分布式无人机编队不依赖控制中心，具有更好的抗毁能力，可有效提升无人机编队的生存能力。因此，分布式无人机编队在军事、应急抢险等领域受到越来越广泛的关注。然而，相比于集中式无人机编队，分布式无人机编队相关实用化研究尚处于起步、甚至是空白状态。

为了实现编队队形保持、队形变换和避碰等功能，分布式无人机编队中每架无人机需要获取其他无人机的飞行状态信息。因此，每架无人机需要通过无线通信设备按照一定频率广播发送自身飞行状态信息。机载通信设备由于体积、重量和功耗的限制，与地面设备相比，其通信速率受到显著限制。然而，随着编队中无人机数量的增加，编队中各架无人机之间的信息传输量将几何增长，严重影响分布式无人机的编队规模。

降低无人机发送自身状态信息的发送频率可以显著降低编队中信息传输量，可有效提升编队规模，进一步提升编队遂行任务的能力。另一方面，当无人机状态信息发送频率过低时将影响编队的飞行安全。现有方法是将信息频率划分为高低两档，当编队中无人机飞行状态变化剧烈时采用高频率发送，反之则采用低频率发送。现有技术存在以下不足：

(1)简单的二元发送频率优化策略，难以适应多样化的编队飞行状态。

(2)没有考虑卫星导航信息更新率的限制。卫星导航信息更新率决定了无人机有效状态信息的更新频率，应将该限制加入无人机状态信息发送频率计算过程。

(3)没有考虑通信链路丢包率对无人机发送自身状态信息频率的影响。由于无线信道的衰落特性影响，无线通信链路不能完全可靠，存在着一定通信丢包率，应在计算无人机状态信息发送频率过程中考虑其影响。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术的不足，针对分布式无人机编队场景，提出一种分布式无人机编队状态信息广播发送频率的优化方法，考虑卫星导航信息更新率和通信链路丢包率的影响，在保证编队飞行安全前提下，降低分布式无人机编队状态信息广播发送频率，减少编队飞行对通信网络速率需求，增加分布式无人机编队规模。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种分布式无人机编队状态信息广播发送频率的优化方法，包括以下步骤：

S1：每架无人机广播发送以北东地坐标为参考系的飞行状态信息，包括位置信息和速度信息；

S2：每架无人机获取编队中其他无人机的状态信息，计算本机到编队内所有其他无人机的相对位置矩阵和相对速度矩阵；

S3：每架无人机计算本机与其他无人机的相对速度矢量在相对位置矢量上的速度投影；

S4：设置安全距离，分别计算每架无人机与其他无人机之间的参考状态信息发送频率；

S5：每架无人机用其他无人机到本机的通信丢包率代替本机到其他无人机的通信丢包率，计算本机到其他无人机的安全状态信息广播发送频率；

S6：选取某无人机到其他无人机的安全状态信息广播发送频率的最大值作为该架无人机的编队安全状态信息广播发送频率；

S7：确定每架无人机的卫星导航信息更新率和通信丢包率的影响，计算该架无人机的最终状态信息广播发送频率。

作为一种优选方案，S1过程中具体包括以下步骤：

包含K架无人机，无人机均采用分布式架构，其中的每架无人机按照一定频率向外广播发送自身的状态信息；其中无人机k的自身状态信息集合包括

集合{x^k,y^k,z^k}表示无人机k在北东地坐标系下的坐标，x^k表示北向坐标，y^k表示东向坐标，z^k表示地向坐标，

表示无人机k的北向速度，

表示无人机k的东向速度，

表示无人机k的地向速度，无人机k发送自身状态信息的频率为f_k。

作为一种优选方案，S2过程中具体包括以下步骤：

每架无人机获取编队中其他无人机的状态信息，计算本机到编队内所有其他无人机的相对位置矩阵和相对速度矩阵；对于无人机k，将无人机k与编队内所有无人机的相对位置关系表示为相对位置矩阵

其中矢量

表示无人机k与无人机q的相对位置关系，

表示无人机k与无人机q的相对距离；将无人机k与编队内所有无人机的相对速度关系表示为相对速度矩阵

其中

表示无人机k与无人机q的相对速度关系。

作为一种优选方案，S3过程中具体包括以下步骤：

每架无人机计算本机与其他无人机的相对速度矢量在相对位置矢量上的速度投影；对于无人机k和无人机q,k≠q，无人机k与无人机q之间相对速度矢量在相对位置矢量上的速度投影为

其中

表示矢量

与矢量

的内积运算。

作为一种优选方案，S4过程中具体包括以下步骤：

设置无人机之间的最近安全距离为L_safe，编队内部无人机任意两架之间的相对距离不小于L_safe；k≠q，计算无人机k到无人机q的参考状态信息发送频率

其中L_k,q-L_safe＞0。

作为一种优选方案，S5过程中具体包括以下步骤：

每架无人机采用其他无人机到本机的通信丢包率代替无人机到其他无人机的通信丢包率，并计算相应的安全状态信息广播发送频率；k≠q，无人机q到无人机k的通信丢包率为Pr_q,k，采用Pr_q,k代替无人机k到无人机q的通信丢包率Pr_k,q，即令Pr_k,q＝Pr_q,k，获得保证无人机k到无人机q飞行安全的安全状态信息广播发送频率

