CN113359838A - 一种多uav协同飞行控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多UAV协同飞行控制***及方法，包括多个无人机UAV及由多个无人机组成的多无人机***MUAVS；把所述MUAVS划分为不同的层级结构，在不同的层级中将多个UAV组成相应的分组；把分组内的一个UAV作为控制节点UAV；分组中的所有UAV共同执行任务，并构建基于多层结构的MUAVS分布式体系架构；在多层结构的MUAVS分布式体系架构内的各个UAV中均存储有全局状态控制信息模型（CIM_MUAVS）的数据结构，当任一UAV因故导致MUAVS通信网络变为部分联通状态时，触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制，确保在UAV自身故障、损毁后及时被替代并进行组网通信，或是在部分网络联通状态下进行自动搜索组网以使得MUAVS正常联通，保证各个UAV飞行任务顺利完成。
Description
技术领域
本发明属于无人机控制技术领域，具体是一种多UAV协同飞行控制***及方法。
背景技术
无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)具有零人员伤亡、作战能力强、运行成本低等特点，以及在外形尺寸、飞行速度和机动性能等方面的优势，能够替代有人机在海、陆、空等多领域执行枯燥、恶劣、危险、纵深等高难度作战任务，所以UAV逐渐成为现代高技术局部战争中的重要武器装备。面对日益多样化的复杂任务和高度复杂化的战场环境，单个UAV难以独立高效地完成繁琐复杂的作战任务。然而，利用多个UAV组成多UAV***(Multi UAVSystem，MUAVS)进行协同作战，能够通过***内部的动态分配与调度提高任务成功概率，通过成员间的资源共享和相互配合提高任务执行的质量和能力。从而实现信息的高度共享、任务的高度整合、资源的高度优化，已经成为未来作战模式的重要发展趋势。
但在实际作战任务的执行中，MUAVS通常采用分布式体系架构，其面临的任务环境较为复杂，所需的战场要素众多，相应的信息通信和数据计算也较为复杂。如果缺乏科学、高效的协同控制方法，将会导致分布式MUAVS中多个UAV在时间、空间和任务层面上相互矛盾和冲突，使得既定任务无法顺利完成。此外，针对外界的各种扰动和不确定性，尤其当各UAV仅能获取有限的局部信息时，MUAVS***需要具有高复杂度的决策空间和强实时性的决策能力，以满足在通信受限条件下协同控制的可靠性和鲁棒性，确保最优的任务分配、编队控制、轨迹规划和碰撞规避等。为此，分布式MUAVS的协同控制成为当前应用研究领域的热点和难点问题。
本发明针对局部信息联通条件下多UAV的协同飞行控制问题，提供分布式MUAVS的体系架构、网络通信、协同编队、航迹规划、危险规避及一致性实现等方案，实现了对分布式MUAVS高效可靠的协同控制。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题，本发明提供了一种多UAV协同飞行控制***，具有对分布式MUAVS高效可靠的协同控制作用的优点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多UAV协同飞行控制***，包括多个无人机UAV及由多个无人机组成的多无人机***MUAVS；把所述MUAVS划分为不同的层级结构，在不同的层级中将多个UAV组成相应的分组；把分组内的一个UAV作为控制节点UAV，所述控制节点UAV与组内UAV或其他分组内的控制节点UAV进行数据通信；分组中的所有UAV共同执行任务，并构建基于多层结构的MUAVS分布式体系架构；在多层结构的MUAVS分布式体系架构内的各个UAV中均存储有全局状态控制信息模型CIM_MUAVS的数据结构，当任一UAV因故导致MUAVS通信网络变为部分联通状态时，触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制并使得MUAVS正常联通。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明通过多层结构的MUAVS分布式体系架构，建立基于多层结构的多UAV分布式协同控制的体系结构，对于其中的每个UAV而言，可通过自主协同控制支撑网络和信息获取***来获取MUAVS中局部(或全部，视UAV数量和网络能力)节点的信息、网络拓扑特征信息、任务环境特征信息，然后通过编队决策与控制***对这些信息进行分析和处理，根据编队原则和效能指标来权衡节点代价、分组代价与群体代价，从而进行任务规划/目标分配、协同编队控制、碰撞规避决策、协同航迹规划和威胁规避控制，形成多UAV协同控制的队形引导和编队优化指标，最后经协同编队飞行控制***和节点飞行控制***，按照队形导引要求和碰撞规避策略完成MUAVS的协同飞行控制。
