基于最小樹形圖的無人機編隊通信拓撲重優(yōu)化方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于最小樹形圖的無人機編隊通信拓撲重優(yōu)化方法及系統(tǒng)，用于在編隊中的無人機出現(xiàn)通信故障后，對重構后的無人機編隊通信拓撲的優(yōu)化，該方法包括：計算重構后的無人機編隊通信拓撲的第一通信代價；將所述第一通信代價與預設狀態(tài)下的編隊通信圖的最小樹形圖的目標通信代價進行比較；在第一通信代價大于目標通信代價時，通過預設策略優(yōu)化所述重構后的無人機編隊通信拓撲。本發(fā)明通過將重構后的無人機編隊通信拓撲的第一通信代價，與目標通信代價進行比較，在第一通信代價大于目標通信代價時，通過預設策略優(yōu)化所述重構后的無人機編隊通信拓撲，使得編隊中的無人機出現(xiàn)通信故障時，重優(yōu)化后的無人機編隊通信拓撲的通信代價最小。
【專利說明】
基于最小樹形圖的無人機編隊通信拓撲重優(yōu)化方法及系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及無人機通信技術領域，尤其設及一種基于最小樹形圖的無人機編隊通 信拓撲重優(yōu)化方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 在無人機出現(xiàn)故障后，目前一般通過重構通信拓撲的方式實現(xiàn)快速重構通信拓撲 W避免發(fā)生UAV碰撞事故并恢復編隊隊形。
[0003] 在快速重構通信拓撲之后，所有UAV都能確保安全了，某些UAV可能離開了編隊（它 們在一個不同的高度單獨跟隨預定的編隊參考航跡或者獨自飛回所屬機場），剩余的UAV則 繼續(xù)保持編隊隊形朝目標區(qū)域飛行，但是重構后的通信拓撲對應的編隊通信代價不一定是 最優(yōu)的，因此有必要通過UAV位置重構(交換UAV在編隊隊形中的位置或者令某個UAV去填補 另外一個離開編隊的UAV所留下的空位)來重優(yōu)化通信拓撲W最小化編隊通信代價并繼續(xù) 保持編隊隊形。

【發(fā)明內容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明提供了一種基于最小樹形圖的無人機編隊通信拓 撲重優(yōu)化方法及系統(tǒng)，確保通過UAV位置重構一定能得到最優(yōu)的通信拓撲。
[0005] 第一方面，本發(fā)明提供了一種基于最小樹形圖的無人機編隊通信拓撲重優(yōu)化方 法，用于在編隊中的無人機出現(xiàn)通信故障后，對重構后的無人機編隊通信拓撲的優(yōu)化，包 括：
[0006] 計算重構后的無人機編隊通信拓撲的第一通信代價；
[0007] 將所述第一通信代價與預設狀態(tài)下的編隊通信圖的最小樹形圖的目標通信代價 進行比較；
[000引在所述第一通信代價大于預設狀態(tài)下的編隊通信圖的最小樹形圖的目標通信代 價時，通過預設策略優(yōu)化所述重構后的無人機編隊通信拓撲。
[0009] 可選的，通過預設策略優(yōu)化所述重構后的無人機編隊通信拓撲，包括：
[0010] 對編隊通信圖中無人機的位置進行多次交換，獲取多次交換位置后的編隊通信圖 的最小樹形圖的第二通信代價；
[0011] 將所述第二通信代價對應的編隊通信拓撲作為重優(yōu)化后的無人機編隊通信拓撲；
[0012] 其中，所述第二通信代價為多次交換位置后的編隊通信圖的最小樹形圖的最小通 信代價。
[0013] 可選的，所述對編隊通信圖中無人機的位置進行多次交換，獲取多次交換位置后 的編隊通信圖的最小樹形圖的第二通信代價，包括：
[0014] 將所述第一通信代價作為所述第二通信代價的初始值；
[0015] 對所述編隊通信圖中無人機的位置進行第一次交換，獲取第Ξ通信代價；
[0016] 若所述第Ξ通信代價小于所述第二通信代價的初始值，則將所述第Ξ通信代價作 為所述第二通信代價的優(yōu)化值；
[0017] 對第一次交換后的編隊通信圖中無人機的位置進行第二次交換，獲取第四通信代 價；
[0018] 若所述第四通信代價小于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則將所述第四通信代價作 為所述第二通信代價的優(yōu)化值；
[0019] 對第二次交換后的編隊通信圖中無人機的位置進行第N次變換，獲取第五通信代 價；
[0020] 若所述第五通信代價小于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則將所述第五通信代價作 為所述第二通信代價的優(yōu)化值。
[0021] 可選的，所述對編隊通信圖中無人機的位置進行多次交換，獲取多次交換位置后 的編隊通信圖的最小樹形圖的第二通信代價，包括：
[0022] 若所述第五通信代價等于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則比較所述第五通信代價 對應的無人機編隊通信拓撲與所述第二通信代價的優(yōu)化值對應的無人機編隊通信拓撲分 別相對于所述重構后的無人機編隊拓撲的無人機的位置的交換次數(shù)W及交換距離；
