無人機(jī)協(xié)同通信技術(shù)研究

馬鈺淇 黃業(yè)琪 郭樹冠

摘 要：隨著蜂群和編組等概念的提出，無人機(jī)的研究領(lǐng)域已經(jīng)延伸擴(kuò)展到協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的方向。從單機(jī)到多機(jī)使得多無人機(jī)系統(tǒng)的研究難度直線上升。目前，對多無人機(jī)的研究還不太成熟，主要研究方向分為多機(jī)之間的防碰撞、無人機(jī)躲避障礙物、系統(tǒng)通信方式和通信能量的消耗情況。目前無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間嚴(yán)重限制了整體系統(tǒng)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的效率，除了力求在電池能源研究上實(shí)現(xiàn)突破外，對無人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能耗的研究也迫在眉睫。本文主要針對市場上的民用小型無人機(jī)進(jìn)行研究，對實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸能耗優(yōu)化，尋找最優(yōu)的無人機(jī)中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，使整個(gè)多無人機(jī)系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)能量消耗代價(jià)最小，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；安全；對策

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（項(xiàng)目號編：201810065010）

1 引言

多無人機(jī)協(xié)同通信的方式大到整個(gè)無人機(jī)通信框架體系，小到無人機(jī)的通信鏈路協(xié)議，都是完成一次完整通信不可缺少的前提。為方便了解和深入研究多無人機(jī)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的方式方法，本章首先介紹了多無人機(jī)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的兩種體系：集中式和分布式。其次，通信協(xié)議是正確建立數(shù)據(jù)鏈路的前提，列出了目前在小型無人機(jī)機(jī)型上最常用的通信協(xié)議。最后，描述了兩種信息傳輸能耗算法。本章主要列舉了無人機(jī)協(xié)同通信的基本知識，同時(shí)作為后續(xù)研究的前提。

2 多無人機(jī)協(xié)同任務(wù)體系

由于無人機(jī)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境是動態(tài)和復(fù)雜的，并非固定不變和容易掌握的。面對特定的任務(wù)場景或戰(zhàn)爭場景，要根據(jù)完成任務(wù)的需求，不僅需要嚴(yán)格選擇功能匹配且自主能力較強(qiáng)的無人機(jī)，而且無人機(jī)協(xié)同任務(wù)體系也應(yīng)該根據(jù)不同的任務(wù)環(huán)境而區(qū)別對待，設(shè)計(jì)和運(yùn)用最適合的協(xié)同任務(wù)控制體系。無人機(jī)協(xié)同任務(wù)體系的選取對無人機(jī)完成任務(wù)的效率和質(zhì)量密切相關(guān)。無人機(jī)協(xié)同任務(wù)體系的選取考慮以下幾個(gè)因素：任務(wù)分配的合理性、任務(wù)完成的準(zhǔn)確性、任務(wù)接收的實(shí)時(shí)性、任務(wù)分配的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算復(fù)雜度、執(zhí)行任務(wù)的抗干擾能力等。

目前多無人機(jī)協(xié)同任務(wù)控制體系主要有兩種：集中式控制體系和分布式控制體系。二者各自適合于不同的場景需求，特點(diǎn)鮮明，在一些特性比如實(shí)時(shí)性、可靠性、動態(tài)性、魯棒性、全局優(yōu)化程度、安全性以及容錯(cuò)性等方面上截然不同。因此需要根據(jù)具體的戰(zhàn)場環(huán)境和任務(wù)場景要求進(jìn)行選擇與設(shè)計(jì)。

2.1 集中式控制體系

集中式控制體系最大特點(diǎn)是存在一個(gè)控制中心，能夠?qū)φ麄€(gè)體系中所有執(zhí)行任務(wù)的無人機(jī)進(jìn)行控制。控制中心可以是地面指控站、?；脚_等，也可以是某一架有人或功能更完善的無人機(jī)。控制中心是整個(gè)系統(tǒng)的指揮控制中樞，起著任務(wù)決策與控制無人機(jī)群的作用。

在集中式控制系統(tǒng)中，無人機(jī)本身不具備決策能力，無人機(jī)的執(zhí)行任務(wù)指令和具體的飛行航路是由地面控制站或人為制定的，無人機(jī)完全按照接收的指令執(zhí)行航路規(guī)劃任務(wù)。體系中執(zhí)行任務(wù)的所有無人機(jī)將它們探測到的信息和自己的狀態(tài)發(fā)回到控制中心。

通過控制中心嚴(yán)格的處理、分析數(shù)據(jù)之后，將最終的規(guī)劃與控制決策結(jié)果發(fā)送給各個(gè)無人機(jī)，從而將任務(wù)指派給無人機(jī)執(zhí)行。因此無人機(jī)只需要具備任務(wù)執(zhí)行能力即可。圖 2.1為無人機(jī)集中式控制體系示意圖。

