一种飞行器自主编队支撑网络的分布式边界决策协议的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种飞行器自主编队支撑网络的分布式边界决策协议，属于网络边界的一种网络特征认知协议【技术领域】。本发明考虑到编队的可扩展性、实时性和编队网络的Ad?hoc特点，本发明中的边界决策协议的设计是分布式的，并且有合理判断凹边界的能力，并未假设较高的网络节点密度和节点均匀性，网络边界的确定取决于连接认定距离。本发明在确定凸边界的基础上，基于扩展消息扩展得到凹边界，充分考虑了实现扩展过程中节点间各式各样的连接的复杂情况：扩展共线现象、扩展交叉现象和扩展共点现象。本发明使每个节点分布式地确定了自己的状态，尤其对大规模Ad?hoc网络凹边界的分布式决策具有明显的优势，减弱了协议对节点的要求。
【专利说明】一种飞行器自主编队支撑网络的分布式边界决策协议
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种飞行器自主编队支撑网络的分布式边界决策协议，属于飞行控制【技术领域】，具体涉及一种适用于飞行器在分布式自主编队支撑网络下，节点判断自身是否属于网络边界的一种网络特征认知协议。
【背景技术】
[0002]近年来，许多国家投入大量的人力物力于飞行器的自主编队飞行的研究中，高密集飞行器编队在执行各种飞行任务中又存在很大的优势，密集编队的协同飞行和队形变化中节点间防碰撞问题是该领域研究的一个重点。编队作为一个网络整体，其中的节点除了具有自身的特征(如节点的机动性能、位置、姿态角、飞行速度、机载设备重要程度等)之外，还具有网络所带来的个体相对于整体的特征，如个体在编队中的重要性(节点的机载设备在编队中的稀缺程度等)、个体在编队中的相对位置等。另外网络本身还具有网络诱导时延、信息更新率等整体特征信息，这些信息的获取均属于网络特征认知协议的范畴，可以预见网络特征认知协议在一定程度上是具有任务依赖性的，即编队所需要的认知协议的种类和功能往往随着编队具体上层任务的不同而不同。
【发明内容】
[0003]本发明提供一种飞行器自主编队支撑网络的分布式边界决策协议，包括如下步骤:
[0004]第一步，扩展点的确定；
[0005]节点Si收到来自邻居节点的扩展消息，为了确定下一个扩展节点，即向谁继续传递该扩展消息，节点Si将比较角度Qj=ZEiiiOEiPje {Ν( ε db)_ ε J，选择ε i+1=arg min{ θ,即令角度最小的节点为下一扩展节点,该最小角度Φ= Z EiiiOEi^1)称为扩展角；然后节点Si向节点ei+1发送扩展消息并更新自己的状态为边界节点；
[0006]第二步，凸边界决策；
[0007]所述的凸边界决策是指每个节点根据连接认定距离db收集周围节点的信息，分布式地判断自身是否是凸节点，进而确定出由凸节点组成的凸边界，具体为:
[0008]用N(ei，db)表 示节点的以连接认定距离db为半径的邻居节点的集合，SP
V Ei e N(￡i，dh)，有du ( db ;首先节点ε i收集集合Ν( ε i； db)的角度信息或位置信息；然
后任意选择一条基准边Ey求出以Eu为始边、Eij为终边的逆时针角度Θ j= Z EkEij，其中j e {Ν( ε j, db) - ε J ;最后计算决策量:
[0009]Δ Θ j = min { Θ j U 2 π | π < θ j ^ 2 π } -max { θ』U O | O < θ』< ji } (I)
[0010]如果Λ θ,π则称节点Si是凸节点；其中在式(I)中当Ji < Θ」≤2ji时使Θ j U 2 Ji取得最小值的节点ε j称为节点ε j的左邻居；当O≤Θ j ^ Ji时使Θ ^ U O取得最大值的节点％_称为节点Si的右邻居；对于整个网络，所有的凸节点最终形成网络的凸边界；[0011]第二步，凹边界决策；
[0012]所述的凹边界决策是指分布式地由每一个凸节点开始进行边界扩展，向扩展节点发送扩展消息，使相邻的凸节点连接成整个凹边界，具体如下:
[0013]在扩展过程中如果某个节点收到扩展消息，那么它将决策为被扩展的边界节点，进行边界扩展；当某节点断定满足停止条件时，该条边界扩展结束。
