無人機(jī)編隊(duì)信息傳輸能耗平衡協(xié)同設(shè)計(jì)與研究①

張義麗

(77228部隊(duì) 云南大理 100142)

根據(jù)無人機(jī)編隊(duì)自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，導(dǎo)致多無人機(jī)編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)時(shí)出現(xiàn)多無人機(jī)的信息傳輸能量消耗不均勻，直接影響多無人機(jī)編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)的質(zhì)量和效率。而根據(jù)現(xiàn)有的信息技術(shù)以及能耗平衡理論，本文提出了一種新的無人機(jī)編隊(duì)信息傳輸能耗平衡協(xié)同設(shè)計(jì)方法，通過采用新的能量消耗模型，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)編隊(duì)內(nèi)部的能量感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自身能量剩余情況的感知，展開無人機(jī)內(nèi)部之間的信息傳輸，通過鄰近的無人機(jī)中繼后將能量消耗情況傳輸給地面基站，通過協(xié)同中繼算法下，其能夠?qū)⒛芎慕档偷?/5左右，從而延長(zhǎng)無人機(jī)編隊(duì)的工作時(shí)效。

1 無人機(jī)編隊(duì)的信息傳輸能耗平衡協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 無人機(jī)編隊(duì)的信息傳輸能耗平衡協(xié)同設(shè)計(jì)問題提出的前提

圖1 通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

編隊(duì)中的無人機(jī)通過各自的自動(dòng)駕駛儀完成飛行動(dòng)作，但是編隊(duì)之間的無人機(jī)也要能夠協(xié)同其他無人機(jī)，實(shí)現(xiàn)彼此之間的信息傳遞、共享，保證飛行控制的一致性，使得整個(gè)編隊(duì)無人機(jī)的任務(wù)執(zhí)行更具智能性特點(diǎn)。當(dāng)然要想實(shí)現(xiàn)編隊(duì)的整體構(gòu)型以及彼此之間的相關(guān)信息，其前提條件在于掌握其他編隊(duì)成員的一些狀態(tài)信息，并且同地下的基地進(jìn)行信息傳輸，接受相關(guān)執(zhí)行，而無人機(jī)飛行器才會(huì)根據(jù)控制系統(tǒng)所發(fā)出的指令，做好細(xì)節(jié)調(diào)整，保證無人機(jī)編隊(duì)的一致性。但是在無人機(jī)編隊(duì)飛行過程中，由于每一個(gè)無人機(jī)都是獨(dú)立的飛行控制駕駛系統(tǒng)，且在執(zhí)行任務(wù)過程中，受到的外界干擾因素太多，使得無人機(jī)編隊(duì)之間的通信出現(xiàn)時(shí)滯性。對(duì)此研究無人機(jī)通信時(shí)滯性，提出新的算法解決該問題具有現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 無人機(jī)編隊(duì)的信息傳輸能耗平衡協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的現(xiàn)狀