2.本发明通过设置多层分布式MUAVS智能化自组网机制，当任一UAV因故导致UAV分组内部通信受阻或失效时，触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制，当前UAV以时间步长Ts/k(k为正整数)连续多次向分组内的多个UAV节点发起网络连接请求，并在最短时间内选择满足通信要求的UAV节点进行连接，以使得MUAVS正常联通，进而保证完成MUAVS的协同飞行控制顺利完成。
3.本发明通过设置多层分布式MUAVS智能化自组网机制，当任一控制节点UAV因故导致与其他UAV分组之间通信受阻或失效时，触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制，控制节点UAV以时间步长Ts/l(l为不大于k的正整数)连续多次向其他多个UAV分组控制节点UAV发起网络连接请求，并在最短时间内选择满足通信要求的控制节点UAV进行连接，以使得MUAVS正常联通，保证全局状态控制信息能够实现完整存储和一致更新，顺利完成飞行任务。
4.本发明通过设置多层分布式MUAVS智能化自组网机制，在各UAV分组中，当任一非通信控制节点UAV因自身故障、损毁导致功能丧失时，触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制，当非通信控制节点UAV任务优先等级最低时，当前UAV分组状态控制信息向量组不再对非通信控制节点UAV进行更新；当非通信控制节点UAV任务优先等级非最低时，选择当前分组或其他分组中任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV，并使任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV的任务目标信息与非通信控制节点UAV的任务目标信息互换，以使得MUAVS正常联通，保证飞行任务的顺利完成。
5.本发明通过设置多层分布式MUAVS智能化自组网机制，在各UAV分组中，当通信控制节点UAV因自身故障、损毁导致功能丧失时，触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制，在当前分组内部选择任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV并作为当前UAV分组的新控制节点UAV，以使得MUAVS正常联通；并当其他分组中存在任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV时，任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV获取UAV分组新通信控制节点UAV存储的优先任务目标信息并与自身原有的任务目标信息进行互换，以建立新的控制节点UAV，保证完成MUAVS的协同飞行控制顺利完成。
附图说明
图1为本发明基于多层结构的MUAVS分布式体系架构示意图；
图2为本发明基于多层结构的多UAV分布式协同控制架构示意图；
图3为本发明部分联通状态下多UAV通信网络拓扑结构模型示意图；
图4为本发明多层分布式体系架构下MUAVS通信网络拓扑结构示意图；
图5为本发明当任一UAV因故导致UAV分组内部通信受阻或失效时触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制流程图；
图6为本发明当任一UAV分组通信控制节点因故导致与其他UAV分组之间通信受阻或失效时触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制流程图；
图7为本发明当某个非通信控制节点UAV因自身故障、损毁导致功能丧失时触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制流程图；
图8为本发明当通信控制节点UAV因自身故障、损毁导致功能丧失时触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制流程图。
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。
实施例1
