微型無人機集群自組織通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與驗證

肖慧慧，賀旖琳，胡曉東，鄧 陽

（1.復(fù)雜環(huán)境特種機器人控制技術(shù)與裝備湖南省工程研究中心，湖南 湘潭 411104；2.中車株洲電力機車研究所有限公司，

湖南 株洲 412001；3.國網(wǎng)湖南省電力公司湘潭供電分公司，湖南 湘潭 411100）

0 引言

無人機集群作業(yè)可在枯燥任務(wù)領(lǐng)域、惡劣環(huán)境任務(wù)領(lǐng)域和危險任務(wù)領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用，其持續(xù)執(zhí)行任務(wù)、執(zhí)行危險任務(wù)、適應(yīng)惡劣環(huán)境等能力都是有人平臺所無法比擬的[1]。無人機在集群執(zhí)行任務(wù)時需要彼此間進行通信和數(shù)據(jù)交換，信息交互是實現(xiàn)無人機集群的必要條件。信息交互有兩種方式，一種是個體利用環(huán)境作為媒介進行間接信息交互，另一種是個體通過無線廣播、燈光等手段向其鄰居個體傳遞信息的直接信息交互。在無人機集群研究中，一般都通過無線廣播實現(xiàn)直接信息交互。隨著對無人機集群作業(yè)自主性和多任務(wù)方面的要求不斷提升，信息交互會遇到數(shù)據(jù)傳輸量增加、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化等問題，若要保障無人機集群系統(tǒng)有效地執(zhí)行任務(wù)，可靠的無人機集群通信組網(wǎng)模式和通信節(jié)點硬件顯得十分必要。本文在分析無人機集群通信特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于圖論的無人機集群信息傳遞方案，可有效保障動態(tài)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的通信連接；研制了微型無人機集群自組織通信網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點并進行實驗驗證，實現(xiàn)了通信硬件節(jié)點的小型輕量化并滿足可靠性要求，為微型無人機集群通信的實現(xiàn)提供了途徑。

1 無人機集群信息傳遞方案

1.1 無人機集群通信特點

無人機集群是由眾多可移動的個體構(gòu)成的集群，如果將各個個體看作通信節(jié)點，則這些個體就構(gòu)成了一個無線網(wǎng)絡(luò)，其通信節(jié)點具有空間分布性[2]。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點都可能具有移動性，網(wǎng)絡(luò)中新節(jié)點的加入或原節(jié)點的退出以及外界環(huán)境的干擾，會導(dǎo)致傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，這些都使得網(wǎng)絡(luò)具有很強的動態(tài)性。由于個體節(jié)點數(shù)量眾多，無法預(yù)先定義通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；個體的可移動性又要求能夠?qū)討B(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)進行實時重構(gòu)，以便于網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的執(zhí)行，因此無線網(wǎng)絡(luò)必須具有自組織能力[3-4]。綜上，無人機集群通信具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)動態(tài)性和網(wǎng)絡(luò)形式自組織性3個基本特點。

1.2 無人機集群信息傳遞方案設(shè)計

本文考慮基于人工勢函數(shù)的集群控制方法，利用無線自組織網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無人機集群個體間信息交互，則任意個體都需要獲得其他個體的信息，即任意個體之間都需要實現(xiàn)信息通信[5-6]。據(jù)此，可采用圖論相關(guān)知識對無人機集群信息傳遞方案進行分析設(shè)計[7]。

假設(shè)將智能探測集群中的每個探測個體作為一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點共同組成無線自組織網(wǎng)絡(luò)，用圖G(V,E)來表示。其中，V表示圖G所有頂點vi的集合，即所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；E表示圖G所有的邊eij構(gòu)成的集合（eij是連接兩個頂點vi和vj的直線，如果兩個頂點存在一條邊，則表示這兩個頂點對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以直接進行通信）。假設(shè)一個頂點序列v0,v1, …,vk中任意兩個連續(xù)頂點都存在邊，即存在邊e01，e12，…，e(k-1)k，則稱頂點v0和vk間存在路，記為v0Pvk。如果圖G中的任意兩個頂點vi和vj間均存在路viPvj，則稱圖G是連通的。圖G通?？梢圆捎绵徑泳仃嘇來表示；A的元素aij用于表示頂點vi和vj間是否存在邊eij，若存在，則aij=1，否則aij=0。這里考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的通信通道是雙向的，即圖G為無向圖，則鄰接矩陣為對稱矩陣。

