無人機群的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與協(xié)同工作機制研究

姚遠(yuǎn)

摘 要 近年來無人機研究熱度深度不斷增加，無人機群應(yīng)用范圍越來越廣，引起行業(yè)的大量重視。文章對現(xiàn)有無人機群網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無人機協(xié)同工作機制展開研究，分析技術(shù)特點及其關(guān)鍵技術(shù)，為日后對無人機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和協(xié)同工作機制的進一步深入研究打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 無人機；自組織網(wǎng)絡(luò)；無線移動網(wǎng)絡(luò)；工作機制

中圖分類號 TP3 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）231-0135-02

無人機用途廣泛，十分靈活，成本較低，在各領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)注與發(fā)展。而無人機群，即多無人機系統(tǒng)，相比單個無人機具有更強的擴展性，更好的生存能力，彌補了目前無人機智能化水平尚顯不足的弱勢，能在更加惡劣的條件下出色地完成任務(wù)。無人機任務(wù)復(fù)雜，動態(tài)環(huán)境的工作特性使其對網(wǎng)絡(luò)通信有很高要求，而無人機群中，高效、順應(yīng)需求的多無人機協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)與高智能自主化集群編隊則顯得更為重要。本文從當(dāng)前無人機群網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)狀出發(fā)，基于當(dāng)前成熟的通信技術(shù)，對無人機的協(xié)同工作機制進行深入研究探討，并結(jié)合實際應(yīng)用對無人機群協(xié)同工作的關(guān)鍵技術(shù)展開分析與總結(jié)。

1 無人機群網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式

1.1 無人機移動自組織網(wǎng)絡(luò)

1.1.1 無人機移動自組網(wǎng)

即無人機網(wǎng)絡(luò)，多無人機間的通信不完全依賴于基礎(chǔ)通信設(shè)施（如衛(wèi)星通信、地面控制站），而是以無人機作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，各節(jié)點能夠相互轉(zhuǎn)發(fā)控制指令、交換感知態(tài)勢、機體狀況和各類情報等數(shù)據(jù)，自動連接建立一個動態(tài)自組織無線移動網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點兼有路由器和收發(fā)器功能，以多跳的方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至更遠(yuǎn)的節(jié)點。

1.1.2 移動自組網(wǎng)技術(shù)特點

1）動態(tài)變化的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。無人機節(jié)點高速移動可達(dá)620km/h，造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母邉討B(tài)變化，從而影響網(wǎng)絡(luò)的連通性及協(xié)議性能。此外，無人機通信鏈路的不穩(wěn)定性，通信失效也會造成鏈路中斷和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母隆?/p>

2）網(wǎng)絡(luò)的不確定性和節(jié)點的差異性。一定空域內(nèi)，無人機節(jié)點的散布密度較低，飛行存在不確定性，因而網(wǎng)絡(luò)有較強的臨時性。針對不同任務(wù)，無人機群中還可能存在各種類型的無人機節(jié)點，節(jié)點間存在差異性；有時節(jié)點采用分層的分布結(jié)構(gòu)，無人機網(wǎng)絡(luò)還需與地面、衛(wèi)星等通信平臺進行通信連接，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也存在很大差異。

3）高智能化網(wǎng)絡(luò)與強抗毀能力?；谝陨蟽蓚€特點，無人機節(jié)點一般要求有較好的通信和計算能力。而無人機網(wǎng)絡(luò)在無預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的情況下也可快速展開實現(xiàn)自動組網(wǎng)。自動組網(wǎng)必須借助高效的路由協(xié)議實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)變化的及時感知，且各個節(jié)點具備網(wǎng)絡(luò)參數(shù)自動配置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣又貥?gòu)，確保自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈的高效連通，體現(xiàn)出很好的適應(yīng)性和抗毀能力。網(wǎng)絡(luò)的智能化還表現(xiàn)在各節(jié)點可以通過網(wǎng)絡(luò)共享數(shù)據(jù)，處理信息并作出決策。

4）功能眾多，對網(wǎng)絡(luò)要求獨特。無人機自組網(wǎng)使各無人機間分工明確，優(yōu)勢互補，增強了整體能力和應(yīng)用范圍。某些在網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)任中心節(jié)點，收集數(shù)據(jù)的無人機需要對流量匯集的支持；而無人機節(jié)點在實際使用時可能需要實時傳輸圖像乃至音頻、視頻這類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大、高時延敏感性的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，對服務(wù)質(zhì)量QoS有較高要求。