如图1至图4所示，本发明提供一种多UAV协同飞行控制***，包括多个无人机UAV及由多个无人机组成的多无人机***MUAVS；其中，每个UAV都可以看作是一个智能体节点，具有独立的信息处理及信息交互能力；多个无人机组成多无人机***MUAVS，多个UAV之间能够通信。MUAVS的协同控制体系架构主要包括集中式结构、分布式结构和分层递阶结构等。其中，集中式结构虽具有相对稳定的“组织形式”和“协同机制”，但是不能降低问题求解的复杂性，控制决策过程对信息的完整度和依赖性要求较高。采用分布式和分层递阶结构的多UAV协同控制方法是目前主流的研究方向。为了实现对多个UAV的协同控制，需要建立基于多层结构的多UAV分布式协同控制的体系结构，本发明的多UAV分布式协同控制的体系结构按着以下步骤进行构建，如图1所示，具体为：
首先由多个无人机组成的多无人机***MUAVS；
然后，把MUAVS划分为不同的层级结构，在不同的层级中将多个UAV组成相应的分组；
把分组内的一个UAV作为控制节点UAV，控制节点UAV与组内UAV或其他分组内的控制节点UAV进行数据通信；
分组中的所有UAV共同执行任务，并构建基于多层结构的MUAVS分布式体系架构；
如图1所示，其中，第一层所示的控制节点分组是由第二层中各分组中的控制节点所组成的，控制节点UAV与分组内其他UAV进行数据通信，同时与其他分组的控制节点UAV进行数据通信，以保证整个MUAVS通信的完整性。
如图2所示，多UAV自主协同控制支撑网络架构是基于多层结构的MUAVS分布式体系架构的。根据UAV数量和网络能力，对于其中的每个UAV而言，每个UAV需要通过自主协同控制支撑网络和信息获取***来获取MUAVS中局部或全部UAV的信息、网络拓扑特征信息、任务环境特征信息。然后通过编队决策与控制***对这些信息进行分析和处理，根据编队原则和效能指标来权衡节点代价、分组代价与群体代价，从而进行任务规划/目标分配、协同编队控制、碰撞规避决策、协同航迹规划和威胁规避控制，形成多UAV协同控制的队形引导和编队优化指标，最后经协同编队飞行控制***和节点飞行控制***，按照队形导引要求和碰撞规避策略完成MUAVS的协同飞行控制。
多UAV协同控制的关键在于有效可靠的信息交互通信，但在实际强对抗环境中，条件往往比较苛刻，存在带宽受限、丢包率高、时延长和对抗强等特点，通常会导致其通信网络拓扑和联通状态发生变化，使得MUAVS中多个UAV处于部分联通状态。同时，UAV的高速运动以及可能出现的故障、损毁等，使得多UAV的协同控制只能在部分联通、带有延迟的网络环境中进行。其直接后果就是导致多UAV之间的状态信息不一致或不全面，增加了多UAV自主协同控制问题的困难度和复杂性。
为了描述MUAVS的部分联通状态，采用有向图来建立MUAVS中多个UAV节点之间的通信网络拓扑结构模型(以3个UAV节点为例)，如图3所示。可以看出图3中a)、b)和c)中多个UAV之间的通信均为部分联通状态，当某个UAV节点发生故障或损毁时，极易导致MUAVS的内部通信失效和最终任务执行失败。
如图4所示，对于采用多层分布式体系架构的MUAVS而言，各UAV之间的通信连接关系可以描述为图4所示的网络拓扑结构，多层结构的MUAVS分布式体系架构中的各UAV之间的通信关系为网络拓扑结构；网络拓扑结构具体为：UAV1、UAV2、…、UAVi、…、UAVm为第一层通信网络，并作为第二层通信网络中多个UAV分组的相应通信控制节点UAV；即：UAV1作为UAV1、UAV12、…、UAV1j、…、UAV1n1分组的通信控制节点UAV，UAV2作为UAV2、UAV22、…、UAV2j、…、UAV2n2分组的通信控制节点UAV，UAVi作为UAVi、UAVi2、…、UAVij、…、UAVini分组的通信控制节点UAV，UAVm作为UAVm、UAVm2、…、UAVmj、…、UAVmnm分组的通信控制节点UAV；根据MUAVS的组成规模及UAV总数量，第二层通信网络各分组中其它UAV作为下一层通信网络中多个UAV分组的通信控制节点UAV。
正常工作情况下，图4所示的通信网络拓扑结构中，编配到不同层级、不同分组及其通信控制节点的各UAV之间能够直接或间接进行信息联通。然而，作为通信控制节点的UAV一旦出现自身故障、损毁，或是因通信网络原因导致带宽严重受限、丢包率极高、时延过长等问题，就会引起MUAVS通信网络拓扑结构变为部分联通状态。为了避免MUAVS由于局部信息联通而出现失控或是任务失败状态，需要建立智能化自组网机制，确保作为通信控制节点的UAV在自身故障、损毁后能够及时被替代进行组网通信，或是在带宽严重受限、丢包率极高、时延过长的网络联通状态下进行自动搜索组网。
多个UAV在执行任务过程中，所需要的状态控制信息包括当前空间位置、飞行姿态、飞行速度/加速度、飞行时长以及所承担任务、目标点方位、任务要求、任务执行状态等。全局状态控制信息模型CIM_MUAVS的建立过程为：对于MUAVS中的任一UAVi节点(1≤i≤n，n为MUAVS中UAV的总数量)而言，其在t时刻的状态控制信息模型CIM_UAVi(t)描述为UAVi飞行状态信息与任务目标信息的组合：