[0014]本发明的优点在于:
[0015](1)考虑到编队的可扩展性、实时性和编队网络的Ad hoc特点，本发明中的边界决策协议的设计是分布式的，并且有合理判断凹边界的能力，并未假设较高的网络节点密度和节点均匀性，网络边界的确定取决于连接认定距离。
[0016](2)本发明在确定凸边界的基础上，基于扩展消息扩展得到凹边界，充分考虑了实现扩展过程中节点间各式各样的连接的复杂情况:扩展共线现象、扩展交叉现象和扩展共点现象。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1A和图1B为本发明中连接认定距离的大小与边界的形成示意图；
[0018]图2A~D:本发明中分布式边界决策协议总体流程示意图；
[0019]图3:本发明中边界扩展总流程示意图；
[0020]图4:本发明中扩展共线现象和扩展停止条件示意图；
[0021]图5A~C:本发明中扩展共点现象和扩展停止条件示意图；
[0022]图6:本发明中扩展交叉现象及其分解示意图；
[0023]图7:本发明中分布式边界决策协议仿真图；
【具体实施方式】
[0024]下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0025]本发明首先给出几个定义:
[0026]1、网络特征认知协议，是指通过网络使网络中的个体对整体的特征、参数、自身在整体中的地位等信息具有统一认识的一簇协议。例如网络健康状态(连通性、丢包率、时延和更新率等)在线估计协议。
[0027]2、分布式边界决策协议，飞行器自主编队时，节点间的防碰撞问题需要节点作边界决策，边界决策协议即编队中的节点判断自身是否属于网络边界的一种网络特征认知协议。
[0028]在二维平面内，以图G=(E，ε )表示网络的拓扑结构，E为边集，Eij表示节点^与节点ε j的边；ε为节点集Mij表示节点ε ^与节点ε」的距离；db是节点ε ^与节点ε j的连接认定距离；当Clij≤db时，Eij=I,表示节点ε j与节点ε」之间有边；当(IijMb时，Eij=O时表示节点Si与节点^之间没有边。网络的边界是图G的边界点的集合B (G，db)，它具有这样的性质:所有属于B(G，db)的点的边围成一个封闭多边形，使其余的点都在该多边形内。此处连接认定距离是指两节点之间可以连接成边所要求的最小距离，显然网络的边界与网络的拓扑结构和连接认定距离的选择有关，如图1A，较大的连接认定距离db使边界的边数较小，并倾向于凸边界；如图1B，较小的连接认定距离db使边界的边数较多，并倾向于凹边界。连接认定距离db的选择取决于具体上层应用对边界特性的需求，如在研究网络通信的时候可以取为通信半径。
[0029]由以上的分析并考虑到编队的可扩展性、实时性和编队网络的Ad hoc特点，边界决策协议的设计应该是分布式的，并且有判断凹边界的能力。现阶段凹边界决策(或叫凹边界搜索、凹边界识别)大部分研究成果是集中式的，另外有一些文献虽然提出了分布式的凹边界决策算法，但是它们都假设较高的网络节点密度和节点均匀性，而本发明研究的网络边界取决于连接认定距离db，连接认定距离db是一个可变参数，网络节点密度和节点均匀性都是相对的，所以这些假设是不适用的。针对这个问题，本发明提出一种基于扩展消息的分布式边界决策协议，能很好的根据连接认定距离db分布式地决策出飞行器自主编队支撑网络的凹边界。
[0030]本发明提出的一种飞行器自主编队支撑网络的分布式边界决策协议，总体流程如图2A~2D所示，包括以下几个步骤:
[0031]步骤一:凸边界决策。
[0032]每个节点根据连接认定距离db收集周围节点的信息，分布式地判断自身是否是凸节点(图2A)，进而确定出由凸节点组成的凸边界(图2B)。
[0033]用Ν( ε ” db)表示节点ε i的以连接认定距离db为半径的邻居节点的集合，即
VHjG N丨q，db)，有Clij≤db。凸边界的决策，如图2中A~B所示，首先节点81收集集合
Ν( ε ” db)的角度信息或位置信息(位置信息在本协议中并不是必要的，但在无法获得角度信息的时候，角度可以由位置解算);然后任意选择一条基准边Eu(节点Si与节点L形成的边)，求出以Eir为始边、Eij为终边的逆时针角度Qj= z EirEij，其中j e {Ν( ε i； db) - ε r}；最后计算决策量:
