面向空地中繼網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的無人機(jī)運動控制方法

摘 要：

本文提出一種基于模型的通信中繼無人機(jī)運動控制方法，旨在提高地面車輛編隊的網(wǎng)絡(luò)連通性和通信性能。通過聯(lián)合考慮未知多用戶移動性、環(huán)境對信道特性的影響以及接收信號的不可用到達(dá)角信息來解決中繼無人機(jī)運動控制問題。該方法主要由兩部分構(gòu)成：① 利用圖論中的最小生成樹構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)連接性并定義通信性能指標(biāo)，該網(wǎng)絡(luò)連接性同時考慮了地面節(jié)點與無人機(jī)的通信鏈路及地面節(jié)點與地面節(jié)點的通信鏈路;② 針對移動節(jié)點的通信中繼，提出一種改進(jìn)粒子群優(yōu)化（particle swarm optimization， PSO）和非線性模型預(yù)測控制（nonlinear model predictive control， NMPC）相結(jié)合的中繼無人機(jī)運動控制策略，其中移動節(jié)點的未來位置由卡爾曼濾波器進(jìn)行預(yù)測。在單一環(huán)境和復(fù)雜環(huán)境下的仿真結(jié)果表明，所提出的運動控制方法可以驅(qū)使無人機(jī)到達(dá)或跟蹤最優(yōu)中繼位置的運動并提高網(wǎng)絡(luò)性能，同時論證了考慮環(huán)境對信道的影響是有益的。

關(guān)鍵詞：

無人機(jī); 中繼通信; 運動控制; 最小生成樹; 非線性模型預(yù)測控制; 改進(jìn)粒子群優(yōu)化

中圖分類號：

TP 301

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A""" DOI：10.12305/j.issn.1001-506X.2024.05.24

A method of UAV motion control to optimize air-ground relay network

TAO Cancan*， ZHOU Rui

（School of Automation Science and Electrical Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China）

Abstract：

In this paper， a model-based motion control method for communication relay unmanned aerial vehicle is proposed to improve the network connectivity and communication performance of ground vehicle formation. The problem of relay unmanned aerial vehicle motion control is solved by considering the unknown multi-user mobility， the impact of the environment on the channel characteristics and the unavailable arrival angle information of the received signal. The method is mainly composed of two parts： （i） The minimum spanning tree in graph theory is used to construct network connectivity and define communication performance indicators. The network connectivity takes into account the communication links between ground nodes and unmanned aerial vehicles and between ground nodes and ground nodes; （ii） For the communication relay of mobile nodes， a relay unmanned aerial vehicle motion control strategy combining improved particle swarm optimization （PSO） and nonlinear model predictive control （NMPC） is proposed， in which the future position of mobile nodes is predicted by a Kalman filter. The simulation results in a single and complex environment show that the proposed motion control method can drive the unmanned aerial vehicle to reach or track the optimal relay position and improve the network performance. At the same time， it is beneficial to consider the influence of environment on the channel.

Keywords：

unmanned aerial vehicle; relay communication; motion control; minimum spanning tree; nonlinear model predictive control （NMPC）; improved particle swarm optimization （PSO）

0 引 言

近幾十年來，在各種任務(wù)中利用協(xié)同多智能體實現(xiàn)目標(biāo)顯示出極大的優(yōu)勢，這些任務(wù)種類繁多，包括民用搜索與救援［1］、環(huán)境傳感與監(jiān)測［2］、監(jiān)視與偵察［3］、野外消防［4］以及其他科學(xué)研究。多智能體系統(tǒng)的一個關(guān)鍵要求是實現(xiàn)和優(yōu)化用于信息交換目的的通信質(zhì)量。然而，距離的增加和周圍地形、建筑物等障礙會嚴(yán)重影響無線通信的質(zhì)量，使得用戶很難實現(xiàn)這一要求［5］。