[0023] 若所述第五通信代價對應的無人機編隊通信拓撲的無人機的位置的交換次數(shù)和 交換距離更小，則將所述第五通信代價作為所述第二通信代價的優(yōu)化值。
[0024] 可選的，所述預設狀態(tài)下的編隊通信圖為:編隊通信圖中的無人機均為候選的編 隊領航者且所有無人機之間相互通信正常。
[0025] 第二方面，本發(fā)明還提供了一種基于最小樹形圖的無人機編隊通信拓撲重優(yōu)化系 統(tǒng)，用于在編隊中的無人機出現(xiàn)通信故障后，對重構后的無人機編隊通信拓撲的優(yōu)化，包 括：
[0026] 計算模塊，用于計算重構后的無人機編隊通信拓撲的第一通信代價；
[0027] 比較模塊，用于將所述第一通信代價與預設狀態(tài)下的編隊通信圖的最小樹形圖的 目標通信代價進行比較；
[0028] 優(yōu)化模塊，用于在所述第一通信代價大于預設狀態(tài)下的編隊通信圖的最小樹形圖 的目標通信代價時，通過預設策略優(yōu)化所述重構后的無人機編隊通信拓撲。
[0029] 可選的，所述優(yōu)化模塊，用于：
[0030] 對編隊通信圖中無人機的位置進行多次交換，獲取多次交換位置后的編隊通信圖 的最小樹形圖的第二通信代價；
[0031 ]將所述第二通信代價對應的編隊通信拓撲作為重優(yōu)化后的無人機編隊通信拓撲；
[0032] 其中，所述第二通信代價為多次交換位置后的編隊通信圖的最小樹形圖的最小通 信代價。
[0033] 可選的，所述優(yōu)化模塊，具體用于：
[0034] 將所述第一通信代價作為所述第二通信代價的初始值；
[0035] 對所述編隊通信圖中無人機的位置進行第一次交換，獲取第Ξ通信代價；
[0036] 若所述第Ξ通信代價小于所述第二通信代價的初始值，則將所述第Ξ通信代價作 為所述第二通信代價的優(yōu)化值；
[0037] 對第一次交換后的編隊通信圖中無人機的位置進行第二次交換，獲取第四通信代 價；
[0038] 若所述第四通信代價小于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則將所述第四通信代價作 為所述第二通信代價的優(yōu)化值；
[0039] 對第二次交換后的編隊通信圖中無人機的位置進行第N次變換，獲取第五通信代 價；
[0040] 若所述第五通信代價小于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則將所述第五通信代價作 為所述第二通信代價的優(yōu)化值。
[0041] 可選的，所述優(yōu)化模塊，具體用于：
[0042] 若所述第五通信代價等于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則比較所述第五通信代價 對應的無人機編隊通信拓撲與所述第二通信代價的優(yōu)化值對應的無人機編隊通信拓撲分 別相對于所述重構后的無人機編隊拓撲的無人機的位置的交換次數(shù)W及交換距離；
[0043] 若所述第五通信代價對應的無人機編隊通信拓撲的無人機的位置的交換次數(shù)和 交換距離更小，則將所述第五通信代價作為所述第二通信代價的優(yōu)化值。
[0044] 可選的，所述預設狀態(tài)下的編隊通信圖為:編隊通信圖中的無人機均為候選的編 隊領航者且所有無人機之間相互通信正常。
[0045] 由上述技術方案可知，本發(fā)明提供一種基于最小樹形圖的無人機編隊通信拓撲重 優(yōu)化方法及系統(tǒng)，通過將重構后的無人機編隊通信拓撲的第一通信代價，與目標通信代價 進行比較，在第一通信代價大于目標通信代價時，通過預設策略優(yōu)化所述重構后的無人機 編隊通信拓撲，使得編隊中的無人機出現(xiàn)通信故障時，重優(yōu)化后的無人機編隊通信拓撲的 通?目代價最小。
【附圖說明】
[0046] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可W 根據(jù)運些圖獲得其他的附圖。
[0047] 圖1為本發(fā)明一實施例提供的基于最小樹形圖的無人機編隊通信拓撲重優(yōu)化方法 的流程示意圖；
[0048] 圖2為本發(fā)明一實施例提供的編隊需要保持的隊形的示意圖；
[0049] 圖3為本發(fā)明一實施例提供的編隊的初始最優(yōu)的通信拓撲示意圖；
[0050] 圖4為本發(fā)明一實施例提供的編隊的重構的通信拓撲示意圖；
[0051] 圖5為本發(fā)明一實施例提供的編隊的重優(yōu)化的通信拓撲示意圖；
[0052] 圖6為現(xiàn)有技術中的編隊的重優(yōu)化的通信拓撲示意圖；
[0053] 圖7為本發(fā)明一實施例提供的基于最小樹形圖的無人機編隊通信拓撲重優(yōu)化系統(tǒng) 的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0054] 下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0055] 圖1示出了本發(fā)明一實施例提供的一種基于最小樹形圖的無人機編隊通信拓撲重 優(yōu)化方法的流程示意圖，用于在編隊中的無人機出現(xiàn)通信故障后，對重構后的無人機編隊 通信拓撲的優(yōu)化，該方法包括W下步驟：
