多无人机协同编队中的通信拓扑容错优化方法及装置与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种多无人机协同编队中的通信拓扑容错优化方法及装置。

背景技术：

在起飞巡航阶段，所有无人机(uav)通常通过点对点的通信链接(communicationlinks)进行信息交互，以形成一定的编队队形(formationshape或者formationgeometry)，并保持此编队队形继续朝目标区域飞行。其中所使用的通信链接被称为多无人机协同编队的信息交互拓扑(informationexchangetopology)、通信拓扑(communicationtopology)、连接拓扑(connectiontopology)、信息结构(informationstructure)或者信息拓扑(informationtopology)，它们只是uav之间所有可用的通信链接集合中的一部分。为了统一表述，下文采用“通信拓扑”这一名称。同时，将uav之间所有可用的通信链接的集合称为多无人机协同编队的编队通信图(formationcommunicationgraph)。

由于通信拓扑中任何两位置uav之间的通信距离不同，导致通信拓扑中不同uav之间通信链接具有不同的通信代价并会消耗uav相应的电池电量或燃料。实际应用中，两个uav之间通信链接的通信代价受到很多因素影响，例如，任务要求、通信距离、飞行性能、安全性等。为简化说明，上述通信代价直接采用通信距离来表示。

同时，每架uav可用的电池电量或燃料又是有限的。此外，编队飞行过程中某个或多个uav可能会发生通信故障，使得当前通信拓扑中的某些通信链接不能够被使用，从而导致uav不能继续保持编队队形，严重时甚至会导致uav碰撞事故。因此，如何通过优化多无人机协同编队的通信拓扑，以避免发生uav碰撞事故并恢复队形，同时使得此多无人机协同编队在继续保持队形过程中的编队通信代价最小成为了亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种多无人机协同编队中的通信拓扑容错优化方法及装置，用于在多无人机组成的三维持久编队出现通信故障之后优化此三维持久编队的通信拓扑，以避免发生无人机碰撞事故并恢复队形，同时使得此三维持久编队在继续保持队形过程中的编队通信代价最小。

第一方面，本发明实施例提供了一种多无人机协同编队中的通信拓扑容错优化方法，所述方法包括：

s1、根据多无人机协同编队需要组成的三维持久编队的队形获取编队通信图；

s2、当所述多无人机协同编队发生通信故障时，根据所述通信故障的类型在所述编队通信图中删除通信故障弧或通信故障节点以获取第一重构编队通信图；

s3、根据通信拓扑重构算法获取所述第一重构编队通信图对应的三维最优持久图，即为第一最优重构通信拓扑；

s4、根据所述第一最优重构通信拓扑、多无人机协同编队的每个位置配置和所述通信拓扑重构算法获取满足预设条件n＞|v|！的第二最优重构通信拓扑即为所述多无人机协同编队的重优化通信拓扑；

所述位置配置是指多无人机协同编队中各架无人机在编队队形中的位置；通信故障发生之前的位置配置为第一位置配置pr；|v|表示多无人机协同编队中无人机的数量；n取1、2、……、|v|！。

第二方面，本发明实施例提供了一种多无人机协同编队中的通信拓扑容错优化装置，其特征在于，所述装置包括：

编队通信图获取模块，用于根据多无人机协同编队需要组成的三维持久编队的队形获取编队通信图；

第一重构编队通信图获取模块，用于在所述多无人机协同编队发生通信故障时，根据所述通信故障的类型在所述编队通信图中删除通信故障弧或通信故障节点以获取第一重构编队通信图；

第一最优重构通信拓扑获取模块，用于根据通信拓扑重构算法获取所述第一重构编队通信图对应的三维最优持久图，即为第一最优重构通信拓扑；

重优化通信拓扑获取模块，用于根据所述第一最优重构通信拓扑、多无人机协同编队的每个位置配置和所述通信拓扑重构算法获取满足预设条件n＞|v|！的第二最优重构通信拓扑即为所述多无人机协同编队的重优化通信拓扑；