CIM_UAVi(t)＝[Pi(t),Ai(t),Vi(t),Wi(t),Ti(t),Mi(t),Di(t),Ri(t),Si(t)]
其中，Pi(t)、Ai(t)、Vi(t)、Wi(t)和Ti(t)为UAVi的飞行状态信息；
Mi(t)、Di(t)、Ri(t)和Si(t)为UAVi的任务目标信息；
Pi(t)为UAVi在t时刻的空中位置坐标，采用大地坐标系，包括经度、维度和高程信息，即Pi(t)＝[xi(t),yi(t),zi(t)]；
Ai(t)为UAVi在t时刻的空中飞行姿态，包括俯仰、滚动和偏航角度信息，即Ai(t)＝[pi(t),ri(t),hi(t)]；
Vi(t)为UAVi在t时刻的飞行速度矢量信息，Vi(t)＝[vxi(t),vyi(t),vzi(t)]单位为m/s；
Wi(t)为UAVi在t时刻的飞行加速度矢量信息，Wi(t)＝[wxi(t),wyi(t),wzi(t)]，单位为m/s2；
Ti(t)为UAVi在t时刻的累计飞行时长，单位为s；
Mi(t)为UAVi在t时刻所承担的具体任务信息，为指令信息序列，例如侦查(Re/Reconnoitre)、探测(De/Detect)、攻击(At/Attack)、评估(Ev/Evaluate)等。
Di(t)为UAVi在t时刻所承担任务对应目标点的方位信息，用大地坐标系的经度、维度和高程来描述，即Di(t)＝[dxi(t),dyi(t),dzi(t)]；
Ri(t)为UAVi在t时刻所承担任务Mi(t)对应的优先等级与执行要求信息，为指令信息序列，任务优先等级用1,2,3，…来表示逐次降低，任务执行要求则用强制性(Ma/Mandatory)、可调整(Ad/Adjust)来描述。
Si(t)为UAVi在t时刻所承担任务Mi(t)对应的执行状态信息，包括执行(E/Execute)、完成(F/Finish)、取消(C/Cancel)、释放(R/Release)等不同状态。
则在t时刻，整个MUAVS的全局状态控制信息模型CIM_MUAVS描述为：
鉴于现有UAV硬件均具有较强的处理、存储和通信性能，在MUAVS各UAV中均存储CIM_MUAVS的数据结构，但对于CIM_MUAVS中具体状态控制信息向量的存储和更新，则根据各UAV不同分工进行相应的划分和动态调整。对于图5所示的任一UAV分组而言，其中各UAV分别负责自身状态控制信息向量的存储和更新，并以特定步长Ts发送至相应通信控制节点UAV1、UAV2、…、UAVi、…、UAVm进行存储和更新，从而形成各自UAV分组的状态控制信息向量组，并分发至分组内各UAV节点对自身外的其他UAV状态控制信息向量进行存储和更新，确保分组内多个UAV的状态控制信息向量以特定步长Ts进行同步更新。同时，各分组通信控制节点UAV1、UAV2、…、UAVi、…、UAVm作为图2中所示的第一层网络节点，需要以特定时间间隔TJ和步长Ts对各自分组的状态控制信息向量组进行相互存储备份和一致更新，从而确保MUAVS正常联通情况下，全局状态控制信息能够实现完整存储和一致更新。
具体的，在多层结构的MUAVS分布式体系架构内的各个UAV中均存储有全局状态控制信息模型CIM_MUAVS的数据结构，当任一UAV因故导致MUAVS通信网络变为部分联通状态时，触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制并使得MUAVS正常联通，从而进行任务规划/目标分配、协同编队控制、碰撞规避决策、协同航迹规划和威胁规避控制，形成多UAV协同控制的队形引导和编队优化指标，最后经协同编队飞行控制***和节点飞行控制***，按照队形导引要求和碰撞规避策略完成MUAVS的协同飞行控制。
实施例2
因通信网络原因导致带宽严重受限、丢包率极高、时延过长等问题，就会引起MUAVS通信网络拓扑结构变为部分联通状态。为了避免MUAVS由于局部信息联通而出现失控或是任务失败状态，需要建立多层分布式MUAVS的智能化自组网机制；具体对应的，当任一UAV因故导致UAV分组内部通信受阻或失效时，触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制，当前UAV以时间步长Ts/k(k为正整数)连续多次向分组内的多个UAV节点发起网络连接请求，并在最短时间内选择满足通信要求的UAV节点进行连接，以使得MUAVS正常联通。
具体的，如图5所示，按着以下步骤进行：
S1：在各UAV分组中，当任一UAV因故导致UAV分组内部通信受阻或失效时，当前UAV会以时间步长Ts/k(k为正整数)连续多次向分组内的多个UAV节点发起网络连接请求，并在最短时间内选择满足通信要求的UAV节点进行连接。