[0056] 101、計算重構后的無人機編隊通信拓撲的第一通信代價；
[0057] 102、將所述第一通信代價與預設狀態(tài)下的編隊通信圖的最小樹形圖的目標通信 代價進行比較；
[0058] 可理解的是，所述預設狀態(tài)下的編隊通信圖為:編隊通信圖中的無人機均可作為 編隊領航者且所有無人機之間相互通信正常。
[0059] 103、在所述第一通信代價大于預設狀態(tài)下的編隊通信圖的最小樹形圖的目標通 信代價時，通過預設策略優(yōu)化所述重構后的無人機編隊通信拓撲包括W下子步驟：
[0060] 1031、對編隊通信圖中無人機的位置進行多次交換，獲取多次交換位置后的編隊 通信圖的最小樹形圖的第二通信代價。
[0061] 具體的，步驟1031中所述對編隊通信圖中無人機的位置進行多次交換，獲取多次 交換位置后的編隊通信圖的最小樹形圖的第二通信代價，包括：
[0062] 將所述第一通信代價作為所述第二通信代價的初始值；
[0063] 對所述編隊通信圖中無人機的位置進行第一次交換，獲取第Ξ通信代價；
[0064] 若所述第Ξ通信代價小于所述第二通信代價的初始值，則將所述第Ξ通信代價作 為所述第二通信代價的優(yōu)化值；
[0065] 對第一次交換后的編隊通信圖中無人機的位置進行第二次交換，獲取第四通信代 價；
[0066] 若所述第四通信代價小于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則將所述第四通信代價作 為所述第二通信代價的優(yōu)化值；
[0067] 對第二次交換后的編隊通信圖中無人機的位置進行第N次變換，獲取第五通信代 價；
[0068] 若所述第五通信代價小于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則將所述第五通信代價作 為所述第二通信代價的優(yōu)化值。
[0069] 在另一個可實現(xiàn)的方式中，上述步驟1031中對編隊通信圖中無人機的位置進行多 次交換，獲取多次交換位置后的編隊通信圖的最小樹形圖的第二通信代價，包括：
[0070] 若所述第五通信代價等于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則比較所述第五通信代價 對應的無人機編隊通信拓撲與所述第二通信代價的優(yōu)化值對應的無人機編隊通信拓撲分 別相對于所述重構后的無人機編隊拓撲的無人機的位置的交換次數(shù)W及交換距離；
[0071] 若所述第五通信代價對應的無人機編隊通信拓撲的無人機的位置的交換次數(shù)和 交換距離更小，則將所述第五通信代價作為所述第二通信代價的優(yōu)化值。
[0072] 1032、將所述第二通信代價對應的編隊通信拓撲作為重優(yōu)化后的無人機編隊通信 拓撲；
[0073] 其中，所述第二通信代價為多次交換位置后的編隊通信圖的最小樹形圖的最小通 信代價。
[0074] 上述方法通過將重構后的無人機編隊通信拓撲的第一通信代價，與目標通信代價 進行比較，在第一通信代價大于目標通信代價時，通過預設策略優(yōu)化所述重構后的無人機 編隊通信拓撲，使得編隊中的無人機出現(xiàn)通信故障時，重優(yōu)化后的無人機編隊通信拓撲的 通?目代價最小。
[0075] 在對上述方法進行詳細說明之前，首先對UAV形成和保持編隊隊形的編隊控制方 法W及編隊通信拓撲進行說明。
[0076] UAV形成和保持編隊隊形的編隊控制方法主要有四種:領航-跟隨者策略（leader- follower strategy)、虛擬結構策略 （virtual structure strategy)、行為策略 (behavioral strategy)、一致性策略（consensus-based strategy)。其中，領航-跟隨者策 略最為成熟，它的基本思想是：編隊中的只有一個U A V作為編隊領航者（f 0 r m a t i 0 η leader),它按照預定的編隊參考航跡飛行;其余UAV作為跟隨者(follower),它們直接或間 接地跟隨編隊領航者，比如：一個UAV可能直接跟隨編隊領航者，也可能跟隨另外一個直接 或間接跟隨編隊領航者的UAV。如果第i個無人機UAVi直接跟隨第j個無人機UAVj，UAVi稱為 UAVj的跟隨者，UAVj稱為UAVi的領航者。UAVj會每隔Tcontroi秒通過點對點的通信鏈接向UAVi 發(fā)送自己的位置、速度和方向信息。當UAVi接收到運些信息后，將據(jù)此來調整自身的速度和 方向W實現(xiàn)和UAVj之間保持預期的相對位置。當所有的UAV都能實現(xiàn)和其領航者保持預期 的相對位置時，就實現(xiàn)了編隊隊形的保持。假設η個UAV使用領航-跟隨者策略來形成和保持 一個編隊隊形S，S中的η個位置分別編號為{1,2,…,η}，每個UAV可W位于S中的任意一個位 置，某幾個UAV但并不是所有的UAV可W作為編隊領航者(運些UAV又被稱為候選的編隊領航 者），每個UAV可W通過點對點通信鏈接和其它UAV進行信息交互，每個通信鏈接的通信代價 由其相應的通信距離決定。因此，可W用一個加權有向圖G=(V，E，W，P)來表示編隊中UAV之 間所有可用的通信鏈接，并簡稱為編隊通信圖：