上述提到了在無人機(jī)編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)中展開對(duì)信息傳輸能耗平衡協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)的重要前提。而這一問題也并不是至今才凸顯出來的，當(dāng)前已經(jīng)有較多的無人機(jī)飛行關(guān)鍵技術(shù)的研究學(xué)者和科研基地展開了該問題的探索。由此本文的研究是基于對(duì)無人機(jī)編隊(duì)的現(xiàn)有關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上所展開的。(1)關(guān)于一致性的無人機(jī)編隊(duì)飛行控制策略。無人機(jī)編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)的根本保障在于無人機(jī)能夠一直保持某種合理的隊(duì)形，如此才能夠真正地發(fā)揮無人機(jī)在偵查、監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的作用。同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)編隊(duì)的一致性控制也是無人機(jī)編隊(duì)展開編隊(duì)內(nèi)信息傳輸?shù)母颈Ｕ稀．?dāng)前關(guān)于無人機(jī)編隊(duì)的控制問題，國內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。從傳統(tǒng)提出的長(zhǎng)機(jī)-僚機(jī)法，通過設(shè)置僚機(jī)輔助無人長(zhǎng)機(jī)，確保能夠讓所有的無人機(jī)長(zhǎng)機(jī)都能夠?qū)崿F(xiàn)一致性。該方法原理簡(jiǎn)單，但是能耗較高，且逐漸往后誤差性會(huì)越來越大，之后影響無人機(jī)編隊(duì)中的整體信息共享的精準(zhǔn)度。既往還采用了虛擬結(jié)構(gòu)法，其能夠抑制長(zhǎng)機(jī)-僚機(jī)所帶來的干擾問題，但是需要進(jìn)行較高的計(jì)算能力，對(duì)于整個(gè)無人機(jī)編隊(duì)的動(dòng)作、任務(wù)進(jìn)行計(jì)算控制。這種編隊(duì)方式下導(dǎo)致編隊(duì)內(nèi)部的通信性不高。在這些研究基礎(chǔ)之上，有學(xué)者提出了基于一致性的編隊(duì)控制系統(tǒng)來確定無人機(jī)編隊(duì)內(nèi)部的各個(gè)成員的空間位置、信息共享等控制算法，通過協(xié)同變量的方式使得各無人機(jī)的目標(biāo)、狀態(tài)達(dá)到一致性?？梢哉f這一理論以及虛擬算法為無人機(jī)編隊(duì)中的信息傳輸能耗平衡協(xié)同設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。(2)對(duì)于無人機(jī)編隊(duì)通信時(shí)滯的控制策略研究。在確保無人機(jī)編隊(duì)基本飛行控制的一致性算法探索之后，如何加強(qiáng)無人機(jī)編隊(duì)內(nèi)部的信息共享性，提高無人機(jī)的智能化特點(diǎn)是無人機(jī)編隊(duì)中飛行控制中的又一大問題。同時(shí)無人機(jī)駁岸對(duì)中的通信時(shí)滯也制約著無人機(jī)編隊(duì)內(nèi)部信息傳輸能耗不平衡不協(xié)同情況的出現(xiàn)。當(dāng)前基于數(shù)學(xué)圖論的基礎(chǔ)上，基于多智能體一體化的理論，提出了一種具有抑制通信時(shí)滯的一致性控制算法。無人機(jī)編隊(duì)內(nèi)各個(gè)單機(jī)相互通信關(guān)系同數(shù)量關(guān)系具有一定的關(guān)聯(lián)性，其正是通過兩兩之間的關(guān)系來確定的兩者之間的關(guān)系性。具體通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在無人機(jī)編隊(duì)信息的一致性理論中，通過借助傳感器來感知外部環(huán)境信息，通過分布配置的大量自治子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)群集、蜂擁等協(xié)同控制方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈接，從而完成大規(guī)模的一致性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖2 傳輸模型

2 無人機(jī)編隊(duì)信息傳輸能耗平衡協(xié)同設(shè)計(jì)

無人機(jī)編隊(duì)的信息傳輸能耗平衡協(xié)同設(shè)計(jì)正是基于上述的基于一致性的編隊(duì)無人機(jī)飛行控制設(shè)計(jì)以及在消除通信時(shí)滯的無人機(jī)編隊(duì)控制算法的基礎(chǔ)上，展開無人機(jī)編隊(duì)內(nèi)部的信息傳輸，讓編隊(duì)內(nèi)的無人機(jī)能夠彼此感受到對(duì)方的能量消耗情況，并且基于協(xié)同中繼算法實(shí)現(xiàn)對(duì)能量?jī)?yōu)化分配，全面把握無人機(jī)編隊(duì)內(nèi)的各個(gè)無人機(jī)的平均能量消耗情況，最終達(dá)到平衡能耗，節(jié)約能量的目的。提高無人機(jī)編隊(duì)的工作效率。