[0034]Δ Θ j = min { Θ j U 2 π | π < Θ j ^ 2 π } -max { θ』U O | O < θ』< ji } (I) [0035]如果Λ θ P Ji则称节点ε ,是凸节点。其中在式⑴中当Ji < Θ」≤2 Ji时使Θ j U 2 Ji取得最小值的节点ε j称为节点ε j的左邻居；当O≤Θ j ^ Ji时使Θ ^ U O取得最大值的节点％_称为节点^的右邻居。对于整个网络，所有的凸节点最终形成网络的凸边界。
[0036]步骤二:凹边界决策。
[0037]分布式地由每一个凸节点开始进行边界扩展，向特定节点发送扩展消息(图2D)，使相邻的凸节点连接成整个凹边界(图2C)。
[0038]凸边界并不是完整的网络边界，为了获得期望的凹边界，本协议以凸节点为基础，分别令其向左(右)邻居分布式地发送左(右)扩展消息并依次传递，这个过程称为左(右)边界扩展，以下在没有特殊说明时均以左扩展为例，右扩展同理，如图2D~2C，在扩展过程中如果某个节点收到扩展消息，那么它将决策为被扩展的边界节点。当某节点断定满足停止条件时，该条扩展结束。边界扩展这个看似简单的过程在实际的实现过程中由于节点间各式各样的连接情况而变得十分复杂，主要表现为:扩展共线现象、扩展交叉现象和扩展共点现象。
[0039]其中边界扩展总流程如图3所示，具体方法如下:
[0040](I)扩展点的确定；
[0041]如图2D，节点Si收到来自邻居节点ε η的扩展消息，为了确定下一个扩展节点，即向谁继续传递该扩展消息，节点ε j将比较角度Θ j= Z Ei(H)Eij, j e {Ν( ε db)_ ε J，选择ε i+1=arg min{ θ,即令角度最小的节点为下一扩展节点,该最小角度Φ= Z:Ei(H)Eiiw)称为扩展角。然后节点Si向节点ei+1发送扩展消息并更新自己的状态为边界节点。最终所有的凸边界节点和被扩展边界节点形成完整的网络边界。
[0042]如图3所示，如果收到扩展消息的节点有共线现象，则找出退出扩展节点使其退出扩展；否则判断是否为遗弃点，如果是遗弃点，则继续进行扩展交叉判断，如果有交叉，则交换扩展点和被扩展点后更新并传递扩展消息；否则，计算扩展点和扩展角并更新状态，判断停止条件，选择停止扩展或者更新并传递扩展消息。
[0043]所述的扩展共线现象:
[0044]扩展共线现象如图4所示，图中A、B、C、D、E均为网络内节点，当某一边界节点(凸节点或被扩展边界节点)在计算下一扩展节点的时候，有多个节点的扩展角同时获得最小值，如图4中节点C和节点B的扩展角相同且均最小，但是如果向节点C传递扩展消息则会得到不期望的结果，因此当节点A可以获知节点C、节点B的位置信息的时候将选择距离最近的节点B为扩展节点，当节点A只有角度信息的时候将同时给节点C、节点B发送扩展消息并把决定权留给节点C、节点B，因为共线的节点C (B)可以仅依据角度信息判断自身是否仅在边界节点A和另一扩展节点B (C)之间，最终节点B将继续传递扩展消息，节点C则退出扩展(不更新状态)。
[0045]所述的扩展共点现象:
[0046]扩展共点现象如图5A~4C所示，包括内边界共点(图5A)和内外边界共点(图5B)，此时会有两条扩展经过公共点，如果终止条件简单的设计为(a)某节点在一个通信周期内收到左右两条扩展消息；(b)收到扩展消息的节点是边界节点。那么在公共点处扩展有可能意外停止。为了解决这个现象，在终止条件的设计上引入了扩展角Φ，得边界扩展的终止条件为:
[0047]条件1:如果节点ε i是边界节点且节点ε i的扩展角Φ> π，则扩展停止。(图5C中的节点Α)。考虑到扩展是从左右两个方向进行的，并且在公共点处不同的左(右)扩展方向是相反的，因此有:
[0048]条件2:如果节点Ei (如图5C中的节点I)的左(右)扩展点是ε i+1 (如图5C中的节点H)，并且节点Si收到了来自ei+1的右(左)扩展消息，那么节点的扩展停止。
[0049]所述的扩展交叉现象:
[0050]扩展交叉现象是当一条扩展路径在扩展的过程中与其之前扩展过的路径相交时所引起的不期望扩展现象。如图6A是一个复杂的扩展交叉现象，当节点A进行扩展时，按照扩展点的选择原则，将是A-B-E--F-D (其中的虚线代表经过一系列扩展点)，即BE和FD发生了交叉。