[0077] (l)V={vi}是圖中的節(jié)點集合，其中V康示第i個無人機UAVi。
[007引（2)怎二?}c；ΓxΓ，l《i，j《n是圖中的邊集合，其中eリ表示從UAVi到UAVj有一 個可用的通信鏈接從而使得UAVi能發(fā)送信息給UAVj，即UAV巧W成為UAV撕領航者。
[0079] (3)W={w(eij)}，eijEE是圖中每條邊的權值集合，其中w(eij)表示eij的通信代價。
[0080] (4)P = {Pi}，1《i《η是每個UAV在編隊隊形S的具體位置集合，簡稱為UAV位置配 置(UAV position configuration),其中Pi表示UAVi在S中的具體位置。
[0081] 根據(jù)前面的描述可知，每個UAV只需要從其領航者接收信息和發(fā)送信息給其跟隨 者，運意味著不需要使用所有可用的通信鏈接就可W實現(xiàn)編隊隊形的形成和保持，其中所 使用的通信鏈接的集合被稱為UAV編隊的通信拓撲（communication topology)，沒有被使 用的通信鏈接被稱為冗余通信鏈接。因此，UAV編隊的通信拓撲A=(V，E^W^P)是其編隊通 信圖G=(V，E，W，P)的一個特殊子圖，其中￡4 (= ￡，W" G W令w(A)表示通信拓撲A的通信 代價，即有1
睡信拓撲A具有如下兩個特性。
[0082] 定理I:基于領航-跟隨者策略的UAV編隊的通信拓撲T必須是其編隊通信圖G的一 棵生成樹（spanning tree)，但是其編隊通信圖G的一棵生成樹并不一定能作為其通信拓 撲。
[0083] 定理2:基于領航-跟隨者策略的UAV編隊的通信拓撲T必須是其編隊通信圖G的一 棵生成樹(spanning化ee)，并且其根節(jié)點所表示的UAV必須能夠作為編隊領航者;反之亦 然。
[0084] 由于機械故障或外界干擾等原因，編隊飛行過程中某個或多個UAV可能會發(fā)生通 信故障，使得當前通信拓撲中的某些通信鏈接變得不可用，從而導致UAV不能繼續(xù)保持編隊 隊形，嚴重時甚至會導致UAV碰撞事故。因此，目前一般通過重構通信拓撲的方式(選擇某些 冗余通信鏈接來代替原有通信拓撲中那些不可用的通信鏈接)實現(xiàn)快速重構通信拓撲W避 免發(fā)生UAV碰撞事故并恢復編隊隊形。在快速重構通信拓撲之后，所有UAV都能確保安全了， 某些UAV可能離開了編隊（它們在一個不同的高度單獨跟隨預定的編隊參考航跡或者獨自 飛回所屬機場），剩余的UAV則繼續(xù)保持編隊隊形朝目標區(qū)域飛行，但是重構后的通信拓撲 對應的編隊通信代價不一定是最優(yōu)的，因此有必要通過UAV位置重構(交換UAV在編隊隊形 中的位置或者令某個UAV去填補另外一個離開編隊的UAV所留下的空位)來重優(yōu)化通信拓撲 W最小化編隊通信代價并繼續(xù)保持編隊隊形。
[0085] 因此，本發(fā)明實施例提出了一種分布式的基于最小樹形圖的通信故障下的通信拓 撲重優(yōu)化算法，此算法運行在編隊中每個剩余的UAV中。WUAVi為例，此算法的基本步驟如 表1所示。
[00化]表1
[0087]
[008引
[0089]
[0090] 此算法中的重構后的編隊通信圖拉=(￥,，6,，胖,少,)是根據(jù)通信故障的類型對原有 的編隊通信圖6=(￥，6，胖，口)進行修改得到的。除了現(xiàn)有技術中考慮的四種通信故障外，還 考慮另外兩種通信故障：廣播發(fā)射機故障（broadcast hansmitter failure)和廣播接收 機故障（broadcast receiver failure)。所有六種通信故障類型如表2所示。
[0091] 表2
[0092]
[0093]
[0094] 針對此六種通信故障，為了確保所有UAV及時地獲得一致的通信故障信息，假設所 有UAV具有同樣的如下所述的通信故障診斷策略：
[0095] (1)當UAVi發(fā)生單播發(fā)射機故障、單播接收機故障、單播收發(fā)機故障或者廣播接收 機故障中的任何一種通信故障時，UAVi自身能夠檢測到此故障，UAVi將記錄下此故障發(fā)生時 的時間戳并通過BC將此故障和相應的時間戳信息通知其他UAV。
[0096] (2)當UAV潑生廣播發(fā)射機故障時，UAVi自身能夠檢測到此故障但不能通過BC通知 其他UAV，Tactive秒之后，其他UAV由于不能收到UAVi上報的狀態(tài)將判定UAVi出現(xiàn)了廣播發(fā)射 機故障，并記錄下此故障發(fā)生時的時間戳。