圖 2.1 集中式控制體系圖

集中式控制體系的控制中心可以掌控全局，通過對所有接收到的數(shù)據(jù)資源整合、處理、優(yōu)化之后，將結(jié)果下發(fā)至各無人機(jī)設(shè)備?？刂茖用娴募谢兄诠芾砗团渲镁W(wǎng)絡(luò)布局，合理的調(diào)動網(wǎng)絡(luò)資源，優(yōu)化分配任務(wù)，提高網(wǎng)絡(luò)的有效利用率。因其全局特性容易獲得全局最優(yōu)解，具有較好的適用性，較多的應(yīng)用于簡單網(wǎng)絡(luò)中。

但是集中式控制中心在處理無人機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃過程中也存在很多問題。主要有以下幾點(diǎn)：

（1） 計(jì)算量大，復(fù)雜度高。

集中式控制體系，地面控制中心收集到所有的無人機(jī)信息都集中在任務(wù)控制站中。數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析復(fù)雜度高，總結(jié)數(shù)量大，導(dǎo)致任務(wù)分配時(shí)間過長。如果無人機(jī)群數(shù)量龐大，或有多類型多任務(wù)的無人機(jī)編隊(duì)，或涉及大量復(fù)雜強(qiáng)耦合任務(wù)的分配問題時(shí)，更凸顯了這個(gè)問題的嚴(yán)重性。

（2） 安全性和穩(wěn)定性差。

通常，集中式控制體系的地面控制站只有一個(gè)，如果在具體任務(wù)執(zhí)行過程中，地面控制中心受到敵機(jī)的攻擊而破壞甚至毀滅，或者由于數(shù)據(jù)量過大而造成處理器癱瘓，或者敵方通過對控制中心的入侵而控制整個(gè)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將被直接摧毀，造成的損失是巨大的。

（3） 實(shí)時(shí)性差。

集中式中的無人機(jī)群本身不具備決策能力，所以地面控制中心要根據(jù)返回的無人機(jī)狀態(tài)信息和整體的環(huán)境信息向無人機(jī)分配任務(wù)。無人機(jī)編隊(duì)與地面控制站保持著緊密聯(lián)系，如果返回控制中心的有效數(shù)據(jù)量較大，則需要花費(fèi)一定的時(shí)間處理數(shù)據(jù)。當(dāng)把處理結(jié)果和分配任務(wù)返回到無人機(jī)時(shí)，環(huán)境可能已經(jīng)發(fā)生變換。無人機(jī)收到的任務(wù)指示對當(dāng)前的環(huán)境的處理未必準(zhǔn)確，由此導(dǎo)致決策錯(cuò)誤。

2.2 分布式控制體系

分布式控制體系與集中式最大的不同是體系中不存在控制中心。系統(tǒng)成員之間是平等的，是具有獨(dú)自決策能力、很強(qiáng)的協(xié)同能力和自治性的智能體。整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)則構(gòu)成一個(gè)多智能體系統(tǒng)，它們采用自治協(xié)商的方式共同完成全局任務(wù)。分布式控制體系如同人類社會的合作方式與分工模式，各節(jié)點(diǎn)間分工明確，所有節(jié)點(diǎn)都為一個(gè)共同目標(biāo)而努力。無人機(jī)之間以數(shù)據(jù)鏈技術(shù)為支撐，對無人機(jī)狀態(tài)信息、無人機(jī)環(huán)境信息、任務(wù)目標(biāo)信息綜合進(jìn)行交互，將復(fù)雜的任務(wù)問題分解成各個(gè)成員能協(xié)商解決的子問題，如果系統(tǒng)中有成員的解決方案與問題達(dá)成一致，則問題解決。

分布式控制體系的優(yōu)缺點(diǎn)，正好與集中式的優(yōu)缺點(diǎn)相反。分布式控制體系設(shè)計(jì)更加靈活多變。個(gè)體無人機(jī)在分布式控制方法下具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和抗干擾能力，魯棒性與容錯(cuò)性好、計(jì)算代價(jià)小、復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)。但是，多無人機(jī)在分布式協(xié)商過程容易陷入局部優(yōu)化而造成全局性不強(qiáng)，很大概率下只能獲得次優(yōu)解。所以，分布式控制體系比較適合處理實(shí)時(shí)性要求高、動態(tài)特性強(qiáng)的協(xié)同任務(wù)場景。分布式控制體系可分為兩種：完全分布式控制體系和部分分布式控制體系。

（1） 完全分布式控制體系

在完全分布式控制體系中，無人機(jī)編隊(duì)內(nèi)各無人機(jī)僅僅依靠相互之間的協(xié)同合作，不存在任何控制站。圖 2.2 為完全分布式控制體系示意圖。體系中每一架無人機(jī)既是數(shù)據(jù)發(fā)送端，也是數(shù)據(jù)接收端和處理端。在這種協(xié)同體系中，各無人機(jī)自主性很強(qiáng)，通過數(shù)據(jù)鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸和共享，不僅能夠?qū)⒆陨淼娜蝿?wù)集信息分析并決策，同時(shí)能與其它無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，協(xié)作完成所需執(zhí)行的任務(wù)。這種方式提高了任務(wù)決策和實(shí)施的實(shí)時(shí)性。但是，實(shí)時(shí)處理的共享數(shù)據(jù)量總是有限的，編隊(duì)內(nèi)無人機(jī)數(shù)量增加會嚴(yán)重影響實(shí)時(shí)處理的速度，降低網(wǎng)絡(luò)鏈路的性能。