如果圖G是連通的，則其所表示的無線自組織網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點間可以以多跳的方式實現(xiàn)信息的傳遞，也就是無人機集群中對應(yīng)的探測個體間可以實現(xiàn)信息交互。因此，無線自組織網(wǎng)絡(luò)需要滿足連通性的要求，這可以通過對鄰接矩陣的檢驗來確定無線自組織網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通性。鄰接矩陣連通性檢驗算法的流程如圖1 所示。設(shè)立3 個集合，分別為連通頂點集合V1、非連通頂點集合V2和待檢驗頂點集合V3，其中V1和V3為空集，V2為圖G的頂點集合V。選取任意頂點vk（不失一般性，可選取v1），將其添加到V3，然后進入循環(huán)檢驗過程。從V3中取出頂點進行檢驗，其被加入到V1，并將其從V2（此時為V）和V3中刪除。假如取出的頂點為vi，檢驗鄰接矩陣中頂點vi和V2中所有頂點對應(yīng)元素的值，如果aij=1，則將頂點vj從V2中去除，并將vj加入V1和V3；一旦出現(xiàn)aij=0，則直接判定圖G是非連通的。重復(fù)循環(huán)檢驗過程，直到V3為空集。如果此時V2為空集，則圖G是連通的，否則圖G是非連通的。

圖1 鄰接矩陣連通性檢驗算法流程Fig.1 Flow chart of checking algorithm for adjacency matrix connectivity

2 自組織通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

2.1 通信硬件節(jié)點研制

考慮到微型無人機集群的飛行區(qū)域一般都在方圓1 km 范圍內(nèi)，信息傳輸距離并不太遠，但需要保障無線通信的傳輸速率和可靠性[8]。根據(jù)市場上已有通信模塊情況，綜合考慮發(fā)射功率、接收靈敏度、通信頻率、通信速率、外形尺寸、重量、功耗等硬件參數(shù)，選用Jenic5148-001-M04 型通信模塊作為核心硬件，并依此設(shè)計數(shù)據(jù)接口、電源接口和射頻天線接口[9]。

通信模塊中JN5148-001-M04 型芯片采用貼片式設(shè)計，通過轉(zhuǎn)接擴展板將需要的管腳引出，并連接各種標準的接口，以便與上位機進行串口通信、協(xié)議注入、電源接頭等[10]。轉(zhuǎn)接擴展板（圖2）由一系列開關(guān)、按鍵、2 個串行接口、外接電源接口等組成，可在編程模式和收發(fā)模式兩種模式下工作。在編程模式下，經(jīng)編譯的二進制控制程序文件通過串口被注入到JN5148-001-M04中；在收發(fā)模式下，節(jié)點運行JN5148-001-M04 型芯片中的控制程序，依照控制程序進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

圖2 通信節(jié)點轉(zhuǎn)接擴展板實物Fig.2 Practical communication node expansion board

JN5148-001-M04 芯片和轉(zhuǎn)接擴展板共同組成網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點，通過串行接口與上位機連接。上位機將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入JN5148-001-M04 的RAM 存儲器，JN5148-001-M04 定時讀取并發(fā)送RAM 數(shù)據(jù)；同時，JN5148-001-M04 將接收到的數(shù)據(jù)存入RAM 中，上位機通過串行接口讀取RAM 中的接收數(shù)據(jù)。

2.2 通信控制軟件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點控制軟件在Eclipse Platform 軟件開發(fā)平臺下開發(fā)，其底層協(xié)議采用了IEEE802.15.4 標準，可以實現(xiàn)節(jié)點地址設(shè)定、通信頻率設(shè)置、數(shù)據(jù)收發(fā)、節(jié)點發(fā)現(xiàn)和識別、路由形成等功能[11]。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點控制軟件的基本設(shè)計是：節(jié)點啟動后，首先進行節(jié)點初始化、地址設(shè)定、無線收發(fā)頻率設(shè)置等，然后進入循環(huán)結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)接收處理，而發(fā)送數(shù)據(jù)則由定時時鐘產(chǎn)生中斷來實現(xiàn)。軟件的流程圖見圖3。數(shù)據(jù)的接收處理由數(shù)據(jù)處理函數(shù)來實現(xiàn)。當(dāng)節(jié)點收到數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生數(shù)據(jù)收到事件。數(shù)據(jù)處理函數(shù)檢測是否存在數(shù)據(jù)收到事件并進行相應(yīng)的處理。定時時鐘每隔一定的時間產(chǎn)生一個中斷信號，調(diào)用中斷處理函數(shù)，檢查是否有要發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

圖3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點控制軟件流程Fig.3 Flow chart of network node control software