為了解決這個問題，可以部署通信中繼來支持系統(tǒng)的信號傳輸［6］。配備無線收發(fā)器的無人機(jī)被認(rèn)為是實現(xiàn)這一目的的理想選擇，使用無人機(jī)作為通信中繼的優(yōu)勢有：① 相對于地面或衛(wèi)星中繼，具有更好的中繼性能［7］，例如與受到地形或建筑物等障礙物影響的地對地情況相比，地對空通信中的信號衰減較小;② 無需人工參與的無人機(jī)中繼，具有強(qiáng)生存力和高適應(yīng)性的優(yōu)勢，特別是在惡劣環(huán)境中［8］;③ 無人機(jī)速度快，機(jī)動靈活，可以在需要時快速部署，例如在部分通信鏈路故障時，可以通過中繼無人機(jī)快速恢復(fù)通信。

然而，中繼無人機(jī)運動控制問題與無線信號傳播的屬性密切相關(guān)，受環(huán)境影響，且無人機(jī)自身有運動約束，使得控制中繼無人機(jī)的運動成為一個真正的挑戰(zhàn)。

人們對使用無人機(jī)作為通信中繼越來越感興趣，并提出多種方法來優(yōu)化無人機(jī)中繼網(wǎng)絡(luò)的性能。Ono等人［9］提出一種可變速率中繼方法，在發(fā)生災(zāi)害時實現(xiàn)多個地面節(jié)點之間的通信，其中設(shè)計了中繼無人機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑和飛行高度。Mozaffari等人［10］提出一個用于優(yōu)化中繼無人機(jī)部署和運動控制的框架，旨在從地面物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備高效節(jié)能地收集數(shù)據(jù)。Krijestorac等人［11］研究了使用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法將無人機(jī)連接到位置未知的用戶的中繼部署問題。

其他人則專注于使用無人機(jī)作為移動用戶的中繼。Zeng等人［12］提出一種聯(lián)合優(yōu)化發(fā)射功率和中繼軌跡的迭代算法，用于最大化移動中繼系統(tǒng)中的吞吐量。Chamseddine等人［13］提出一種移動地面單元的導(dǎo)引律，利用接收信號強(qiáng)度和到達(dá)角信息，在不知道地面單元位置的情況下將無人機(jī)驅(qū)動到最佳中繼位置。Wu等人［14］提出一種基于模型的無人機(jī)通信中繼自適應(yīng)運動控制方法，旨在提高空中多用戶系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能。Kim等人［15］和Lun［16］等人提出一種移動節(jié)點的中繼無人機(jī)運動控制方法，旨在提高艦艇編隊的通信質(zhì)量。Bor-Yaliniz等人［17］提出一種混合整數(shù)非線性優(yōu)化方法，用于優(yōu)化面向地面蜂窩節(jié)點的中繼無人機(jī)三維定位問題，并給出了該問題的一個計算高效的數(shù)值解。Ladosz等人［18］提出一種基于學(xué)習(xí)和模型的混合信道預(yù)測方法，用于城市環(huán)境下通信中繼無人機(jī)的軌跡規(guī)劃，實現(xiàn)了更好的性能。Wu等人［19］提出一種基于梯度法和最小二乘估計的中繼無人機(jī)運動控制方法，旨在提高地面多用戶系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能。

然而，上述研究工作中或是假設(shè)用戶是靜態(tài)的，這在許多無人機(jī)輔助的多智能體系統(tǒng)應(yīng)用中無法滿足，因為智能體的運動通常由任務(wù)決定;或是信道模型過于簡化，會導(dǎo)致優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)性能較差;或是未考慮復(fù)雜環(huán)境區(qū)域?qū)o線信道的影響，如城市環(huán)境中的建筑密度;或是只考慮了無人機(jī)與地面節(jié)點之間的通信鏈路，而沒有考慮地面節(jié)點與地面節(jié)點之間的通信鏈路。