（2） 部分分布式控制體系

比較集中式和分布式協(xié)同控制體系可知，分布式控制實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，但是容易陷入局部最優(yōu)解而不能得到局部最優(yōu)解。因此，結(jié)合集中式和完全分布式的優(yōu)點(diǎn)，一種更新型更合理的部分分布式協(xié)同控制體系應(yīng)用而生。該種控制體系一般包含了靜態(tài)地面控制站和動態(tài)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)，但又不同于集中式控制體系。

在部分分布式控制體系中，首先地面控制站給群組內(nèi)每架無人機(jī)都預(yù)設(shè)初始任務(wù)分配方案。當(dāng)無人機(jī)完成設(shè)定的初始任務(wù)后，群組中的單架無人機(jī)將發(fā)揮自主特性，重新對任務(wù)目標(biāo)信息采集和分析，完成與其它無人機(jī)信息的交互和共享。地面控制站只是在極少特定的時(shí)候?qū)o人機(jī)群組發(fā)送任務(wù)指令，多數(shù)還是由無人機(jī)自身協(xié)同分析和分配。部分分布式控制體系的設(shè)計(jì)既提高了實(shí)時(shí)性和安全性，又減小了地面控制站處理任務(wù)的數(shù)據(jù)量，得到合理可行的任務(wù)分配方案，具有極強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。部分分布式控制體系結(jié)構(gòu)如圖 2.3 所示。

圖 2.3 部分分布式控制體系圖

3 多無人機(jī)信息傳輸能耗算法

3.1 信息傳輸能耗平衡算法

傳統(tǒng)分簇算法找尋中繼點(diǎn)的思想是如果簇內(nèi)某些節(jié)點(diǎn)的能量高于該簇整體的平均能量，則這些節(jié)點(diǎn)將被當(dāng)作是該簇的候選中繼節(jié)點(diǎn)。然后，估計(jì)候選中繼節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值，選擇目標(biāo)函數(shù)值最大的節(jié)點(diǎn)作為簇首，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。分簇算法也用于多無人機(jī)的中繼節(jié)點(diǎn)選擇中。但是，這種選擇簇首的方式容易使得簇首處出現(xiàn)負(fù)載。針對這種不足，提出了合理選擇非固定簇首和能量感知的協(xié)同中繼算法，使整個(gè)無人機(jī)編隊(duì)的平均能量消耗最少。

由于無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸鏈路存在受到干擾影響的可能性，因此，數(shù)據(jù)傳輸前首先需要對鏈路的穩(wěn)定性進(jìn)行評估。在單鏈路中，如果無人機(jī)i向 j 發(fā)送Lbits 的信息，Q次傳輸后鏈路可靠性R i j（L）表示為

無人機(jī)i的發(fā)射功率是根據(jù)接收端的最小接收信號強(qiáng)度調(diào)節(jié)的。當(dāng)接收端接收到的信號功率

Prij大于最小信號接收功率Prmin時(shí)，無人機(jī) j 可以正常接收無人機(jī) i 傳輸?shù)男畔ⅰrij可表示為

其中，G ij是無人機(jī) i 和 j 之間的總天線增益，PiLj是無人機(jī) i 和j 之間的路徑衰落。在這種情況下，當(dāng)接收端接收到的信號功率Pirj小于或等于最小信號接收功率P rmin時(shí)，不滿足最小接收信號強(qiáng)度Prmin的限制條件。Pr i j可表示為

3.2 能耗參量的擁塞控制算法

無人機(jī)通信采用無線通信的方式，信道容量有限且信道中存在衰減和噪聲。隨著時(shí)間增加，信道中數(shù)據(jù)量加大，數(shù)據(jù)分組到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)時(shí)容易發(fā)生緩沖區(qū)不夠用的情況，產(chǎn)生擁塞從而導(dǎo)致吞吐率下降。因此，有必要在數(shù)據(jù)鏈路中加入擁塞檢測函數(shù) ρ 實(shí)時(shí)探測節(jié)點(diǎn)的擁塞情況：

設(shè)源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率為V0，且有 ，其中V min和V max分別代表源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的最小速率和最大速率。在源節(jié)點(diǎn)處，根據(jù)擁塞檢測函數(shù) ρ合理調(diào)整發(fā)送速率V 0。

由于 MAC 層可以獲取分組隊(duì)列長度，加入擁塞控制檢測函數(shù) ρ 后，就能夠合理準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)發(fā)送速率，提高網(wǎng)絡(luò)性能。目的節(jié)點(diǎn)接收功率P r可表示為：

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