所述位置配置是指多无人机协同编队中各架无人机在编队队形中的位置；通信故障发生之前的位置配置为第一位置配置pr；|v|表示多无人机协同编队中无人机的数量；n取1、2、……、|v|！。

由上述技术方案可知，本发明能够在多无人机组成的三维持久编队发生通信故障之后，优化此三维持久编队的通信拓扑，以避免发生无人机碰撞事故并恢复编队队形，同时使得此三维持久编队在继续保持队形过程中的编队通信代价最小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的多无人机协同编队中的通信拓扑容错优化方法的流程示意图；

图2(a)～(b)是本发明实施例中5架无人机组成的三维持久编队的队形以及相对位置示意图；无人机uav1、uav2、uav3、uav4和uav5分别在队形的1号、2号、3号、4号和5号位置；

图3为本发明实施例提供的上述多无人机协同编队无通信故障时的最优通信拓扑示意图；

图4(a)～(b)是上述多无人机协同编队中的uav2发生单播发射机故障时采用图1方法获取该多无人机协同编队的重优化通信拓扑的主要过程示意图；

图5是本发明实施例提供的多无人机协同编队中的通信拓扑容错优化装置框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一实施例提供的一种多无人机协同编队中的通信拓扑容错优化方法，所述方法包括：

s1、根据多无人机协同编队需要组成的三维持久编队的队形获取编队通信图。

多无人机组成的三维持久编队的编队控制方法是一种基于距离的编队控制方法，其基本思想是：编队中的一架或多架无人机作为编队领航者(formationleader)按照预定的编队参考航迹飞行，其余的无人机在飞行过程需要同时保持与另外3架无人机之间的距离恒定，从而实现对三维空间的编队队形的保持。

假设n架无人机(uav)需要使用三维持久编队的编队控制方法来形成和保持一个三维空间的编队队形s，s中的n个位置分别编号为{1,2,…,n}，所有的uav都可以作为编队领航者，每架uav可以通过点对点通信链接和其它任意uav进行信息交互，每个通信链接的通信代价由其相应的通信距离决定。因此，可以用一个赋权有向图d＝(v,a,w,p)来表示编队中uav之间所有可用的通信链接，并简称为编队通信图：

(1)v＝{vi},1≤i≤n是图中的节点集合，其中vi表示第i架无人机uavi。

(2)是图中的弧集合，其中aij表示从uavi到uavj有一个可用的通信链接从而使得uavi能发送信息给uavj。

(3)w＝{w(aij)},aij∈a是图中每条弧的权值集合，其中w(aij)表示aij的通信代价。

(4)p＝{pi},1≤i≤n是每架无人机在编队队形s的具体位置集合，其中将编队队形s中的n个位置分别编号为{1,2,...,n}，则1≤pi≤n表示uavi在s中的具体位置。

根据前面的描述可知，多无人机组成的三维持久编队中的每架无人机最多只需要从其它3架无人机接收信息，这意味着不需要使用所有可用的通信链接就可以实现编队队形的形成和保持。因此，多无人机组成的三维持久编队的通信拓扑t＝(v,a^*,w^*,p)是其编队通信图d＝(v,a,w,p)的一个特殊子图，其中令w(t)表示通信拓扑t对应的编队通信代价，即有多无人机组成的三维持久编队的通信拓扑t具有如下特性。