在這一背景下，本文提出一種中繼無人機(jī)運動控制方法，在考慮無人機(jī)運動約束的情況下，將單個無人機(jī)驅(qū)動到預(yù)期位置，以保持網(wǎng)絡(luò)的連通性并實現(xiàn)最佳的通信性能。主要有以下兩點貢獻(xiàn)：① 聯(lián)合考慮未知多用戶移動性、環(huán)境復(fù)雜性、接收信號的不可用到達(dá)角（angle of arrival， AoA）信息，并且在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能的同時，考慮無人機(jī)與地面無人車之間的通信鏈路及地面無人車與地面無人車之間的通信鏈路。② 提出一種由最小生成樹（minimum spanning tree， MST）［20］、改進(jìn)粒子群優(yōu)化（particle swarm optimization， PSO）和非線性模型預(yù)測控制（nonlinear model predictive control， NMPC）相結(jié)合的中繼無人機(jī)運動控制策略。通過利用地面無人車的運動估計、當(dāng)前無人機(jī)的狀態(tài)以及環(huán)境信道狀態(tài)，找到特定時間范圍內(nèi)的控制輸入序列，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)連接。

1 系統(tǒng)模型

本文研究的動機(jī)是利用無人機(jī)的通信中繼能力來擴(kuò)展通信鏈路和提高通信質(zhì)量［21］，主要是針對地面無人車編隊。當(dāng)?shù)孛鏌o人車在缺少衛(wèi)星通信、彼此相距較遠(yuǎn)的惡劣環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)時，中繼無人機(jī)可以為其提供有效的通信連接。

1.1 空地中繼場景

考慮城市環(huán)境下由N輛地面無人車ni∈N={n1，n2，…，nN}和一架無人機(jī)組成的空地中繼網(wǎng)絡(luò)，地面無人車編隊在區(qū)域Ω∈R2內(nèi)執(zhí)行任務(wù)。由于地面無人車之間的通信易受到周圍地形、障礙物、高樓等的影響，因此由配備了更高性能通信設(shè)備的固定翼無人機(jī)在空中充當(dāng)中繼，以在地面無人車編隊之間提供更高質(zhì)量的通信鏈路。值得注意的是，大多數(shù)以前關(guān)于無人機(jī)作為通信中繼的研究，都只考慮了無人機(jī)與用戶節(jié)點之間的通信鏈路，本文不同之處在于還同時考慮了用戶節(jié)點與用戶節(jié)點之間的通信鏈路?；蛘哒f，本文是在所有可用的通信鏈路中，尋找能夠讓所有節(jié)點保持連通的最佳通信網(wǎng)絡(luò)。

本文對應(yīng)的空地中繼示意場景［22］如圖1所示，黃色的圓點代表地面無人車，假設(shè)其正在執(zhí)行自己的任務(wù)，長方體是建筑物，紅色實線表示中繼無人機(jī)與地面無人機(jī)之間的通信鏈路，藍(lán)色實線表示地面無人車與地面無人車之間的通信鏈路，青色實線表示中繼無人機(jī)的飛行軌跡。

另外，與旋翼機(jī)相比，固定翼無人機(jī)速度更快，操作范圍更廣。然而，其具有運動約束，例如最小飛行速度和轉(zhuǎn)彎半徑等。本文使用固定翼無人機(jī)作為通信中繼，后續(xù)設(shè)計中都考慮了這些約束。

1.2 中繼無人機(jī)運動模型

假設(shè)無人機(jī)擁有一個飛行控制器，用于航向和速度保持功能，本文旨在為該控制器設(shè)計制導(dǎo)輸入，以實現(xiàn)高效通信中繼?？紤]中繼無人機(jī)的輸入速度控制量和偏航角控制量，采用如下［23］運動模型：

3.2.4 改進(jìn)PSO-NMPC的中繼無人機(jī)運動控制

NMPC算法在處理模型復(fù)雜、帶約束的多變量非線性優(yōu)化控制時效果顯著，代價是計算量比較大，而PSO算法具有并行處理、尋優(yōu)速度快的特點，并且為了進(jìn)一步提高PSO算法的尋優(yōu)能力，本文在第3.2.3節(jié)中改進(jìn)了慣性權(quán)重ω的取值，進(jìn)一步提高了算法的尋優(yōu)速度，同時引入了極值擾動算子改善陷入局部極值的情況。因此，在使用中繼無人機(jī)支持移動的地面無人車編隊通信的場景下，考慮到地面無人車編隊的運動和固定翼無人機(jī)的約束，本文提出基于改進(jìn)PSO-NMPC的中繼無人機(jī)運動控制策略，將ΔU作為改進(jìn)PSO算法的優(yōu)化變量，種群中各個粒子的維數(shù)D就等于預(yù)測時域Nr，并選取式（34）～式（38）作為計算各個粒子適應(yīng)度的目標(biāo)函數(shù)，實現(xiàn)步驟如下。