1.2 無人機自組網(wǎng)工作機制

無人機移動自組網(wǎng)是動態(tài)變化的多跳拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，多跳即無人機節(jié)點需要通過范圍內(nèi)的其他節(jié)點傳數(shù)據(jù)給遠(yuǎn)處目標(biāo)節(jié)點。各無人機節(jié)點間的通信由無線信道完成，正如2.1所述的，高效的自組網(wǎng)路由協(xié)議是移動自組網(wǎng)實現(xiàn)的前提。MAC協(xié)議控制信道的分配，決定網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣，MAC協(xié)議通常又可以分為基于競爭性質(zhì)的MAC協(xié)議和基于調(diào)度性質(zhì)的MAC協(xié)議。而路由協(xié)議又可以分為基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議和基于位置的路由協(xié)議，前者又可進一步分為反應(yīng)式路由協(xié)議和先應(yīng)式路由協(xié)議，后者雖要求節(jié)點位置信息，但性能更有優(yōu)勢。由于無人機群網(wǎng)絡(luò)的特殊性，一般的路由協(xié)議并不能完全適用，經(jīng)常采用混合路由協(xié)議。此外，由于無線信道的開放性，容易受到威脅和攻擊，網(wǎng)絡(luò)安全問題對無人機群網(wǎng)絡(luò)也尤為重要，必須設(shè)計安全協(xié)議。常用方法有加密路由協(xié)議、設(shè)計認(rèn)證機制、控制系統(tǒng)訪問等。

存在問題分析：1）針對節(jié)點。每臺節(jié)點攜帶資源有限，較好的路由算法，重量較輕的通信設(shè)備與動力系統(tǒng)，更先進的能源供給方式如核能等均可以提高節(jié)點的續(xù)航。2）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。競爭類MAC協(xié)議存在數(shù)據(jù)碰撞的問題，影響網(wǎng)絡(luò)性能；而調(diào)度類MAC協(xié)議會造成信號時延，對無人機群來說難以忽視。路由協(xié)議方面，先應(yīng)式路由協(xié)議收斂速度較慢，即對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓磻?yīng)能力較差；反應(yīng)式路由協(xié)議同樣存在時延問題；而基于地理位置的路由協(xié)議也有其局限性。3）管理問題。管理問題分為網(wǎng)絡(luò)管理和安全管理，其中網(wǎng)絡(luò)管理問題的本質(zhì)是無人機群網(wǎng)絡(luò)需要更好的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以優(yōu)化性能；安全管理問題的本質(zhì)是如何實現(xiàn)MAC協(xié)議終端的隱藏與避免網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的防竊取與攻擊。

2 無人機群協(xié)同工作機制分析

2.1 無人機群自組織網(wǎng)絡(luò)機制

多無人機協(xié)同工作，最關(guān)鍵的仍是無人機群自組織機制。在小編隊的無人機群中，傳統(tǒng)的集中式自組織機制，即一架或多架無人機作為指揮機，承擔(dān)長機角色，其他無人機承擔(dān)僚機角色，執(zhí)行長機發(fā)布的命令完成相應(yīng)的任務(wù)。顯然，這樣的模式對長機有較高要求，若長機發(fā)生問題，將影響整個無人機群。分布式自組織機制則是每臺無人機都獨自承擔(dān)任務(wù)，對相同無人機構(gòu)成的集群較為適用，但同樣有較大的局限性。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及無人機智能化的提升，多無人機間的協(xié)同愈發(fā)呈現(xiàn)出智能化、綜合化的趨勢，但要實現(xiàn)協(xié)同工作，需要解決一些關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.2 無人機群協(xié)同工作關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 集群飛行技術(shù)

無人機集群技術(shù)起源于生物集群行為。例如，蜂群個體間有大量信息交互和明確分工。集群智能技術(shù)主要借鑒了生物學(xué)中的蜂群自組織行為模式算法。集群數(shù)學(xué)模型簡單概括即個體與鄰居同向移動，保持靠近但不碰撞。節(jié)點需具備障礙感知能力和決策能力規(guī)避碰撞，障礙感知可通過網(wǎng)絡(luò)共享坐標(biāo)位置，方向速度等數(shù)據(jù)實現(xiàn)，或在每個節(jié)點安裝傳感器實現(xiàn)完全自主感知。規(guī)避決策需融合多種數(shù)據(jù)，包括障礙物相對位置信息等。