S2：一旦连接成功后，UAV分组恢复全联通状态，当前UAV也会及时获取自身状态控制信息的下一次更新时间戳t+Δts(Ts的正整数倍)。
进一步的，判定当前UAV状态控制信息与目标完成情况，并采取进一步动作：
S201：若当前UAV状态控制信息更接近目标完成，则在t+Δts时刻更新其在分组通信控制节点存储的状态控制信息向量，并在分组内进行分发和存储。
S202：若当前UAV状态控制信息更偏离目标完成，则在t+Δts时刻获取其在分组通信控制节点存储的状态控制信息向量，并对自身状态控制信息向量进行恢复(空中位置坐标信息除外)，并以此为基础进行后续的状态控制信息更新、分发和存储。
按着上述步骤，保证全局状态控制信息能够实现完整存储和一致更新，以使得MUAVS正常联通，进而保证完成MUAVS的协同飞行控制顺利完成。
实施例3
因通信网络原因导致带宽严重受限、丢包率极高、时延过长等问题，就会引起MUAVS通信网络拓扑结构变为部分联通状态。为了避免MUAVS由于局部信息联通而出现失控或是任务失败状态，需要建立多层分布式MUAVS的智能化自组网机制；具体对应的，当任一控制节点UAV因故导致与其他UAV分组之间通信受阻或失效时，触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制，控制节点UAV以时间步长Ts/l(l为不大于k的正整数)连续多次向其他多个UAV分组控制节点UAV发起网络连接请求，并在最短时间内选择满足通信要求的控制节点UAV进行连接，以使得MUAVS正常联通。具体的，如图6所示，按着以下步骤进行：
S3：当任一UAV分组通信控制节点因故导致与其他UAV分组之间通信受阻或失效时，通常分组内各UAV状态控制信息的更新和存储不会受到影响，当前分组通信控制节点UAV会以时间步长Ts/l(l为不大于k的正整数)连续多次向其他多个UAV分组通信控制节点UAV发起网络连接请求，并在最短时间内选择满足通信要求的UAV节点进行连接。
S4：一旦连接成功后，整个MUAVS恢复全联通状态，当前UAV分组通信控制节点也会及时获取各自分组状态控制信息向量组的下一次备份和更新时间戳t+ΔtJ(TJ的正整数倍)。
进一步的，判定当前UAV分组通信控制节点UAV存储的各分组状态控制信息向量组与任务完成情况，并采取进一步动作：
S401：若当前UAV分组通信控制节点UAV存储的各分组状态控制信息向量组更接近任务完成，则其在t+ΔtJ时刻以时间步长Ts对各自分组的状态控制信息向量组进行相互存储备份和一致更新。
S402：若当前UAV分组通信控制节点存储的各分组状态控制信息向量组更偏离任务完成，则其在t+ΔtJ时刻以时间步长Ts获取在其他UAV分组通信控制节点UAV存储的状态控制信息向量组，并对自身存储的UAV分组状态控制信息向量组进行恢复(空中位置坐标信息除外)。
S403：UAV分组的状态控制信息向量组恢复至最佳状态后，在分组内部状态控制信息的下一次更新时刻t+Δts，分组通信控制节点UAV将向组内其他UAV分发当前的分组状态控制信息向量组，对其他UAV的状态控制信息向量进行恢复(空中位置坐标信息除外)，并以此为基础进行后续的状态控制信息更新、分发和存储。
按着上述步骤，保证全局状态控制信息能够实现完整存储和一致更新，以使得MUAVS正常联通，进而保证完成MUAVS的协同飞行控制顺利完成。
实施例4
因通信网络原因导致带宽严重受限、丢包率极高、时延过长等问题，就会引起MUAVS通信网络拓扑结构变为部分联通状态。为了避免MUAVS由于局部信息联通而出现失控或是任务失败状态，需要建立多层分布式MUAVS的智能化自组网机制；具体对应的，在各UAV分组中，当任一非通信控制节点UAV因自身故障、损毁导致功能丧失时，触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制，当非通信控制节点UAV任务优先等级最低时，当前UAV分组状态控制信息向量组不再对非通信控制节点UAV进行更新；当非通信控制节点UAV任务优先等级非最低时，选择当前分组或其他分组中任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV，并使任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV的任务目标信息与非通信控制节点UAV的任务目标信息互换，以使得MUAVS正常联通。具体的，如图7所示，按着以下步骤进行：