現(xiàn)有的無人機(jī)編隊(duì)信息傳輸能耗平衡方式主要是基于分簇算法所展開的，其通過簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)計(jì)算出整個(gè)編隊(duì)簇內(nèi)的平均能量，當(dāng)有的無人機(jī)的能量消耗低于平均能量時(shí)，它就會(huì)被當(dāng)作是候選節(jié)點(diǎn)，通過目標(biāo)確定，將這一候選節(jié)點(diǎn)的能量情況進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)計(jì)算，得出最佳的簇首情況，繼而無人機(jī)將能量消耗信息傳輸給這一個(gè)簇首，實(shí)現(xiàn)編隊(duì)內(nèi)的能量消耗平衡。但是事實(shí)上，這種信息傳輸能耗平衡系統(tǒng)容易導(dǎo)致簇首處出現(xiàn)信息負(fù)載的情況，引發(fā)無人機(jī)編隊(duì)內(nèi)的整體系統(tǒng)重構(gòu)，帶來更嚴(yán)重的能量消耗和浪費(fèi)。因此實(shí)現(xiàn)分簇算法的無人機(jī)編隊(duì)此心傳輸能耗平衡設(shè)計(jì)逐漸的不在實(shí)踐中應(yīng)用。而協(xié)同中繼的思路正是在分簇算法結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的，其沒有固定的簇首限制，各編隊(duì)內(nèi)的無人機(jī)都能夠成為簇首，進(jìn)行信息能量的接收和感知，并且因時(shí)制宜選擇最佳的傳輸方式和能量節(jié)約方式，將這一信息傳遞給地下基站，而之后通過Gps信息傳輸方式來完成能量感知。具體傳輸模式如圖2所示。

3 無人機(jī)編隊(duì)信息傳輸能耗平衡協(xié)同設(shè)計(jì)的仿真

通過Matlab系統(tǒng)軟件對(duì)無人機(jī)編隊(duì)的信息傳輸方式進(jìn)行仿真，通過對(duì)比分簇算法結(jié)構(gòu)和協(xié)同中繼式傳輸方式用于信息傳輸?shù)哪芰肯那闆r。通過仿真數(shù)據(jù)可知，隨著地面基站接收到的無人機(jī)傳輸?shù)男畔⒋螖?shù)越來也多，協(xié)同中繼式算法比原有的分簇算法結(jié)構(gòu)更緩慢的消耗完總能量。這主要是因?yàn)閰f(xié)同中繼算法式下的無人機(jī)信息傳輸能夠自主的選擇信息傳輸?shù)姆绞?，其能夠?yōu)先選擇一種能耗最小的方式。而不是像分簇算法一樣，一定要把信息先傳輸給簇首，將簇首當(dāng)作是“傳話人”，簇首能量的無限制消耗，直接帶動(dòng)整個(gè)無人機(jī)編隊(duì)信息傳輸能耗較大。

4 結(jié)語

綜上所述，未來社會(huì)正朝著網(wǎng)絡(luò)化、信息化、機(jī)械化、智能化的方向發(fā)展，無人機(jī)作為未來發(fā)展環(huán)境下的一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的空中移動(dòng)智能體，逐漸在社會(huì)建設(shè)的諸多領(lǐng)域中得到應(yīng)用和發(fā)展。其中以無人機(jī)遙感為例，其成為當(dāng)前無人機(jī)運(yùn)用的引領(lǐng)性的產(chǎn)業(yè)，在無人機(jī)遙感應(yīng)用中，為了提高無人機(jī)工作獲取信息的全面性、多樣性，在建立具有信息獲取能力的無人機(jī)組網(wǎng)觀測(cè)系統(tǒng)的同時(shí)，采用無人機(jī)編隊(duì)更是最直接而有效的方式。因此可以看到在農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展，軍事信息化建設(shè)的過程中多無人機(jī)編隊(duì)飛行控制形式，編隊(duì)內(nèi)無人機(jī)通信的時(shí)滯性帶來編隊(duì)內(nèi)的無人機(jī)信息傳遞能耗的增加。當(dāng)前在完成對(duì)無人機(jī)編隊(duì)一致性以及尋求具有通信時(shí)滯新的算法的基礎(chǔ)上，本文展開關(guān)于無人機(jī)編隊(duì)信息傳輸?shù)南嚓P(guān)問題的探究也能夠?yàn)槠浒l(fā)展提供相關(guān)參考，當(dāng)前采用的無人機(jī)編隊(duì)信息傳輸能耗平衡協(xié)同設(shè)計(jì)可以有分簇算法結(jié)構(gòu)和協(xié)同中繼式兩種，通過仿真試驗(yàn)可知，協(xié)同中繼式能夠提高信息傳輸?shù)淖灾餍院椭悄芑?，讓信息傳輸?shí)現(xiàn)“面對(duì)面”，由此大大減少信息傳輸中轉(zhuǎn)后帶來的能量消耗問題。