[0097] (3)當6。出現(xiàn)鏈接中斷并且UAVi是UAVj的領航者，UAVj將不能接收到UAVi發(fā)送的位 置、速度和方向信息.Tattive秒之后，如果UAV迫身沒有發(fā)生單播接收機故障并且沒有通過 BC收到UAVi的單播發(fā)射機故障信息，UAVj將判定eij出現(xiàn)了鏈接中斷，然后UAVj將記錄此故障 的時間戳，然后通過BC此故障和相應的時間戳信息通知其他UAV。
[009引（4)如果一個UAV在Tactive秒之內接收到兩個及W上的通信故障信息，則只處理時 間戳最早的那個通信故障，而把剩余的通信故障留到下一個Tactive秒再去處理。運樣可W避 免UAV之間的決策出現(xiàn)沖突，從而使得所有UAV能夠得到一致的通信故障處理結果。
[0099] 基于上述的通信故障診斷策略，每個UAV能夠及時地獲得同樣的通信故障信息，然 后每個UAV根據(jù)通信故障的類型對原有的編隊通信圖G=(V，E，W，P)進行修改得到重構后的 編隊通信圖柏=(>,瓜，胖。口1〇，具體如下所示：
[0100] (1)如果UAVj發(fā)生單播發(fā)射機故障，則刪除Vj的所有出邊。
[0101] (2)如果UAVj發(fā)生單播接收機故障，則刪除vj的所有入邊。
[0102] (3)如果UAVj發(fā)生單播收發(fā)機故障或者廣播發(fā)射機故障或者廣播接收機故障，貝U 刪除V北勺所有入邊和出邊。
[0103] (4)如果從UAVj到UAVk的通信鏈接發(fā)生鏈接中斷，則刪除ejk。
[0104] 在此算法中的steps中，每種可行的UAV位置配置Pn-定是一個從|V|個元素中取 出|Vr|個元素的排列，其中的IVI個元素分別代表編隊隊形中的不同位置，即它們分別是1， 2，…，I V I。因此，所有可行的Pn的總數(shù)是
[01化]在此算法中的Step6中，在6。=(￥。，6。，胖。少。）中添加一個稱為虛擬領航者(￥^化曰1 Leader，VL)的特殊節(jié)點和其相應的具有特定權值的出邊，從而形成一個新的編隊通信圖 Gn' = (Vn'，En'，Wn'，Pn'），具體如下所示：
[0106] (l)Vn' = {v〇}UVn是圖Gn'的節(jié)點集合，其中VO是虛擬領航者化，其代表了預定編隊 參考航跡中的一個虛擬點。
[0107] (2化'n= {eok} U En，I Vn I是圖Gn'的邊集合，其中eok表示第k個無人機UAVk知 道預定編隊參考航跡，即UAVk是候選的編隊領航者。
[010引（3)胖。' ={巧(6010叫胖。，601^即'。是圖6。'的每條邊的權值集合，其中乂0的所有出邊 都具有同樣的權值
，即w(eok)比原有的編隊通信圖Gn中 的所有邊的權值之和還要大1。
[0109] (4)Pn' = Pn = {Pi}，1《i《η是每個UAV在編隊隊形S的具體位置集合，簡稱為UAV位 置配置(UAV position configuration)，其中Pi表示UAVi在S中的具體位置(特別地，Pi = 0 表示UAV尼經(jīng)離開編隊）。
[0110] 基于Gn'的定義，可W得出如下結論。
[011。 定理3:如果新的編隊通信圖Gn'的最小樹形圖An'存在并且An'中V0只有一條出邊， 則在原有的編隊通信圖Gn基礎上的編隊的最優(yōu)通信拓撲An存在，并且它是An'中刪除V0和V0 的出邊之后的結果。
[0112] 在此算法的Step9中，UAV位置重構所需要的某個UAV的交換距離是該UAV在編隊隊 形中的原有位置和新位置之間的歐式距離。
[0113] 執(zhí)行此算法后，所有剩余的UAV將切換到重優(yōu)化后的通信拓撲并繼續(xù)保持編隊隊 形。該算法的核屯、步驟是St ep7，其中使用了 Gabow等人提出的Edmonds算法的更快實現(xiàn)。另 夕h從此算法的Step4中可W看出，St邱7最多會被循環(huán)調用
次。因此，此算法 的計算復雜度是
，其中|6/|《|6| + |￥|并且 Vr ' I《I V I +1。雖然此算法的計算復雜度較高，但因為所有UAV通過通信拓撲重構之后都確 保安全了，因此剩余的UAV可W利用自身飛行過程中的空閑時間來執(zhí)行此算法，并且只有當 所有剩余UAV都完成了此算法之后才進行UAV位置重構。
[0114] 和現(xiàn)有的通信故障下的通信拓撲重優(yōu)化算法相比，此算法具有如下優(yōu)點：
[0115] (1)具有更強的理論基礎，可W確保通過UAV位置重構一定能得到最優(yōu)的通信拓 撲。
[0116] (2)此算法更加靈活，能夠適用于任意的編隊隊形。
[0117] 下面通過舉例進行說明：
[0118] 假設5架UAV保持一個如圖2所示的模形隊形進行飛行，其中的所有位置分別編號 為{1，2,3,4,5}，它們都在同一個高度上，它們之間的距離在圖2中標識了出來。此外，只有 UAVi、UAV2和UAV4可W作為編隊領航者。
[0119] 圖3為無通信故障情況下的初始最優(yōu)的通信拓撲。其中UAVi作為編隊領航者，UAV2 跟隨UAVi飛行，UAV3跟隨UAV2飛行，UAV4跟隨UAV2飛行，UAVs跟隨UAV3飛行，編隊的通信代價 為 2271。
[0120] 圖4為UAV3發(fā)生單播收發(fā)機故障后，重構后的通信拓撲。其中UAV3已經(jīng)離開編隊， UAVi作為編隊領航者，UAV2跟隨UAVi飛行，UAV4跟隨UAV2飛行，UAVs跟隨UAV2飛行，編隊的通 信代價為2156。