步驟 1

通過利用傳感器數(shù)據(jù)和濾波技術(shù)獲得地面無人車節(jié)點的運動狀態(tài)估計;

步驟 2

基于預(yù)測的地面無人車編隊的位置、無人機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)、當(dāng)前控制輸入序列以及環(huán)境信道狀態(tài)，計算目標(biāo)函數(shù)的值;

步驟 3

利用改進(jìn)PSO算法迭代優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，得到最優(yōu)控制輸入序列U*k;

步驟 4

執(zhí)行最優(yōu)控制輸入序列的第一項，并更新狀態(tài);

步驟 5

重復(fù)上述步驟直到任務(wù)結(jié)束。

整個尋優(yōu)過程對應(yīng)的偽代碼如算法1所示，基于改進(jìn)PSO-NMPC算法的中繼無人機(jī)運動控制流程如圖3所示。

4 仿真結(jié)果與討論

4.1 問題和參數(shù)

本節(jié)通過仿真實驗來驗證提出的中繼無人機(jī)支持地面無人車編隊通信的最優(yōu)部署和最優(yōu)運動控制方法的可行性，其中平滑轉(zhuǎn)彎模型［24］用于表示地面無人車節(jié)點的運動，中繼無人機(jī)無法知道運動用戶的速度和運動方向，只能夠知道其位置。環(huán)境區(qū)域被分為四種典型類型，即城市郊區(qū)、城區(qū)、高密度城區(qū)、高樓區(qū)，其對應(yīng)的信道參數(shù)［25-26］如表1所示，覆蓋范圍如表2所示。

中繼無人機(jī)為固定翼，存在運動約束，用于仿真的其他參數(shù)如表3所示。注意，隨著地面無人車數(shù)量的增加，在網(wǎng)絡(luò)中找到最小生成樹解決方案的時間會增加，從而增加整個優(yōu)化過程的時間。同時，中繼無人機(jī)將需要更高的通信帶寬來獲取所有地面無人車節(jié)點的信息。因此，所提出的算法可以覆蓋的最大的地面無人車節(jié)點數(shù)量，需要根據(jù)實際的計算和通信資源來決定。對于地面無人車數(shù)量過多的情形，有兩種解決方案，一種是通過聚類將地面無人車分類成多個不同的簇，每個簇指派一架無人機(jī)進(jìn)行中繼;另一種解決方案是指派多架無人機(jī)為大規(guī)模地面無人車集群進(jìn)行中繼。

另外，性能和采樣時間之間也存在權(quán)衡，采樣頻率越快，全局信息連接的性能表現(xiàn)就會越好。但NMPC就需要更重的計算負(fù)荷，因為在給定的周期內(nèi)，滾動優(yōu)化的步數(shù)變得更多。由于地面無人車的移動速度低于空中無人機(jī)，為通信中繼產(chǎn)生引導(dǎo)指令的頻率低于中繼無人機(jī)自身的飛行控制指令的頻率?；诖?，本文仿真使用的采樣時間為Ts=0.5 s。然而，當(dāng)?shù)孛鏌o人車節(jié)點在快速移動時，則需要更短的采樣周期來覆蓋空地之間的中繼。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)地面無人車節(jié)點的數(shù)量和中繼無人機(jī)的機(jī)載計算能力，來確定預(yù)測控制的采樣時間Ts。