2.2.2 無人機協(xié)同體系結(jié)構(gòu)

完善的多無人機協(xié)同架構(gòu)必不可少。其中典型的無人機協(xié)同體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1所示的典型無人機協(xié)同體系結(jié)構(gòu)主要包含最底層的物理層、中間連接的功能層和最高層的管理層。其中物理層主要由一些子系統(tǒng)組成，如底層控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)等組成，實現(xiàn)對周圍環(huán)境的感知和自身的控制與相互通信功能，是無人機系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。而功能層主要由安全導(dǎo)航、碰撞規(guī)避和航跡規(guī)劃等功能子塊構(gòu)成，實現(xiàn)對目標(biāo)的搜索、跟蹤等功能，是無人機技術(shù)的核心。管理層主要實現(xiàn)對功能層各子模塊的信息調(diào)度，實現(xiàn)系統(tǒng)的綜合管理功能，是無人機系統(tǒng)的頂層應(yīng)用。

2.2.3 無人機協(xié)同工作機制

無人機協(xié)同工作時，協(xié)同體系中的功能層對任務(wù)完成起重要作用，功能層內(nèi)有數(shù)個功能子模塊。子模塊接收并處理與任務(wù)相關(guān)的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，控制無人機，調(diào)用相關(guān)資源，或共享其他子模塊以完成相關(guān)性能目標(biāo)。功能層中的任務(wù)協(xié)調(diào)層是特殊的功能模塊，主要協(xié)同任務(wù)相關(guān)的功能子模塊，共享數(shù)據(jù)、飛行控制等現(xiàn)有資源。任務(wù)協(xié)調(diào)層協(xié)同其他功能模塊，保證指定系統(tǒng)性能傳達(dá)至相應(yīng)位置，作出控制決策。不同功能模塊在任務(wù)協(xié)調(diào)層下合作，利用其他功能模塊數(shù)據(jù)作為自己模塊狀態(tài)量，輸出包括其他功能目標(biāo)的狀態(tài)。例如，安全導(dǎo)航和碰撞規(guī)避，乃至搜索功能模塊，均可利用同樣的傳感系統(tǒng)作為物理層，共享數(shù)據(jù)并按照各自任務(wù)目標(biāo)規(guī)劃無人機航跡路線。功能層內(nèi)所有任務(wù)目標(biāo)依照其重要性區(qū)分，各功能模塊成網(wǎng)狀互聯(lián)，從而實現(xiàn)無人機任務(wù)的規(guī)劃。

得益于協(xié)同體系中不同模塊的配合，無人機群功能更為強大。當(dāng)某一無人機無法工作時，這一情報將通過自組網(wǎng)共享，系統(tǒng)重新分配任務(wù)，確保任務(wù)完成。此外，當(dāng)某無人機喪失完成任務(wù)的條件，比如資源耗盡，但仍具備完成任務(wù)的能力，通過協(xié)同體系它可以指導(dǎo)就近無人機完成任務(wù)。例如戰(zhàn)場上無人機已經(jīng)鎖定目標(biāo)而無彈藥，無人機可共享目標(biāo)信息，自身雷達(dá)等數(shù)據(jù)指導(dǎo)其他無人機完成任務(wù)。

3 結(jié)論

無人機群網(wǎng)絡(luò)作為不完全依賴于基礎(chǔ)通信設(shè)施的移動自組織網(wǎng)絡(luò)，具有靈活多變、智能化的技術(shù)特點和優(yōu)勢，也限于技術(shù)現(xiàn)狀而存在數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)安全管理等問題，對節(jié)點也有一定要求?；诂F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無人機協(xié)同工作機制，協(xié)同體系的構(gòu)建與其工作目標(biāo)息息相關(guān)，協(xié)同工作令無人機群更具優(yōu)勢。隨著技術(shù)日益成熟，無人機群性能提高，通信網(wǎng)絡(luò)靈活、協(xié)同分工明確的無人機群在火災(zāi)救治、環(huán)境維護等方面大放光彩。相信如5G網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)在無人機群中的應(yīng)用可使無人機群的綜合強度和泛用程度進一步增長。

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