[0121] 圖5為本方法得到的重優(yōu)化后的通信拓撲。其中，UAVi占據(jù)了 UAV3離開編隊后留下 的空位，UAVi作為編隊領航者，UAV2跟隨UAVi飛行，UAV4跟隨UAV2飛行，UAVs跟隨UAVi飛行，編 隊的通信代價為1600。
[0122] 圖6為現(xiàn)有方法得到的重優(yōu)化后的通信拓撲。其中，UAVs占據(jù)了 UAV3離開編隊后留 下的空位，UAVi作為編隊領航者，UAV2跟隨UAVi飛行，UAV4跟隨UAV2飛行，UAVs跟隨UAV2飛行， 編隊的通信代價為1771，比本方法得到的通信代價要高。
[0123] 圖7示出了本發(fā)明實施例提供的一種基于最小樹形圖的無人機編隊通信拓撲重優(yōu) 化系統(tǒng)的結構示意圖，用于在編隊中的無人機出現(xiàn)通信故障后，對重構后的無人機編隊通 信拓撲的優(yōu)化，如圖7所示，該系統(tǒng)包括：
[0124] 計算模塊71，用于計算重構后的無人機編隊通信拓撲的第一通信代價；
[0125] 比較模塊72,用于將所述第一通信代價與預設狀態(tài)下的編隊通信圖的最小樹形圖 的目標通信代價進行比較；
[0126] 優(yōu)化模塊73,用于在所述第一通信代價大于預設狀態(tài)下的編隊通信圖的最小樹形 圖的目標通信代價時，通過預設策略優(yōu)化所述重構后的無人機編隊通信拓撲。
[0127] 在本實施例的一個優(yōu)選的實施方式中，所述優(yōu)化模塊，用于：
[0128] 對編隊通信圖中無人機的位置進行多次交換，獲取多次交換位置后的編隊通信圖 的最小樹形圖的第二通信代價；
[0129] 將所述第二通信代價對應的編隊通信拓撲作為重優(yōu)化后的無人機編隊通信拓撲；
[0130] 其中，所述第二通信代價為多次交換位置后的編隊通信圖的最小樹形圖的最小通 信代價。
[0131] 在本實施例的一個優(yōu)選的實施方式中，所述優(yōu)化模塊，具體用于：
[0132] 將所述第一通信代價作為所述第二通信代價的初始值；
[0133] 對所述編隊通信圖中無人機的位置進行第一次交換，獲取第Ξ通信代價；
[0134] 若所述第Ξ通信代價小于所述第二通信代價的初始值，則將所述第Ξ通信代價作 為所述第二通信代價的優(yōu)化值；
[0135] 對第一次交換后的編隊通信圖中無人機的位置進行第二次交換，獲取第四通信代 價；
[0136] 若所述第四通信代價小于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則將所述第四通信代價作 為所述第二通信代價的優(yōu)化值；
[0137] 對第二次交換后的編隊通信圖中無人機的位置進行第N次變換，獲取第五通信代 價；
[0138] 若所述第五通信代價小于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則將所述第五通信代價作 為所述第二通信代價的優(yōu)化值。
[0139] 在本實施例的一個優(yōu)選的實施方式中，所述優(yōu)化模塊，具體用于：
[0140] 若所述第五通信代價等于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則比較所述第五通信代價 對應的無人機編隊通信拓撲與所述第二通信代價的優(yōu)化值對應的無人機編隊通信拓撲分 別相對于所述重構后的無人機編隊拓撲的無人機的位置的交換次數(shù)W及交換距離；
[0141] 若所述第五通信代價對應的無人機編隊通信拓撲的無人機的位置的交換次數(shù)和 交換距離更小，則將所述第五通信代價作為所述第二通信代價的優(yōu)化值。
[0142] 在本實施例的一個優(yōu)選的實施方式中，所述預設狀態(tài)下的編隊通信圖為:編隊通 信圖中的無人機均可作為編隊領航者且所有無人機之間相互通信正常。
[0143] 需要說明的是，上述系統(tǒng)與上述方法是一一對應的關系，上述方法的實施細節(jié)同 樣適用于上述系統(tǒng)，本實施例不再對上述系統(tǒng)進行詳細說明。
[0144] 本發(fā)明的說明書中，說明了大量具體細節(jié)。然而，能夠理解，本發(fā)明的實施例可W 在沒有運些具體細節(jié)的情況下實踐。在一些實例中，并未詳細示出公知的方法、結構和技 術，W便不模糊對本說明書的理解。
[0145] 類似地，應當理解，為了精簡本發(fā)明公開并幫助理解各個發(fā)明方面中的一個或多 個，在上面對本發(fā)明的示例性實施例的描述中，本發(fā)明的各個特征有時被一起分組到單個 實施例、圖、或者對其的描述中。然而，并不應將該公開的方法解釋呈反映如下意圖：即所要 求保護的本發(fā)明要求比在每個權利要求中所明確記載的特征更多的特征。更確切地說，如 下面的權利要求書所反映的那樣，發(fā)明方面在于少于前面公開的單個實施例的所有特征。 因此，遵循【具體實施方式】的權利要求書由此明確地并入該【具體實施方式】，其中每個權利要 求本身都作為本發(fā)明的單獨實施例。