4.2 靜態(tài)節(jié)點下中繼部署效果驗證及對比

使用中繼無人機(jī)支持靜止地面無人車通信是一種簡單且常見的情形，實驗1中，使用無人機(jī)作為中繼來支持八輛靜止地面無人車的通信，其中地面無人車的位置分別為（6 540，4 000）、（2 660，9 800）、（4 340，7 600）、（10 800，7 260）、（7 460，500）、（9 860，5 200）、（2 760，3 300）、（7 260，8 400），單位是m，發(fā)射功率都為PT=100 mW，信號頻率為fc=2 GHz。

如圖4（a）所示，八輛地面無人車（UGV1～UGV8）分布在12 km×14 km的區(qū)域內(nèi)。圖4（a）中的黑色虛線表示地面無人車節(jié)點之間所有可用的通信鏈路，線上的數(shù)字顯示了每條通信鏈路傳遞消息的代價，代價越小，信號強(qiáng)度就越大，通信質(zhì)量也就越好。圖4（a）中的藍(lán)色實線顯示了在沒有中繼無人機(jī)時，表征八輛地面無人車之間通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系的最小生成樹。本例中，全局信息連接的總代價為J=7.525 7。

圖4（b）顯示了在同樣的城市郊區(qū)環(huán)境下，用單架無人機(jī)給地面無人車編隊進(jìn)行通信中繼的優(yōu)化MST連接及通信代價。其中，紅色實線表示中繼無人機(jī)與地面無人車節(jié)點之間的空地通信鏈路，藍(lán)色實線表示地面無人車與地面無人車之間的地地通信鏈路。通過無人機(jī)優(yōu)化最佳中繼位置，全局信息連接的總代價變?yōu)镴=4.833 5。

對比圖4 （a）和圖4（b）可知，部署一個中繼無人機(jī)輔助地面無人車編隊通信后，整個網(wǎng)絡(luò)的全局信息連接總代價從無中繼時的J=7.525 7，顯著降低到有中繼后的J=4.833 5。這意味著僅為地面無人車編隊部署一個無人機(jī)節(jié)點進(jìn)行中繼，就可以提高55%的通信質(zhì)量，可以預(yù)期的是，用于中繼的無人機(jī)越多，全局信息連接的成本就越小。

上述實驗1中的兩個對比實驗驗證了本文提出的中繼無人機(jī)最優(yōu)部署和運動控制方法在固定節(jié)點下的可行性與高效性。下面接著討論本文方法在移動節(jié)點下的實際表現(xiàn)并進(jìn)行對比實驗分析。

4.3 移動節(jié)點下中繼運動控制效果驗證及對比

實驗2中，使用無人機(jī)作為中繼來支持8輛移動地面無人車的通信，其中地面無人車的運動軌跡根據(jù)平滑轉(zhuǎn)彎模型［24］隨機(jī)給出，運動速度為vg=5 m/s，每個地面無人車的發(fā)射功率為PT=100 mW。中繼無人機(jī)的初始位置為（7 000，5 000），單位是m，飛行速度v0=40 m/s，期望的繞飛半徑為300 m，仿真時間設(shè)為1 320 s。

為了突出本文所提方法在移動節(jié)點下的中繼運動控制效果，將本文提出的基于改進(jìn)PSO-NMPC算法的中繼無人機(jī)運動控制策略、無人機(jī)繞固定中間點盤旋中繼策略、無人機(jī)隨機(jī)運動中繼策略在相同條件下分別進(jìn)行仿真實驗，其中，無人機(jī)隨機(jī)運動由平滑轉(zhuǎn)彎模型［24］給出。3種中繼策略下的仿真結(jié)果如圖5所示，對應(yīng)的全局信息連接代價曲線如圖6所示。

觀察圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著地面無人車編隊的運動，無人車之間相距越來越遠(yuǎn)，保持整個網(wǎng)絡(luò)連通的通信代價逐漸變大。在初始時間，由于三種方法都是從相同起點附近出發(fā)，本文算法對應(yīng)的通信性能優(yōu)勢不明顯，然而隨著時間的推移，本文算法的路徑對應(yīng)的通信性能越來越優(yōu)，例如當(dāng)?shù)?60 s時，本文算法對應(yīng)的全局信息連接代價為J=7.732 4，而同時刻盤旋中繼策略和隨機(jī)運動中繼策略對應(yīng)的全局信息連接代價分別為J=10.499 7和J=12.606 3。相比無人機(jī)盤旋中繼策略，本文算法的通信性能提高了35.78%;相比無人機(jī)隨機(jī)運動中繼策略，本文算法的通信性能提高了63.03%。