作为一种优选方案，S6过程中具体包括以下步骤：

选取无人机k到其他无人机的安全状态信息广播发送频率的最大值作为无人机k的编队安全状态信息广播发送频率f_k,max，即

其中函数max(*)表示取集合中的最大值。

作为一种优选方案，S7过程中具体包括以下步骤：

无人机k配置的卫星导航设备信息更新的刷新频率为f_k,gps，计算无人机k的最终状态信息广播发送频率

其中函数min(*)表示取集合中的最小值。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1)每架无人机可根据当前编队飞行状态在线计算保证飞行安全情况下的最低状态信息发送频率，相对于预设固定档位的状态信息广播发送频率策略，可进一步降低无人机状态信息共享量。

2)考虑通信丢包率的影响，增强编队飞行的安全性，同时利用信道互异性思想，采用其他无人机到本架无人机的通信丢包率代替本架无人机到其他无人机的通信丢包率，在提升飞行安全前提下，不带来额外的反馈通信链路开销。

3)考虑卫星导航信息更新率的限制，避免状态信息的无效重复广播，节约通信资源。

4)每架无人机在线计算保证飞行安全情况下的最低状态信息发送频率，相对于预设固定档位的状态信息广播发送频率策略，可进一步降低无人机状态信息共享量。

5)考虑通信丢包率的影响，在不带来额外的反馈通信链路开销前提下，进一步增强编队飞行的安全性。

6)考虑卫星导航信息更新率的限制，避免状态信息的无效重复广播，节约通信资源。

具体实施方式

本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

以下对本发明作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。

步骤1：考虑无人机编队***，共包含K架无人机，无人机采用分布式架构，每架无人机按照一定频率广播发送自身的状态信息。例如无人机k(k＝1,…,K)的自身状态信息为集合

其中集合{x^k,y^k,z^k}表示无人机k在北东地坐标系下的坐标，x^k表示北向坐标，y^k表示东向坐标，z^k表示地向坐标，

表示无人机k的北向速度，

表示无人机k的东向速度，

无人机k的地向速度，无人机k发送自身状态信息的频率为f_k。

步骤2：每架无人机通过无线通信设备获取编队中其他无人机的状态信息，计算本机到编队内所有无人机的相对位置矩阵以及相对速度矩阵。对于无人机k(k＝1,…,K)，将无人机k与编队内所有无人机的相对位置关系表示为相对位置矩阵

其中矢量

表示无人机k与无人机q相对位置关系，

表示无人机k与无人机q相对距离；将无人机k与编队内所有无人机的相对速度关系表示为相对速度矩阵

其中矢量

表示无人机k与无人机q相对速度关系。

步骤3：每架无人机计算其与其他无人机的相对速度矢量在相对位置矢量上的速度投影。例如，对于k＝1,…,K，q＝1,…,K且q≠k，无人机k与无人机q之间相对速度矢量在相对位置矢量上的速度投影为

其中

表示矢量

与矢量

的内积运算。

步骤4：设置无人机之间的最近安全距离为L_safe，编队内部无人机任意两架之间的相对距离应大于L_safe。对于q＝1,…,K且q≠k，计算无人机k到无人机q的参考状态信息发送频率

其中L_k,q-L_safe＞0。

步骤5：每架无人机采用其他无人机到本架无人机的通信丢包率代替无人机到其他无人机的通信丢包率，并计算相应的安全状态信息广播发送频率。例如，对于k＝1,…,K，q＝1,…,K且q≠k，假设无人机q到无人机k的通信丢包率为Pr_q,k，采用Pr_q,k代替无人机k到无人机q的通信丢包率Pr_k,q，即令Pr_k,q＝Pr_q,k，于是可以获得保证无人机k到无人机q飞行安全的安全状态信息广播发送频率