S5：在各UAV分组中，当某个非通信控制节点UAV因自身故障、损毁导致功能丧失时，由于分组中各UAV之间均为全联通状态，且作为分组通信控制节点UAV中，备份和存储有各UAV分组的状态控制信息向量组，所以任一UAV失效后，当前UAV分组仍为全联通状态，但失效UAV的任务执行将会中止。
进一步的，根据其任务优先等级，采取下一步动作：
S501：若在当前UAV分组中其任务优先等级最低时，则在其状态控制信息的下一次更新时刻t+Δts，其他UAV保持自身的状态控制信息不做任何改变，当前UAV分组状态控制信息向量组不再对失效UAV进行更新，仅更新现存UAV所对应的行向量并进行存储和分发；同时当前UAV分组通信控制节点利用自身存储备份的其他UAV分组状态控制信息向量组，搜索其他分组中是否存在任务优先等级更低的UAV。
S502：若在当前UAV分组中存在比其任务优先等级更低的UAV时，则在t+Δts时刻，任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV将及时获取失效UAV状态控制信息向量中的任务目标信息，对自身原有的任务目标信息部分进行互换，并在当前UAV分组状态控制信息向量组中进行更新，而自身被替换的原有任务目标信息与失效UAV的飞行状态信息组合后，存储至当前UAV分组的状态控制信息向量组中不再更新；同时当前UAV分组通信控制节点利用自身存储备份的其他UAV分组状态控制信息向量组，搜索其他分组中是否存在任务优先等级更低的UAV。
S503：经过S501或S502步骤处理后，若其他UAV分组中不存在任务优先等级更低的UAV，则保持现有处理结果；若其他分组中存在任务优先等级更低的UAV，则在各UAV分组状态控制信息向量组的下一次备份和更新时刻t+ΔtJ，其他UAV分组中任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV，将及时获取当前UAV分组通信控制节点UAV存储的优先任务目标信息，与自身原有的任务目标信息进行互换，并更新自身所处UAV分组的状态控制信息向量组，而自身被替换的原有任务目标信息与失效UAV的飞行状态信息组合后，存储至当前UAV分组的状态控制信息向量组中不再更新。
按着上述步骤，保证全局状态控制信息能够实现完整存储和一致更新，以使得MUAVS正常联通，进而保证完成MUAVS的协同飞行控制顺利完成。
实施例5
因通信网络原因导致带宽严重受限、丢包率极高、时延过长等问题，就会引起MUAVS通信网络拓扑结构变为部分联通状态。为了避免MUAVS由于局部信息联通而出现失控或是任务失败状态，需要建立多层分布式MUAVS的智能化自组网机制；具体对应的，在各UAV分组中，当通信控制节点UAV因自身故障、损毁导致功能丧失时，触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制，在当前分组内部选择任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV并作为当前UAV分组的新控制节点UAV，以使得MUAVS正常联通；当其他分组中存在任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV时，任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV获取UAV分组新通信控制节点UAV存储的优先任务目标信息并与自身原有的任务目标信息进行互换。具体的，如图8所示，按着以下步骤进行：
S6：在各UAV分组中，当通信控制节点UAV因自身故障、损毁导致功能丧失时，其任务执行将会中止，当前UAV分组内部或与其他UAV分组之间也将变为部分联通状态，但分组内多个UAV仍存储有最近更新的分组状态控制信息向量组；根据所存储的UAV分组状态控制信息向量组，按着以下步骤建立新的通讯控制节点UAV：
S601：在当前UAV分组内部状态控制信息的下一次更新时刻t+Δts，其他UAV根据所存储的UAV分组状态控制信息向量组，搜索并选出其中任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV，使其作为当前UAV分组的新通信控制节点UAV。
S602：成为新通信控制节点UAV及时获取失效通信控制节点UAV状态控制信息向量中的任务目标信息，对自身原有的任务目标信息部分进行互换，并在当前UAV分组状态控制信息向量组中进行更新，而自身被替换的原有任务目标信息与失效通信控制节点UAV的飞行状态信息组合后，存储至当前UAV分组的状态控制信息向量组中不再更新。
S603：当前UAV分组的新通信控制节点UAV会以时间步长Ts/l(l为不大于k的正整数)连续多次向其他多个UAV分组通信控制节点UAV发起网络连接请求，并在最短时间内选择满足通信要求的UAV节点进行连接。