定理1:多无人机组成的三维持久编队的通信拓扑t必须是其编队通信图d的一个三维持久图；反之亦然。

s2、当所述多无人机协同编队发生通信故障时，根据所述通信故障的类型在所述编队通信图中删除通信故障弧或通信故障节点以获取第一重构编队通信图。

实际应用中，通信故障发生之后，对多无人机协同编队的通信拓扑的容错优化应尽量是分布式的以获得更短的执行时间，并且所有uav的计算结果必须保持一致，因此所有uav必须及时地获知到同样的通信故障信息。为此，基于现有技术中的方法，假设每个uav都能使用一个广播通信信道bc来获得同样的通信故障信息：(1)每个uav都有一个单播发射机和一个单播接收机以进行点对点通信，每个uav都有一个广播发射机和一个广播接收机以通过bc进行广播通信。(2)每个uav每隔tactive秒会通过bc上报其状态。(3)当一个uav检测到某个通信故障时，它会立即通过bc通知其他uav。

除了现有技术中考虑的四种通信故障外，还考虑另外两种通信故障：广播发射机故障和广播接收机故障。所有六种通信故障类型如表1所示。

表1

当所述多无人机协同编队发生通信故障时，本发明实施例采用以下通信故障诊断策略来获取所述通信故障的类型：

(1)当uavi发生单播发射机故障、单播接收机故障、单播收发机故障或者广播接收机故障中的任何一种通信故障时，uavi自身能够检测到此通信故障，uavi将记录下此通信故障发生时的时间戳并通过bc将此通信故障和相应的时间戳信息通知其他uav。

(2)当uavi发生广播发射机故障时，uavi自身能够检测到此通信故障但不能通过bc通知其他uav，tactive秒之后，其他uav由于不能收到uavi上报的状态将判定uavi出现了广播发射机故障，并记录下此通信故障发生时的时间戳。

(3)当从uavi到uavj的通信链接出现链接中断并且编队保持队形过程中uavi需要发送信息给uavj，tactive秒之后，如果uavj自身没有发生单播接收机故障并且没有通过bc收到uavi的单播发射机故障信息，uavj将判定从uavi到uavj的通信链接出现了链接中断，然后uavj将记录此通信故障的时间戳，然后通过bc此通信故障和相应的时间戳信息通知其他uav。

基于上述的通信故障诊断策略，每个uav能够及时地获得通信故障的信息，然后每个uav可以根据所述通信故障的类型在编队通信图中删除通信故障弧或通信故障节点以获取第一重构编队通信图，具体包括：

若所述通信故障的类型为无人机的单播发射机故障，则删除所述编队通信图中该无人机对应节点的所有出弧；

若所述通信故障的类型为无人机的单播接收机故障，则删除所述编队通信图中该无人机对应节点的所有入弧；

若所述通信故障的类型为无人机的单播收发机故障、广播发射机故障或者广播接收机故障，则删除所述编队通信图中该无人机对应节点的所有入弧和出弧以及该节点；

或者，

若通信故障的类型为任意两无人机之间的链接中断，则删除所述编队通信图中该链接对应的弧；

在所述编队通信图中，若某个无人机的对应节点被删除或该节点的所有弧被删除，则所述无人机退出编队并独自返回机场。

s3、根据通信拓扑重构算法获取所述第一重构编队通信图对应的三维最优持久图，即为第一最优重构通信拓扑。

为了计算第一重构编队通信图dr＝(vr,ar,wr,pr)的三维最优持久图可以采用以下方案：先将第一重构编队通信图dr转换成赋权无向图gr；然后计算gr的三维最优刚性图rr；最后计算rr的三维最优持久图tr。如表2所示，本发明实施例中采用通信拓扑重构算法获取多无人机协同编队的第一最优重构通信拓扑。当通信故障发生时每个uav将会执行表2所示算法。以uavi为例，当uavi通过bc从其他uav接收到一个通信故障通知或者检测到自身发生通信故障时，运行此算法后得到第一最优重构通信拓扑tr。当每个uav执行此算法后，将切换到tr以确保uav的安全并快速恢复编队队形。

表2

需要说明的是，表2所提供算法的step2中使用的是现有技术中的三维最优刚性图生成算法，其基本步骤如表3所示，时间复杂度约为o(20×|v|⁴)。

表3

同时需要说明的是，表2所提供算法的step5、step7和step9中的最小树形图(minimumcostarborescence，mca)指的是一个赋权有向图的最小生成树，此处使用的是gabow等人提出的最小树形图生成算法，其计算复杂度为o(|a|+|v|×log|v|)。

