1.1多無人機編隊通信方案設(shè)計

1.1.1基于圖論的無人機通信問題描述

如果將單個無人機看成節(jié)點，那么多無人機的行為可以利用圖論進行描述，無人機之間

的信息交流可以表示為拓撲圖形式假設(shè)編隊中共有幾架無人機，則圖中的邊可以表示

為無人機之間的通信聯(lián)系，定義無人機編隊的通信連結(jié)圖為G(V,E,A),式中，

V={vpv2,#〃}代表具有幾架無人機節(jié)點的集合，石={(匕，匕)wVxV/wJ}代表邊的

集合，4=［為］“*“代表鄰接矩陣，/代表節(jié)點i到/的權(quán)值系數(shù)。容易推出他=0,并且

ay=?7(.>0o定義島=(匕,匕)wJ,若存在島03,則該圖為無向圖。定義某

節(jié)點匕的鄰居集N={?.eV,(?;,?.)eE}。圖G(V,E,A)的Laplacian矩陣為L=

(的值如式(2.1)。

Q沙口(2.1)

-ai于j

ly;;"

對于無向圖，顯然有乙=L，。(/，?)4生，/)(勾嗎)，。Je［L〃］代表圖中的路，

路是由邊構(gòu)成的序列。

1.1.2基于Mesh網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在Mesh網(wǎng)絡(luò)拓撲中，無線數(shù)傳可以無需通過主節(jié)點直接互相通信，或者在需要時借由

另一Mesh節(jié)點中繼進行通信，這不同于傳統(tǒng)的點對多點(PMP,PointtoMultipoint)和點對點

(PTP,PointtoPoint)通信結(jié)構(gòu)。Mesh網(wǎng)絡(luò)具有如下特點：從源節(jié)點到目標節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸具

有多條冗余路徑；可以自動發(fā)現(xiàn)未知路徑。如果路徑由于某個Mesh突然下線或者移動(如

無人機Mesh節(jié)點)而發(fā)生更改，Mesh網(wǎng)絡(luò)可以生成新的路徑來自我修復(fù)，從而大大的消除

了單點故障的風險。圖2.3為一Mesh網(wǎng)絡(luò)的拓撲示意圖。如圖所示，數(shù)據(jù)可以通過多條路

徑到達Mesh網(wǎng)絡(luò)中的每個目的地。

圖2.3Mesh網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖

包括Mesh網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的任何跳頻網(wǎng)絡(luò)都需要至少一個節(jié)點承擔主協(xié)調(diào)員(P.C,Primary

Coordinator),以確保網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都在同一頻率上同時跳頻。這是通過給所有設(shè)備發(fā)

送同步信號方式來實現(xiàn)的。如果網(wǎng)絡(luò)需要覆蓋更大的范圍,還可以給其他節(jié)點分發(fā)同步任務(wù),

此時該節(jié)點稱為輔助協(xié)調(diào)員(S.C,SecondaryCoordinator)o

在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，有四種可用的節(jié)點類型或者節(jié)點任務(wù)模式：主協(xié)調(diào)員、輔助協(xié)調(diào)員、

備用協(xié)調(diào)員(S.B,StandbyCoordinator)和遙控員(Rem,Remote)□我們可以將任何節(jié)點配置成

這些角色。下面分別介紹這些角色。

主協(xié)調(diào)員的角色是為系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)同步信號，以確保所有單元都處于活躍狀態(tài)并能夠根

據(jù)需要進行通信。在任何網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，只能有一個主協(xié)調(diào)員。可以部署其他協(xié)調(diào)器以實現(xiàn)冗

余或?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍擴展到主協(xié)調(diào)器服務(wù)區(qū)域以外。對于任何能夠在Mesh網(wǎng)絡(luò)中進行通信

的節(jié)點，它們必須要能夠接收到來自協(xié)調(diào)員的同步信號。圖2.4為主協(xié)調(diào)員工作示意圖。圖

中深色部分代表該Mesh網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋范圍。

圖2.4主協(xié)調(diào)員工作示意圖

輔助協(xié)調(diào)員用于擴展主協(xié)調(diào)員的覆蓋范圍，多個輔助協(xié)調(diào)員可用于提供冗余或者確保充

分的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，輔助協(xié)調(diào)員必須要與主協(xié)調(diào)員或者其他的輔助協(xié)調(diào)員進行通信，以確保其服

務(wù)的各節(jié)點之間正確同步。圖2.5為輔助協(xié)調(diào)員的工作示意圖。

圖2.5輔助協(xié)調(diào)員工作示意圖

備用協(xié)調(diào)員用于監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)中的同步程度，當其檢測到主協(xié)調(diào)員下線或者由于其他原因未

執(zhí)行其網(wǎng)絡(luò)同步職責時，備用協(xié)調(diào)員就可以接管。圖2.6為備用協(xié)調(diào)員工作示意圖。

圖2.6備用協(xié)調(diào)員工作示意圖

遙控員節(jié)點不是協(xié)調(diào)員角色，遙控員通常連接到終端設(shè)備，但也可以部署為提供冗余以

到達網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備。盡管所有節(jié)點都可以配置為提供路由服務(wù)，但是這樣做效率不高,