在IEEE 802.15.4 標準中，要求網(wǎng)絡(luò)中存在唯一的協(xié)調(diào)節(jié)點，通過協(xié)調(diào)節(jié)點為其他節(jié)點分配節(jié)點地址[12]。如果采用這種方案，意味著在網(wǎng)絡(luò)中必須存在一個中心控制節(jié)點，每一個新加入的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點必須首先從這個中心控制節(jié)點獲取節(jié)點地址后才能加入自組織網(wǎng)絡(luò)，而且同一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多次加入時獲取的地址不同，這嚴重限制了無人機集群通信的靈活性，降低了系統(tǒng)的魯棒性。地址固定方法直接給節(jié)點綁定確定的地址，達到了網(wǎng)絡(luò)中無協(xié)調(diào)節(jié)點的目的；同時，繞過了IEEE 802.15.4 標準中規(guī)定的協(xié)調(diào)過程，大大降低了節(jié)點的啟動時間，增加了系統(tǒng)的靈活性，提高了系統(tǒng)的魯棒性。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過RS232 串口與上位機連接。點對點通信時，目的地址和通信數(shù)據(jù)都需要通過串口傳遞給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點控制軟件，因此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點控制軟件必須能夠準確獲取目的地址。采用點對點通信標識來實現(xiàn)目的地址的獲取，節(jié)點控制軟件收到上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)后，讀取第一個數(shù)據(jù)位并判斷是否為點對點通信標識：如果不是，則設(shè)定目的地址為廣播地址，進行廣播；如果是，則讀取下一個數(shù)據(jù)位，并將其設(shè)為目的地址進行點對點通信。這樣，通過點對點通信標識檢測，實現(xiàn)了廣播通信和任意節(jié)點間的點對點通信。

3 無人機集群信息傳輸方案驗證

為了驗證自組織通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點性能和無人機集群信息傳遞方案，分別進行了點對點通信測試、通信恢復(fù)測試、故障節(jié)點識別測試和數(shù)據(jù)收發(fā)與距離測試。

3.1 點對點通信測試

點對點通信是指網(wǎng)絡(luò)中的任意一個節(jié)點可以與其他所有節(jié)點進行通信，是無線自組織網(wǎng)絡(luò)的一項重要特征。點對點通信測試是驗證自組織網(wǎng)絡(luò)的點對點通信能力，測試平臺結(jié)構(gòu)如圖4 所示。圖中，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過串口與一臺測試機連接，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與測試機一起構(gòu)成一個測試節(jié)點，4 個測試節(jié)點一起構(gòu)成點對點通信測試平臺。

圖4 點對點通信測試結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure chart of point-to-point communication test

測試的信息流程如下：

（1）在測試機串口調(diào)試程序的發(fā)送數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)域輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)為“#接收節(jié)點號數(shù)據(jù)內(nèi)容”。如測試節(jié)點1 要給測試節(jié)點2 發(fā)送數(shù)據(jù)“sf3sdfaadsf”，則在測試節(jié)點1 的串口調(diào)試程序的發(fā)送數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)域中輸入“#2sf3sdfaadsf”，如圖5（a）所示。

（2）測試節(jié)點1 中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點讀取串口數(shù)據(jù)，提取出發(fā)送目的節(jié)點和數(shù)據(jù)內(nèi)容，然后向目的節(jié)點2 發(fā)送這些數(shù)據(jù)。

（3）測試節(jié)點2 中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點收到“sf3sdfaadsf”數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)給3 號測試機并在其串口調(diào)試程序的接收數(shù)據(jù)顯示區(qū)域顯示“sf3sdfaadsf”，如圖5（b）所示。

（4）分別把測試節(jié)點1,2,3,4 作為發(fā)送節(jié)點，向其余3 個節(jié)點發(fā)送任意數(shù)據(jù)。

測試結(jié)果顯示，接收節(jié)點正確，顯示內(nèi)容正確。這表明自組織中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都具有點對點通信能力。

圖5 點對點通信測試結(jié)果Fig.5 Test results of point to point communication

3.2 通信恢復(fù)測試

通信恢復(fù)測試用來檢驗故障排除后的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是否能夠與其他節(jié)點繼續(xù)通信。節(jié)點故障為節(jié)點斷電；故障恢復(fù)則是恢復(fù)節(jié)點供電，檢驗節(jié)點重啟后是否能夠繼續(xù)與先前形成的網(wǎng)絡(luò)進行通信。具體測試流程如下：

（1）進行點對點通信測試，檢驗是否任意一個節(jié)點都可以向其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，同時也可以接收其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。