表2所示算法的时间复杂度主要由step2、step5、step7和step9决定，由于step2的时间复杂度约为o(20×|vr|⁴)，step5、step7和step9的时间复杂度都约为o(|ar|+|vr|×log|vr|)，所以表2所提供算法的时间复杂度约为o(20×|vr|⁴+3×(|ar|+|vr|×log|vr|))。

s4、根据所述第一最优重构通信拓扑、多无人机协同编队的每个位置配置和所述通信拓扑重构算法获取满足预设条件n＞|v|！的第二最优重构通信拓扑即为所述多无人机协同编队的重优化通信拓扑。

实际应用中，多无人机协同编队的飞行速度比较快，首先应该保证该多无人机协同编队中的无人机之间不发生碰撞事故以保证所有无人机的安全。因此，当有无人机发生通信故障时，该多无人机协同编队以步骤s3的第一最优重构通信拓扑进行飞行。

可理解的是，上述第一最优重构通信拓扑可以保证多无人机协同编队安全飞行，但是此时无法保证多无人机协同编队的编队通信代价最小。

为此，本发明实施例提供了一种基于uav位置交换(交换uav在编队队形中的位置或者令某个uav去填补另外一个退出编队的uav所留下的空位)的多无人机协同编队的通信拓扑重优化算法，该算法的思路包括：首先针对每个uav位置配置pn，构建对应满足“故障约束”的重构编队通信图dn；然后求解dn的三维最优持久图tn；最后从所有tn中选择出编队通信代价最小的to作为此编队的重优化通信拓扑。

此算法运行在编队中每个剩余的uav中，当所有剩余的uav运行完此算法后，将切换到重优化通信拓扑to以继续保持编队队形飞行。以uavi为例，此算法的基本步骤如表4所示。

表4

表4所示算法的step3中，每种可行的uav位置配置pn一定是|v|个元素的排列，其中的|v|个元素分别代表编队队形中的不同位置，分别是1、2、…、|v|。因此，所有可行的pn的总数是|v|！(符号！表示阶乘)。表4所示算法的step6中，uav位置交换所需要的某个uav的移动距离是该uav在编队队形中的原有位置和新位置之间的欧式距离。

表4所示算法的核心步骤是step4，而step4的具体步骤和表2所示算法相同，所以此算法的step4的时间复杂度约为：o(20×|vr|⁴+3×(|ar|+|vr|×log|vr|))。同时，从此表4中step2可以看出，step4最多会运行|v|！次。因此，此算法的时间复杂度约为o((20×|vr|⁴+3×(|ar|+|vr|×log|vr|))×|v|！)。又由于|vr|≤|v|和|ar|≤|v|×(|v|-1)，所以此算法的时间复杂度的上界为o((20×|v|⁴+3×(|v|²-|v|+|v|×log|v|))×|v|！)。

假设一个三维持久编队由5架无人机(uav1、uav2、uav3、uav4和uav5)组成，其中每架无人机都可以作为编队的领航者。它们需要形成并保持一个如图2(a)所示的三维空间队形，其中的所有位置分别编号为{1,2,3,4,5}，uav1、uav2、uav3、uav4和uav5分别在队形的1号、2号、3号、4号和5号位置；如果以队形中的4号位置作为平面坐标系的原点，则该多无人机协同编队的队形中的每个位置的坐标如图2(b)所示。当无通信故障时，该多无人机协同编队使用如图3所示的最优通信拓扑来形成并保持此队形，其中uav1作为该多无人机协同编队的领航者。