S604：一旦连接成功后，MUAVS的现有UAV恢复全联通状态，当前UAV分组通信控制节点也会及时获取各自分组状态控制信息向量组的下一次备份和更新时间戳t+ΔtJ，而后根据S401-S403的实现方法，对各自分组的状态控制信息向量组进行更新或恢复，并进行相互存储备份。
S605：若其他UAV分组中不存在任务优先等级比当前UAV分组中失效通信控制节点UAV更低的UAV，则保持现有处理结果；若其他分组中存在任务优先等级更低的UAV，则在各UAV分组状态控制信息向量组的再一次备份和更新时刻t+ΔtJ+TJ，其他UAV分组中任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV，将及时获取当前UAV分组新通信控制节点UAV存储的优先任务目标信息，与自身原有的任务目标信息进行互换，并更新自身所处UAV分组的状态控制信息向量组，而自身被替换的原有任务目标信息与失效通信控制节点UAV的飞行状态信息组合后，存储至当前UAV分组的状态控制信息向量组中不再更新，保证全局状态控制信息能够实现完整存储和一致更新，以使得MUAVS正常联通，进而保证完成MUAVS的协同飞行控制顺利完成。
本发明通过建立基于多层结构的MUAVS分布式体系架构和多层分布式MUAVS的智能化自组网机制，当因通信网络原因导致带宽严重受限、丢包率极高、时延过长等问题造成MUAVS通信网络拓扑结构变为部分联通状态时，多层分布式MUAVS的智能化自组网机制被触发，从而确保MUAVS正常联通，保证MUAVS的内部通信正常和各个UAV的最终飞行任务顺利完成。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种多UAV协同飞行控制***，包括多个无人机UAV及由多个无人机组成的多无人机***MUAVS；
把所述MUAVS划分为不同的层级结构，在不同的层级中将多个UAV组成相应的分组；
把分组内的一个UAV作为控制节点UAV，所述控制节点UAV与组内UAV或其他分组内的控制节点UAV进行数据通信；
分组中的所有UAV共同执行任务，并构建基于多层结构的MUAVS分布式体系架构；
在多层结构的MUAVS分布式体系架构内的各个UAV中均存储有全局状态控制信息模型CIM_MUAVS的数据结构，当任一UAV因故导致MUAVS通信网络变为部分联通状态时，触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制并使得MUAVS正常联通。
2.根据权利要求1所述的一种多UAV协同飞行控制***，其特征在于：所述多层结构的MUAVS分布式体系架构中的各UAV之间的通信关系为网络拓扑结构；所述网络拓扑结构具体为：UAV1、UAV2、…、UAVi、…、UAVm为第一层通信网络，并作为第二层通信网络中多个UAV分组的相应通信控制节点UAV；即：UAV1作为UAV1、UAV12、…、UAV1j、…、UAV1n1分组的通信控制节点UAV，UAV2作为UAV2、UAV22、…、UAV2j、…、UAV2n2分组的通信控制节点UAV，UAVi作为UAVi、UAVi2、…、UAVij、…、UAVini分组的通信控制节点UAV，UAVm作为UAVm、UAVm2、…、UAVmj、…、UAVmnm分组的通信控制节点UAV；根据MUAVS的组成规模及UAV总数量，第二层通信网络各分组中其它UAV作为下一层通信网络中多个UAV分组的通信控制节点UAV。
3.根据权利要求1所述的一种多UAV协同飞行控制***，其特征在于：所述全局状态控制信息模型CIM_MUAVS的建立过程为：对于MUAVS中的任一UAVi节点(1≤i≤n，n为MUAVS中UAV的总数量)，其在t时刻的状态控制信息模型CIM_UAVi(t)描述为UAVi飞行状态信息与任务目标信息的组合：
CIM_UAVi(t)＝[Pi(t),Ai(t),Vi(t),Wi(t),Ti(t),Mi(t),Di(t),Ri(t),Si(t)]
其中，Pi(t)、Ai(t)、Vi(t)、Wi(t)和Ti(t)为UAVi的飞行状态信息；
Mi(t)、Di(t)、Ri(t)和Si(t)为UAVi的任务目标信息；
Pi(t)为UAVi在t时刻的空中位置坐标，采用大地坐标系，包括经度、维度和高程信息，即Pi(t)＝[xi(t),yi(t),zi(t)]；
Ai(t)为UAVi在t时刻的空中飞行姿态，包括俯仰、滚动和偏航角度信息，即Ai(t)＝[pi(t),ri(t),hi(t)]；
Vi(t)为UAVi在t时刻的飞行速度矢量信息，Vi(t)＝[vxi(t),vyi(t),vzi(t)]单位为m/s；
Wi(t)为UAVi在t时刻的飞行加速度矢量信息，Wi(t)＝[wxi(t),wyi(t),wzi(t)]，单位为m/s2；