步骤6：选取无人机k(k＝1,…,K)到其他无人机的安全状态信息广播发送频率的最大值作为无人机k的编队安全状态信息广播发送频率f_k,max，即

其中函数max(*)表示取集合中的最大值。

步骤7：无人机k(k＝1,…,K)配备的卫星导航设备信息更新的刷新频率为f_k,gps，计算无人机k的最终状态信息广播发送频率

其中函数min(*)表示取集合中的最小值。

主要特征如下：

1)步骤1中每架无人机广播发送以北东地坐标为参考系的飞行状态信息，包括位置信息和速度信息。

2)步骤2中每架无人机通过无线通信设备获取编队中其他无人机的状态信息，计算本架无人机机到编队内所有无人机的相对位置矩阵以及相对速度矩阵。

3)步骤3中每架无人机计算其与其他无人机的相对速度矢量在相对位置矢量上的速度投影。

4)步骤4中设置安全距离，分别计算每架无人机计算与其他无人机之间的参考状态信息发送频率。

5)步骤5中每架无人机采用其他无人机到本架无人机的通信丢包率代替本架无人机到其他无人机的通信丢包率，计算本架无人机到其他无人机的安全状态信息广播发送频率。

6)步骤6中选取某无人机到其他无人机的安全状态信息广播发送频率的最大值作为该架无人机的编队安全状态信息广播发送频率

7)步骤7中考虑每架无人机的卫星导航信息更新率和通信丢包率的影响，计算该架无人机的最终状态信息广播发送频率。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种分布式无人机编队状态信息广播发送频率的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：每架无人机广播发送以北东地坐标为参考系的飞行状态信息，包括位置信息和速度信息；

S2：每架无人机获取编队中其他无人机的状态信息，计算本机到编队内所有其他无人机的相对位置矩阵和相对速度矩阵；

S3：每架无人机计算本机与其他无人机的相对速度矢量在相对位置矢量上的速度投影；

S4：设置安全距离，分别计算每架无人机与其他无人机之间的参考状态信息发送频率；

S5：每架无人机用其他无人机到本机的通信丢包率代替本机到其他无人机的通信丢包率，计算本机到其他无人机的安全状态信息广播发送频率；

S6：选取某无人机到其他无人机的安全状态信息广播发送频率的最大值作为该架无人机的编队安全状态信息广播发送频率；

S7：确定每架无人机的卫星导航信息更新率和通信丢包率的影响，计算该架无人机的最终状态信息广播发送频率。

2.根据权利要求1所述的分布式无人机编队状态信息广播发送频率的优化方法，其特征在于，所述S1过程中具体包括以下步骤：

包含K架无人机，无人机均采用分布式架构，其中的每架无人机按照一定频率向外广播发送自身的状态信息；其中无人机k的自身状态信息集合包括

集合{x^k,y^k,z^k}表示无人机k在北东地坐标系下的坐标，x^k表示北向坐标，y^k表示东向坐标，z^k表示地向坐标，

表示无人机k的北向速度，

表示无人机k的东向速度，

表示无人机k的地向速度，无人机k发送自身状态信息的频率为f_k。

3.根据权利要求1所述的分布式无人机编队状态信息广播发送频率的优化方法，其特征在于，所述S2过程中具体包括以下步骤：

每架无人机获取编队中其他无人机的状态信息，计算本机到编队内所有其他无人机的相对位置矩阵和相对速度矩阵；对于无人机k，将无人机k与编队内所有无人机的相对位置关系表示为相对位置矩阵

其中矢量

表示无人机k与无人机q的相对位置关系，

表示无人机k与无人机q的相对距离；将无人机k与编队内所有无人机的相对速度关系表示为相对速度矩阵

其中

表示无人机k与无人机q的相对速度关系。

4.根据权利要求1所述的分布式无人机编队状态信息广播发送频率的优化方法，其特征在于，所述S3过程中具体包括以下步骤：

每架无人机计算本机与其他无人机的相对速度矢量在相对位置矢量上的速度投影；对于无人机k和无人机q,k≠q，无人机k与无人机q之间相对速度矢量在相对位置矢量上的速度投影为

其中

表示矢量

与矢量

的内积运算。

5.根据权利要求1所述的分布式无人机编队状态信息广播发送频率的优化方法，其特征在于，所述S4过程中具体包括以下步骤：

设置无人机之间的最近安全距离为L_safe，编队内部无人机任意两架之间的相对距离不小于L_safe；k≠q，计算无人机k到无人机q的参考状态信息发送频率

其中L_k,q-L_safe＞0。

6.根据权利要求1所述的分布式无人机编队状态信息广播发送频率的优化方法，其特征在于，所述S5过程中具体包括以下步骤：

每架无人机采用其他无人机到本机的通信丢包率代替无人机到其他无人机的通信丢包率，并计算相应的安全状态信息广播发送频率；k≠q，无人机q到无人机k的通信丢包率为Pr_q,k，采用Pr_q,k代替无人机k到无人机q的通信丢包率Pr_k,q，即令Pr_k,q＝Pr_q,k，获得保证无人机k到无人机q飞行安全的安全状态信息广播发送频率

7.根据权利要求1所述的分布式无人机编队状态信息广播发送频率的优化方法，其特征在于，所述S6过程中具体包括以下步骤：

选取无人机k到其他无人机的安全状态信息广播发送频率的最大值作为无人机k的编队安全状态信息广播发送频率f_k,max，即

其中函数max(*)表示取集合中的最大值。

8.根据权利要求1所述的分布式无人机编队状态信息广播发送频率的优化方法，其特征在于，所述S7过程中具体包括以下步骤：

无人机k配置的卫星导航设备信息更新的刷新频率为f_k,gps，计算无人机k的最终状态信息广播发送频率

其中函数min(*)表示取集合中的最小值。