另外，從圖6中可看到，隨機(jī)運動中繼和盤旋中繼對應(yīng)的全局信息連接代價曲線在時間大于600 s后會產(chǎn)生波動起伏，這是因為隨機(jī)運動中繼和盤旋中繼都沒有根據(jù)地面無人車節(jié)點的運動自適應(yīng)調(diào)整中繼無人機(jī)的運動，而本文提出的算法由于綜合考慮多種影響因素，所以性能穩(wěn)定。

上述實驗2中的對比結(jié)果表明，本文提出的基于改進(jìn)PSO-NMPC算法的中繼無人機(jī)運動控制方法能夠有效支持運動地面無人車編隊的通信。下面接著討論本文方法在復(fù)雜動態(tài)環(huán)境下控制中繼無人機(jī)支持地面無人車編隊通信的實際效果，驗證環(huán)境對信道及中繼通信的影響，并重點關(guān)注隨著編隊內(nèi)車輛進(jìn)入不同類型的城市環(huán)境區(qū)域，整個空地中繼網(wǎng)絡(luò)的通信拓?fù)涞膶崟r變化。

4.4 復(fù)雜環(huán)境下通信拓?fù)涞膶崟r變化

實驗3在實驗2的基礎(chǔ)上，為了突顯本文所提中繼無人機(jī)運動控制方法在復(fù)雜多變的城市環(huán)境下也能夠有效支持地面無人車編隊的通信，對城市區(qū)域劃分了4種類型，分別為城市郊區(qū)、城區(qū)、高密度城區(qū)、高樓區(qū)，其對應(yīng)的信道參數(shù)［25-26］如第4.1節(jié)中表1所示，覆蓋范圍如第4.1節(jié)中表2所示，其他實驗參數(shù)同實驗2。

選取了實驗過程中3個時間節(jié)點的仿真結(jié)果圖，如圖7（a）～圖7（c）所示。圖7中，不同顏色的圓圈表示不同類型環(huán)境的覆蓋范圍，其中紫色圓圈內(nèi)的區(qū)域類型為高樓區(qū)，藍(lán)色圓圈內(nèi)的區(qū)域類型為高密度城區(qū)，綠色圓圈內(nèi)的區(qū)域類型為城區(qū)，剩余環(huán)境的區(qū)域類型為城市郊區(qū)。

觀察圖7（a）～圖7（c）可知，隨著地面無人車編隊的運動，在各個時刻地面無人車（UGV1～UGV8）將進(jìn)入不同的城市環(huán)境區(qū)域。圖7（a）中，地面無人車UGV5還未進(jìn)入通信條件最差的高樓區(qū)，注意到此時地面無人車UGV5與中繼無人機(jī)有直接的通信鏈路。然而在圖7（b）中，地面無人車UGV5已經(jīng)運動到高樓區(qū)域。根據(jù)表1中所示的經(jīng)驗信道參數(shù)與式（9）、式（13）中的空地信道模型，該區(qū)域內(nèi)通信環(huán)境由于高密度和高海拔的建筑使得信道中LoS概率較小，進(jìn)而導(dǎo)致此區(qū)域內(nèi)用戶通信環(huán)境較為惡劣，如果其直接與中繼無人機(jī)建立通信鏈路，通信質(zhì)量將非常差。而圖7（b）中，中繼無人機(jī)確實斷開了與地面無人車UGV5的直接通信鏈路，取而代之的是通過地面無人車UGV1與地面無人車UGV5進(jìn)行通信。在圖7（c）中，地面無人車UGV5已經(jīng)離開高樓區(qū)域，中繼無人機(jī)又恢復(fù)了與地面無人車UGV5的直接通信鏈路。