Ti(t)为UAVi在t时刻的累计飞行时长，单位为s；
Mi(t)为UAVi在t时刻所承担的具体任务信息，为指令信息序列；
Di(t)为UAVi在t时刻所承担任务对应目标点的方位信息，用大地坐标系的经度、维度和高程来描述，即Di(t)＝[dxi(t),dyi(t),dzi(t)]；
Ri(t)为UAVi在t时刻所承担任务Mi(t)对应的优先等级与执行要求信息，为指令信息序列；
Si(t)为UAVi在t时刻所承担任务Mi(t)对应的执行状态信息；
则在t时刻，整个MUAVS的全局状态控制信息模型CIM_MUAVS描述为：
4.根据权利要求1所述的一种多UAV协同飞行控制***，其特征在于：各UAV分别负责自身状态控制信息向量的存储和更新，并以特定步长Ts发送至相应通信控制节点UAV1、UAV2、…、UAVi、…、UAVm进行存储和更新，从而形成各自UAV分组的状态控制信息向量组，并分发至分组内各控制节点UAV，对自身外的其他UAV状态控制信息向量进行存储和更新，确保分组内多个UAV的状态控制信息向量以特定步长Ts进行同步更新；各分组通信控制节点UAV1、UAV2、…、UAVi、…、UAVm作为第一层网络节点，需要以特定时间间隔TJ和步长Ts对各自分组的状态控制信息向量组进行相互存储备份和一致更新。
5.根据权利要求1所述的一种多UAV协同飞行控制***，其特征在于：所述控制节点UAV与分组内其他UAV进行数据通信，同时与其他分组的控制节点UAV进行数据通信。
6.根据权利要求1所述的一种多UAV协同飞行控制***，其特征在于：根据UAV数量和网络能力，每个UAV通过自主协同控制支撑网络和信息获取***来获取MUAVS中局部或全部UAV的信息、网络拓扑特征信息、任务环境特征信息。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种多UAV协同飞行控制***的实现方法，其特征在于：当任一UAV因故导致UAV分组内部通信受阻或失效时，触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制，当前UAV以时间步长Ts/k(k为正整数)连续多次向分组内的多个UAV节点发起网络连接请求，并在最短时间内选择满足通信要求的UAV节点进行连接，以使得MUAVS正常联通。
8.根据权利要求1-6任一所述的一种多UAV协同飞行控制***的实现方法，其特征在于：当任一控制节点UAV因故导致与其他UAV分组之间通信受阻或失效时，触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制，所述控制节点UAV以时间步长Ts/l(l为不大于k的正整数)连续多次向其他多个UAV分组控制节点UAV发起网络连接请求，并在最短时间内选择满足通信要求的控制节点UAV进行连接，以使得MUAVS正常联通。
9.根据权利要求1-6任一所述的一种多UAV协同飞行控制***的实现方法，其特征在于：在各UAV分组中，当任一非通信控制节点UAV因自身故障、损毁导致功能丧失时，触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制，当所述非通信控制节点UAV任务优先等级最低时，当前UAV分组状态控制信息向量组不再对所述非通信控制节点UAV进行更新；当所述非通信控制节点UAV任务优先等级非最低时，选择当前分组或其他分组中任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV，并使所述任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV的任务目标信息与所述非通信控制节点UAV的任务目标信息互换，以使得MUAVS正常联通。
10.根据权利要求1-6任一所述的一种多UAV协同飞行控制***的实现方法，其特征在于：在各UAV分组中，当通信控制节点UAV因自身故障、损毁导致功能丧失时，触发多层分布式MUAVS的智能化自组网机制，在当前分组内部选择任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV并作为当前UAV分组的新控制节点UAV，以使得MUAVS正常联通；当其他分组中存在任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV时，所述任务优先等级更低且在CIM_MUAVS数据结构中行数最小的UAV获取所述UAV分组新通信控制节点UAV存储的优先任务目标信息并与自身原有的任务目标信息进行互换。
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