当uav2发生单播发射机故障时，导致编队之前使用的通信拓扑(如图3所示)中的通信链接a24(从uav2到uav4的通信链接)和a25(从uav2到uav5的通信链接)不能再被使用。因此，首先删除当前编队通信图d＝(v,a,w,p)中v2的所有出弧得到第一重构编队通信图dr＝(vr,ar,wr,pr)；然后根据表2提供的通信拓扑重构算法获取所述第一重构编队通信图对应的第一最优重构通信拓扑，得到的第一最优重构通信拓扑如图4(a)所示，uav2不再使用通信链接a24和a25发送信息，而只使用通信链接a12(从uav1到uav2的通信链接)、a32(从uav3到uav2的通信链接)和a42(从uav4到uav2的通信链接)接收信息，对应的编队通信代价为9072；再根据表4提供的通信拓扑重优化算法获取此多无人机协同编队的重优化通信拓扑，得到的重优化通信拓扑如图4(b)所示，其中uav2和uav4在编队队形中的位置进行了交换，编队通信代价从之前的9072降低为8640。

第二方面，本发明实施例还提供了一种多无人机协同编队中的通信拓扑容错优化装置，如图5所示，所述装置包括：

编队通信图获取模块m1，用于根据多无人机协同编队需要组成的三维持久编队的队形获取编队通信图；

第一重构编队通信图获取模块m2，用于在所述多无人机协同编队发生通信故障时，根据所述通信故障的类型在所述编队通信图中删除通信故障弧或通信故障节点以获取第一重构编队通信图；

第一最优重构通信拓扑获取模块m3，用于根据通信拓扑重构算法获取所述第一重构编队通信图对应的三维最优持久图，即为第一最优重构通信拓扑；

重优化通信拓扑获取模块m4，用于根据所述第一最优重构通信拓扑、多无人机协同编队的每个位置配置和所述通信拓扑重构算法获取满足预设条件n＞|v|！的第二最优重构通信拓扑即为所述多无人机协同编队的重优化通信拓扑；

所述位置配置是指多无人机协同编队中各架无人机在编队队形中的位置；通信故障发生之前的位置配置为第一位置配置pr；|v|表示多无人机协同编队中无人机的数量；n取1、2、……、|v|！。

可选地，所述重优化通信拓扑获取模块用于执行以下步骤包括：

s41、将所述重优化通信拓扑to初始化为所述第一最优重构通信拓扑tr，将重优化位置配置po初始化为所述第一位置配置pr；第二最优重构通信拓对应的位置配置为第二位置配置pn，并将符号n初始化为1；

s42、根据第二位置配置pn构建满足故障约束条件的第二重构编队通信图；

s43、根据所述第二重构编队通信图和所述通信拓扑重构算法计算出所述第二位置配置pn对应的三维最优持久图，即为第二最优重构通信拓扑tn；

s44、计算所述第二最优重构通信拓扑的权重值，若该权重值小于所述重优化通信拓扑的权重值，则将所述重优化通信拓扑to更新为所述第二最优重构通信拓扑，将所述重优化位置配置po更新为所述第二位置配置pn；

s45、若该权重值等于所述重优化通信拓扑to的权重值，则计算从第一位置配置pr切换到所述第二位置配置pn的uav移动距离之和，若该uav移动距离之和小于从第一位置配置pr切换到所述重优化位置配置po的uav移动距离之和，则将重优化通信拓扑to更新为所述第二最优重构通信拓扑tn，将重优化位置配置po更新为所述第二位置配置pn；