因為這會消耗大量網(wǎng)絡(luò)帶寬。圖2.7為遙控員工作示意圖。

主協(xié)調(diào)員

備用協(xié)調(diào)員

圖2.7遙控員工作示意圖

1.1.3無線傳輸模塊的編隊通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

本文設(shè)計的通信拓撲圖如圖2.8所示。由于本文實際試飛的無人機數(shù)量只有三架，所以

選擇了一種全向強連接方式的拓撲圖。為提供更多的冗余，每個無人機節(jié)點攜帶兩個無線傳

輸模塊，定義第，架無人機攜帶無線傳輸模塊的編號為4和4。圖中4,A，$采用PMP

通信模式，地面端"作為主節(jié)點，機載端4,4,A為從節(jié)點。所有的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過主節(jié)點

4。旦,82，用采用Mesh網(wǎng)絡(luò)通信，其中用的角色為主協(xié)調(diào)員，為為備用協(xié)調(diào)員。設(shè)計

4,A，4,&通信集合的目的有兩個：（1）發(fā)送編隊整體指令，如開始編隊、隊形變化等；（2）

用于地面實時監(jiān)視各個無人機的飛行數(shù)據(jù)信息。

圖2.8通信拓撲圖

為充分發(fā)揮各個無線傳輸模塊節(jié)點的通信能力，本文將PMP通信節(jié)點與Mesh網(wǎng)絡(luò)通

信節(jié)點相結(jié)合。一次完整的編隊全自主飛行流程如圖2.9所示。其中編隊協(xié)同飛行時，編隊

系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)交互量最大，通信的壓力也是最大。在設(shè)置隊形、發(fā)送開始編隊指令和發(fā)送隊

形變化指令階段屬于地面人員的操作，這時必須使用PMP通信模式，但其通信量極小，不

同于編隊協(xié)同飛行階段，其只需單次發(fā)送即可，不需要實時更新指令。

PMP模式通信通信僅監(jiān)視通信僅監(jiān)視PMP模式通信

設(shè)置隊形-力依次自動起飛—航線飛行一開始編隊指令

依次自動降落「編隊協(xié)同飛行(隊形變化—編隊協(xié)同飛行

通信僅監(jiān)視Mesh模式與PMP模式通信Mesh模式與

PMP模式PMP模式

圖2.9編隊全自主飛行流程

現(xiàn)在設(shè)計PMP通信模式與Mesh網(wǎng)絡(luò)通信模式的切換算法，對于PMP通信模式，定義

第i個從節(jié)點與主節(jié)點機的通信質(zhì)量為功o其計算方法如式(2.2)。

乙F乙jfiqjXljXTj)

外一根一(2.2)

Jj

式中。表示當前時刻，7；代表時間間隔，”代表從節(jié)點i與主節(jié)點機之間共有幾個數(shù)

據(jù)包，為代表第/個數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)，4代表在時間間隔匕4+7；］段，該包字節(jié)是否需

要發(fā)送，如果需要乙=1,否則4=0。力為該包字節(jié)的發(fā)送頻率，5代表在時間間隔

［*4+7；］段，從節(jié)點是否接受到對應(yīng)的數(shù)據(jù)包，若接收到。=1,否則。=0。顯然有

^me[0,l]o

在Mesh網(wǎng)絡(luò)通信模式，其網(wǎng)絡(luò)拓撲圖中無中心主節(jié)點，當前節(jié)點只需要與鄰居進行通

信。定義第i個節(jié)點與鄰居節(jié)點集合N={%wV,(4，%)wE}的通信質(zhì)量為。其計算

方法如式(2.3)。

、0xpxl

c_Jt=tc--=1k-s_C(CC、LZ/O

其中。代表在編隊協(xié)同飛行階段，無人機節(jié)點協(xié)同控制需要接到的數(shù)據(jù)包，(代表這

包數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率，/代表該包數(shù)據(jù)是否被接收到，若接收到/=1,否則/=0。左代表該

節(jié)點的鄰居節(jié)點Ni的個數(shù)。顯然9cM2°。

以無人機1為例,設(shè)計切換邏輯。在PMP模式中，記節(jié)點A與4的通信質(zhì)量為。

在Mesh網(wǎng)絡(luò)模式中，接節(jié)點片與鄰居節(jié)點的通信質(zhì)量為彳耳一以。圖2.10為兩種通信切換

邏輯圖。

圖2.10兩種通信切換邏輯圖

經(jīng)過多組測試結(jié)果表明，當3機編隊整體距離地面站小于5公里時，有79%的時間是

選擇Mesh組網(wǎng)通信模式，僅21%的時間為PMP通信模式。當距離大于5公里時，幾乎所

有的時間都是選擇Mesh組網(wǎng)通信模式。分析其原因主要有：

(1)Mesh通信模式主要為編隊協(xié)同服務(wù)，不需要額外的監(jiān)視數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)包字節(jié)相對

比PMP的要少。

(2)M