（2）切斷節(jié)點1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的供電，檢驗節(jié)點1 是否既無法向其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，也無法接收其他節(jié)點的數(shù)據(jù)；對其余3 個節(jié)點（節(jié)點2, 3, 4）進行點對點通信測試。

（3）恢復(fù)節(jié)點1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的供電，檢驗節(jié)點1 是否既可向其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以接收其他節(jié)點的數(shù)據(jù)；對其余3 個節(jié)點進行點對點通信測試。

（4）分別對節(jié)點2, 3, 4 重復(fù)3.2 節(jié)的步驟（2）和步驟（3）的操作，以驗證所有節(jié)點都具有故障排除后的通信恢復(fù)能力。

測試結(jié)果表明，節(jié)點可以自由進出自組織網(wǎng)絡(luò)且不影響其他節(jié)點通信，證明了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有故障排除后通信自動恢復(fù)能力。

3.3 故障節(jié)點識別測試

故障節(jié)點識別測試用來檢驗網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)生故障后，其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)現(xiàn)異常并進行處理的能力。節(jié)點故障通過節(jié)點斷電來模擬，故障恢復(fù)通過節(jié)點加電來模擬。測試平臺為自研發(fā)的自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點測試軟件，其界面如圖6 所示。

圖6 無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點2 測試軟件界面Fig.6 Test software interface of wireless ad hoc network node 2

故障節(jié)點識別測試流程如下：

（1）打開各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電源，打開無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點測試軟件；

（2）觀察軟件中各節(jié)點的指示變化，以節(jié)點2 為例，指示變灰，其他節(jié)點的指示變亮，如圖6（a）所示；

（3）關(guān)閉節(jié)點3 電源，觀察軟件中對應(yīng)節(jié)點的指示燈滅，如圖6（b）所示，并記錄系統(tǒng)時間；

（4）重新打開節(jié)點3 電源，觀察軟件中對應(yīng)節(jié)點的指示燈亮，如圖6（c）所示，并記錄系統(tǒng)時間。

測試結(jié)果表明，關(guān)閉某一節(jié)點的電源，則測試軟件中相應(yīng)節(jié)點的指示變暗，能夠識別故障，且識別時間優(yōu)于1 s；重新打開節(jié)點電源，測試軟件中相應(yīng)節(jié)點的指示變亮，故障恢復(fù)時間優(yōu)于2 s。

3.4 數(shù)據(jù)收發(fā)與距離測試

在無人機集群半實物仿真系統(tǒng)試驗時，收集了某一網(wǎng)絡(luò)樣機收到的數(shù)據(jù)并對其進行了分析。分析結(jié)果如下：

（1）接收數(shù)據(jù)時刻從150 s 起至3 331 s 止，共3 181 s。系統(tǒng)共4 個節(jié)點，每個節(jié)點每秒鐘共發(fā)送2～3幀數(shù)據(jù)，共200 個字節(jié)。在采集時間內(nèi)，共計發(fā)送數(shù)據(jù)幀45 075 幀。

（2）接收到的數(shù)據(jù)共出錯9 次，既沒有出現(xiàn)過連續(xù)兩幀數(shù)據(jù)出錯的情況，也沒有出現(xiàn)出錯幀數(shù)據(jù)中有兩位以上的誤碼，通信誤碼率為9/45 075=0.019 97%。

（3）對樣機在實際環(huán)境中的通信距離進行了實測，2 個通信節(jié)點分別布設(shè)在湘江河岸兩邊某處，測得可正常收發(fā)數(shù)據(jù)的距離為1.1 km，如圖7 所示。

圖7 節(jié)點通信距離測試Fig.7 Node communication distance test

測試結(jié)果表明，通信誤碼率為0.019 97%，達到無線通信準誤碼率（2E-04）要求，且系統(tǒng)設(shè)計時以連續(xù)兩次通信無誤碼情況表示通信有效，通信可靠性在系統(tǒng)設(shè)計允許范圍內(nèi)；通信距離為1.1 km，達到通信要求。

4 結(jié)語

本文針對微型無人機集群通信的特點，設(shè)計了基于圖論的無人機集群信息傳遞方案，研制了自組織通信網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點并設(shè)計了相應(yīng)控制軟件。通過點對點通信、通信恢復(fù)、故障節(jié)點識別、數(shù)據(jù)收發(fā)與距離等測試，驗證了該信息傳遞方案的合理性和自組織通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的可用性，為微型無人機集群通信的實現(xiàn)提供了途徑，也為其他自組織網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計提供了一種參考。