s46、将所述符号n的值增加1，判断n是否满足预设条件n＞|v|！，若不满足转到步骤s42。

可选地，所述第一重构编队通信图获取模块用于执行以下步骤包括：

若所述通信故障的类型为无人机的单播发射机故障，则删除所述编队通信图中该无人机对应节点的所有出弧；

若所述通信故障的类型为无人机的单播接收机故障，则删除所述编队通信图中该无人机对应节点的所有入弧；

若所述通信故障的类型为无人机的单播收发机故障、广播发射机故障或者广播接收机故障，则删除所述编队通信图中该无人机对应节点的所有入弧和出弧以及该节点；

或者，

若通信故障的类型为任意两无人机之间的链接中断，则删除所述编队通信图中该链接对应的弧；

在所述编队通信图中，若某个无人机的对应节点被删除或该节点的所有弧被删除，则所述无人机退出编队并独自返回机场。

可选地，所述第一最优重构通信拓扑获取模块用于执行以下步骤包括：

计算所述第一重构编队通信图的三维最优刚性图；

将所述三维最优刚性图中每条边转换成属于所述第一重构编队通信图的一条弧或者两条权值相同但方向相反的弧得到第一有向图；

在所述第一有向图中增加一个虚拟领航者节点和所述虚拟领航者节点到所述第一有向图中每个节点的出弧得到第二有向图；所述虚拟领航者节点与所述第一有向图中每个节点之间设置有三条出弧，并且所述虚拟领航者节点的每条出弧的权值相同并大于所述第一有向图中全部弧的权值之和；

获取所述第二有向图的第一最小树形图，并删除所述第一最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第三有向图t1；

删除所述第二有向图中对应所述第一最小树形图中所有弧及其对应的反向弧得到第四有向图；

获取所述第四有向图的第二最小树形图，并删除所述第二最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第五有向图t2；

删除所述第四有向图中对应所述第二最小树形图中所有弧及其对应的反向弧得到第六有向图；

获取所述第六有向图的第三最小树形图，并删除所述第三最小树形图中所述虚拟领航者节点及其对应的出弧得到第七有向图t3；

合并所述第三有向图、所述第五有向图和所述第七有向图得到第八有向图t以及所述第八有向图t中弧的数量m；

当所述三维最优刚性图r的节点数量为n且m满足m＝3n-6时，则所述第八有向图t为三维最优持久图；

当满足m<(3n-6)时，获取所述三维最优刚性图中的第l条边对应的属于所述第一有向图中弧集合的一条或者两条弧，符号l的初始值为1；

若该一条或者两条弧都不在所述第八有向图中，获取第l条边对应两节点在所述第八有向图中的入度；

当第l条边对应的两节点的入度不都等于3且其中一个入度小于3的节点的对应第l条边的入弧属于所述第一有向图中弧集合时，将该入度小于3的节点的对应第l条边的入弧添加到所述第八有向图中得到第九有向图；

若所述第九有向图中弧的数量m等于(3n-6)时，则所述第九有向图为三维最优持久图；否则将所述第八有向图中的数据更新为所述第九有向图中的数据；

当第l条边对应的两节点的入度都等于3且该第l条边对应的一条弧属于所述第一有向图中弧集合时，将该第l条边对应的一条弧添加到第八有向图中得到第十有向图，记该弧指向的节点为第一节点；

按照先入度2再入度1最后入度0的方式在所述第十有向图中寻找入度小于3的一个第二节点，使得所述第二节点与所述第一节点之间具有最少跳数的路径，并且所述最少跳数的路径对应的所有弧的反向弧都在所述第一有向图中弧集合中，将所述最少跳数的路径对应的所有弧反向得到第十一有向图；否则从所述第十有向图中删除已添加的该第l条边对应的一条弧，从第一重构编队通信图中删除该第l条边对应的两条弧，重新计算；

若所述第十一有向图中弧的数量m等于(3n-6)时，则所述第十一有向图为三维最优持久图；否则将所述第八有向图中的数据更新为所述第十一有向图中的数据；

将所述符号l的值增加1，若符号l小于等于(3n-6)时，则继续判断第l条边对应的一条或两条弧是否都不在所述第八有向图t中。

需要说明的是，本发明实施例提供的多无人机协同编队中的通信拓扑容错优化装置与上述方法是一一对应的关系，上述方法的实施细节同样适用于上述装置，本发明实施例不再对上述系统进行详细说明。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。