[0051 ] 这种交叉现象可以提取出一个基本模式，如图6B，扩展过程中CA和DB相交于一个虚拟点S，节点C和节点D没有连接(否则节点C将扩展节点D)，节点A和节点D之间的扩展节点数不定，下面考察节点A和节点B、节点B和节点C之间的连接情况:
[0052]...CS+DS>CD>db 且 AC+BD ( 2db
[0053]...AS+BS〈db
[0054]...AS+BS>AB[0055]...AB〈db
[0056]因此有(a)节点A和节点B肯定有连接；(b)同理，如果节点B和节点C没有连接，那么节点A和节点D肯定有连接(即节点A和节点D之间没有其它扩展节点)。所以可以把基本的交叉模式分解为两种子模式:模式-1和模式_2，如图6C和图6 D，模式-1是A和D之间没有连接而B和C之间有连接的情况，模式-2为A和D之间有连接而B和C之间没
有连接的情况，这两种模式的判断算法设计如下:
[0057]
【权利要求】
1.一种飞行器自主编队支撑网络的分布式边界决策协议，其特征在于:所述的分布式边界决策协议包括如下步骤: 第一步，扩展点的确定； 节点Si收到来自 邻居节点Sp1的扩展消息，为了确定下一个扩展节点，即向谁继续传递该扩展消息，节点ε j将比较角度Θ j= Z Ei(^1)Eij, j e {Ν( ε j, db)_ ε r}，选择ε i+1=argmin{ Θ j}，即令角度最小的节点为下一扩展节点，该最小角度Φ= Z Ei(^1)Ei(i+1)称为扩展角；然后节点Si向节点ei+1发送扩展消息并更新自己的状态为边界节点； 第二步，凸边界决策； 所述的凸边界决策是指每个节点根据连接认定距离db收集周围节点的信息，分布式地判断自身是否是凸节点，进而确定出由凸节点组成的凸边界，具体为: 用N(ei，db)表示节点的以连接认定距离db为半径的邻居节点的集合，即VsjGN(Ei5Cib)jW Clij ( db ;首先节点ε i收集集合Ν( ε i； db)的角度信息或位置信息；然后任意选择一条基准边Ey求出以Eu为始边、Eij为终边的逆时针角度Θ j= Z EkEij，其中j e {Ν( ε j, db) - ε J ;最后计算决策量:
Δ Θ j = min { Θ j U 2 π | π < θ j ^ 2 π } -max { θ』U O | O < θ』< ji }(I) 如果Λ θ 则称节点^是凸节点；其中在式(I)中当时使Θ」υ2π取得最小值的节点ε j称为节点ε i的左邻居；当O < Θ ^ < Ji时使叫U O取得最大值的节点ε j称为节点ε i的右邻居；对于整个网络，所有的凸节点最终形成网络的凸边界；第三步，凹边界决策； 所述的凹边界决策是指分布式地由每一个凸节点开始进行边界扩展，向扩展节点发送扩展消息，使相邻的凸节点连接成整个凹边界，具体如下: 在扩展过程中如果某个节点收到扩展消息，那么它将决策为被扩展的边界节点，进行边界扩展；当某节点断定满足停止条件时，该条边界扩展结束。
2.根据权利要求1所述的一种飞行器自主编队支撑网络的分布式边界决策协议，其特征在于:所述的边界扩展，当某一边界节点A在计算下一扩展节点B的时候,有多个节点的扩展角同时获得最小值，称为扩展共线现象，共线的节点依据角度信息判断自身是否仅在边界节点A和另一节点C之间，最终扩展节点B将继续传递扩展消息，节点C则退出扩展； 当两条扩展经过公共点，称为扩展共点现象，边界扩展的终止条件为: 条件1:如果节点ε i是边界节点且节点ε i的扩展角Φ> π，则扩展停止； 条件2:如果节点Si的左扩展点是ei+1，并且节点Si收到了来自ei+1的右扩展消息，那么节点ε i的扩展停止； 当一条扩展路径在扩展的过程中与其之前扩展过的路径相交时所引起的不期望扩展现象称为扩展交叉现象。
【文档编号】H04W80/00GK103763723SQ201410008459
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月8日 优先权日:2014年1月8日
【发明者】吴森堂, 贾翔, 杜阳 申请人:北京航空航天大学