這與上述理論分析相匹配，驗證了本文提出的中繼無人機(jī)運動控制方法在復(fù)雜城市環(huán)境下的可行性，即空地中繼網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)環(huán)境信道的變化動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的通信拓?fù)?，并控制無人機(jī)飛行到使整個網(wǎng)絡(luò)保持連通的同時通信性能最優(yōu)的中繼位置，同時驗證了設(shè)計中繼無人機(jī)運動控制方法時考慮環(huán)境對信道特性的影響是有意義的，而這些在實際的通信中繼任務(wù)中是十分重要的。

4.5 不同信道模型下中繼通信性能的比較

由于大多數(shù)以前使用無人機(jī)作為通信中繼的研究，都使用了僅考慮通信距離的無線通信模型或者其他過于簡化的信道模型，導(dǎo)致通信性能下降。為了體現(xiàn)信道模型對中繼通信控制結(jié)果的影響并突出本文采用的現(xiàn)實信道模型可以獲得更好的中繼通信性能，本次實驗4在實驗3的基礎(chǔ)上，對基于本文信道模型的中繼無人機(jī)運動控制、基于距離信道模型的中繼無人機(jī)運動中繼以及無中繼這3種情形分別進(jìn)行仿真實驗，全局信息連接代價隨時間變化的對比曲線如圖8所示。

觀察圖7以及圖8中的3條曲線可知，隨著地面無人車編隊的運動，地面無人車越來越分散，相互之間的通信變得越來越難，無中繼情形下的通信代價始終處于三者中最高的位置，基于距離信道模型的中繼對比無中繼情形，整個網(wǎng)絡(luò)的全局信息連接代價已經(jīng)有了明顯的降低，而基于本文信道模型的空地中繼通信，全局信息連接的代價始終處于一個最低的位置，中繼通信的控制效果最好。

從圖8中還可以看到，基于距離模型的中繼情境下，全局信息連接代價曲線隨時間會產(chǎn)生波動，這是因為當(dāng)?shù)孛鏌o人車進(jìn)入不同環(huán)境類型的城市區(qū)域時，基于距離模型的中繼只根據(jù)距離將無人機(jī)驅(qū)使到最佳位置，而這個中繼位置由于忽略了環(huán)境類型對信道的影響，可能與某些地面無人車節(jié)點的通信鏈路質(zhì)量很差，導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的通信性能產(chǎn)生了跳躍。相反，基于本文模型的中繼，由于考慮的環(huán)境對信道的影響，所以性能穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

（1） 針對提高空地中繼網(wǎng)絡(luò)通信連通性和通信性能，提出一種改進(jìn)PSO和NMPC相結(jié)合的中繼無人機(jī)優(yōu)化控制方法。數(shù)值仿真結(jié)果表明，所提出的運動控制方法可以驅(qū)使無人機(jī)到達(dá)或跟蹤最優(yōu)中繼位置的運動，顯著改善靜態(tài)和動態(tài)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量和連接性。

（2） 基于圖論中最小生成樹概念構(gòu)建了全局信息連接的代價，可以方便準(zhǔn)確地評估中繼網(wǎng)絡(luò)的通信性能。另外，該網(wǎng)絡(luò)連接性不僅考慮了無人機(jī)與地面節(jié)點之間的通信鏈路，還考慮了地面節(jié)點與地面節(jié)點之間的通信鏈路，更具實際應(yīng)用價值。

（3） 復(fù)雜動態(tài)環(huán)境下的對比仿真實驗結(jié)果表明，考慮環(huán)境對信道特性的影響是有益的，可以在復(fù)雜城市環(huán)境下獲得更好的網(wǎng)絡(luò)性能。

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作者簡介

陶燦燦（1992—），男，博士研究生，主要研究方向為空地協(xié)同任務(wù)規(guī)劃、中繼通信、空地協(xié)同控制。

周 銳（1968—），男，教授，博士，主要研究方向為無人機(jī)自主控制、任務(wù)規(guī)劃與管理、多飛行器協(xié)同控制。