[0146] 本領域技術人員可W理解，可W對實施例中的設備中的模塊進行自適應性地改變 并且把它們設置在于該實施例不同的一個或多個設備中?？蒞把實施例中的模塊或單元或 組件組合成一個模塊或單元或組件，W及此外可W把它們分成多個子模塊或子單元或子組 件。除了運樣的特征和/或過程或者單元中的至少一些是互相排斥之處，可W采用任何組合 對本說明書(包括伴隨的權利要求、摘要和附圖）中公開的所有特征W及如此公開的任何方 法或者設備的所有過程或單元進行組合。除非另外明確陳述，本說明書(包括伴隨的權利要 求、摘要和附圖）中公開的每個特征可W由提供相同、等同或相似目的的替代特征來代替。
[0147] 此外，本領域的技術人員能夠理解，盡管在此所述的一些實施例包括其它實施例 中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同實施例的特征的組合意味著處于本發(fā)明的 范圍之內并且形成不同的實施例。例如，在下面的權利要求書中，所要求保護的實施例的任 意之一都可任意的組合方式來使用。
[0148] 本發(fā)明的各個部件實施例可硬件實現(xiàn)，或者W在一個或者多個處理器上運行 的軟件模塊實現(xiàn)，或者W它們的組合實現(xiàn)。本領域的技術人員應當理解，可W在實踐中使用 微處理器或者數(shù)字信號處理器(DSP)來實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明實施例的一種瀏覽器終端的設備中 的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本發(fā)明還可W實現(xiàn)為用于執(zhí)行運里所描述的方 法的一部分或者全部的設備或者裝置程序(例如，計算機程序和計算機程序產(chǎn)品）。運樣的 實現(xiàn)本發(fā)明的程序可W存儲在計算機可讀介質上，或者可W具有一個或者多個信號的形 式。運樣的信號可W從因特網(wǎng)網(wǎng)站上下載得到，或者在載體信號上提供，或者W任何其他形 式提供。
[0149] 應該注意的是上述實施例對本發(fā)明進行說明而不是對本發(fā)明進行限制，并且本領 域技術人員在不脫離所附權利要求的范圍的情況下可設計出替換實施例。在權利要求中， 不應將位于括號之間的任何參考符號構造成對權利要求的限制。單詞"包含"不排除存在未 列在權利要求中的元件或步驟。位于元件之前的單詞"一"或"一個"不排除存在多個運樣的 元件。本發(fā)明可W借助于包括有若干不同元件的硬件W及借助于適當編程的計算機來實 現(xiàn)。在列舉了若干裝置的單元權利要求中，運些裝置中的若干個可W是通過同一個硬件項 來具體體現(xiàn)。單詞第一、第二、W及第Ξ等的使用不表示任何順序。可將運些單詞解釋為名 稱。
[0150] 最后應說明的是：W上各實施例僅用W說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制;盡 管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依 然可W對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進 行等同替換；而運些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術 方案的范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求和說明書的范圍當中。
【主權項】
1. 一種基于最小樹形圖的無人機編隊通信拓撲重優(yōu)化方法，用于在編隊中的無人機出 現(xiàn)通信故障后，對重構后的無人機編隊通信拓撲的優(yōu)化，其特征在于，包括： 計算重構后的無人機編隊通信拓撲的第一通信代價； 將所述第一通信代價與預設狀態(tài)下的編隊通信圖的最小樹形圖的目標通信代價進行 比較； 在所述第一通信代價大于預設狀態(tài)下的編隊通信圖的最小樹形圖的目標通信代價時， 通過預設策略優(yōu)化所述重構后的無人機編隊通信拓撲。2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，通過預設策略優(yōu)化所述重構后的無人機編 隊通信拓撲，包括： 對編隊通信圖中無人機的位置進行多次交換，獲取多次交換位置后的編隊通信圖的最 小樹形圖的第二通信代價； 將所述第二通信代價對應的編隊通信拓撲作為重優(yōu)化后的無人機編隊通信拓撲； 其中，所述第二通信代價為多次交換位置后的編隊通信圖的最小樹形圖的最小通信代 價。3. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述對編隊通信圖中無人機的位置進行多 次交換，獲取多次交換位置后的編隊通信圖的最小樹形圖的第二通信代價，包括： 將所述第一通信代價作為所述第二通信代價的初始值； 對所述編隊通信圖中無人機的位置進行第一次交換，獲取第三通信代價； 若所述第三通信代價小于所述第二通信代價的初始值，則將所述第三通信代價作為所 述第二通信代價的優(yōu)化值； 對第一次交換后的編隊通信圖中無人機的位置進行第二次交換，獲取第四通信代價； 若所述第四通信代價小于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則將所述第四通信代價作為所 述第二通信代價的優(yōu)化值； 對第二次交換后的編隊通信圖中無人機的位置進行第N次變換，獲取第五通信代價； 若所述第五通信代價小于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則將所述第五通信代價作為所 述第二通信代價的優(yōu)化值。4. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述對編隊通信圖中無人機的位置進行多 次交換，獲取多次交換位置后的編隊通信圖的最小樹形圖的第二通信代價，包括： 若所述第五通信代價等于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則比較所述第五通信代價對應 的無人機編隊通信拓撲與所述第二通信代價的優(yōu)化值對應的無人機編隊通信拓撲分別相 對于所述重構后的無人機編隊拓撲的無人機的位置的交換次數(shù)以及交換距離； 若所述第五通信代價對應的無人機編隊通信拓撲的無人機的位置的交換次數(shù)和交換 距離更小，則將所述第五通信代價作為所述第二通信代價的優(yōu)化值。5. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述預設狀態(tài)下的編隊通信圖為：編隊通 信圖中的無人機均為候選的編隊領航者且所有無人機之間相互通信正常。6. -種基于最小樹形圖的無人機編隊通信拓撲重優(yōu)化系統(tǒng)，用于在編隊中的無人機出 現(xiàn)通信故障后，對重構后的無人機編隊通信拓撲的優(yōu)化，其特征在于，包括： 計算模塊，用于計算重構后的無人機編隊通信拓撲的第一通信代價； 比較模塊，用于將所述第一通信代價與預設狀態(tài)下的編隊通信圖的最小樹形圖的目標 通信代價進行比較； 優(yōu)化模塊，用于在所述第一通信代價大于預設狀態(tài)下的編隊通信圖的最小樹形圖的目 標通信代價時，通過預設策略優(yōu)化所述重構后的無人機編隊通信拓撲。7. 根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述優(yōu)化模塊，用于： 對編隊通信圖中無人機的位置進行多次交換，獲取多次交換位置后的編隊通信圖的最 小樹形圖的第二通信代價； 將所述第二通信代價對應的編隊通信拓撲作為重優(yōu)化后的無人機編隊通信拓撲； 其中，所述第二通信代價為多次交換位置后的編隊通信圖的最小樹形圖的最小通信代 價。8. 根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述優(yōu)化模塊，具體用于： 將所述第一通信代價作為所述第二通信代價的初始值； 對所述編隊通信圖中無人機的位置進行第一次交換，獲取第三通信代價； 若所述第三通信代價小于所述第二通信代價的初始值，則將所述第三通信代價作為所 述第二通信代價的優(yōu)化值； 對第一次交換后的編隊通信圖中無人機的位置進行第二次交換，獲取第四通信代價； 若所述第四通信代價小于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則將所述第四通信代價作為所 述第二通信代價的優(yōu)化值； 對第二次交換后的編隊通信圖中無人機的位置進行第N次變換，獲取第五通信代價； 若所述第五通信代價小于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則將所述第五通信代價作為所 述第二通信代價的優(yōu)化值。9. 根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述優(yōu)化模塊，具體用于： 若所述第五通信代價等于所述第二通信代價的優(yōu)化值，則比較所述第五通信代價對應 的無人機編隊通信拓撲與所述第二通信代價的優(yōu)化值對應的無人機編隊通信拓撲分別相 對于所述重構后的無人機編隊拓撲的無人機的位置的交換次數(shù)以及交換距離； 若所述第五通信代價對應的無人機編隊通信拓撲的無人機的位置的交換次數(shù)和交換 距離更小，則將所述第五通信代價作為所述第二通信代價的優(yōu)化值。10. 根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預設狀態(tài)下的編隊通信圖為:編隊通 信圖中的無人機均為候選的編隊領航者且所有無人機之間相互通信正常。
【文檔編號】H04W40/24GK105873171SQ201610383787
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】羅賀, 王國強, 胡笑旋, 馬華偉, 靳鵬, 夏維
【申請人】合肥工業(yè)大學