基于委托权益证明的无人飞行器蜂群分簇自组网方法与流程

1.本发明涉及无人飞行器技术领域，特别涉及一种基于委托权益证明的无人飞行器蜂群分簇自组网方法、系统、电子设备和存储介质。


背景技术：

2.现有技术中，蜂群协作是无人飞行器/无人车/无人船等无人运载器的典型工作模式。无人飞行器蜂群系统是由一定数量的具有不同功能的无人飞行器共同组成，能够互相协作，整体具有能力涌现特点的飞行系统。无人飞行器蜂群的组群方式可以是主从型的，也可以是无中心的。蜂群协作能大幅度提升单个飞行器的能力，发挥数量多、范围广、速度快、作战灵活的优势，提升蜂群联合目标搜索、环境态势感知、任务协同等能力。
3.基于主从型的蜂群系统易于实现，但是由于系统过于依赖主节点的通信和计算资源，使得系统抗毁性不足，一旦主节点发生故障，则容易导致整个系统发生瘫痪，甚至遭遇劫持产生与预期相反的整体行为，而备份主节点轮换机制也会产生巨大的轮换消耗。而完全无中心化的蜂群系统，具备良好的健壮性，但是却存在着达成整体行为特征的一致性收敛过程慢的缺点，尤其是在由大量无人运载器构成的大规模蜂群系统中，该缺点会表现得更加突出。
4.委托权益证明（delegated proof of stake，dpos）是区块链技术领域中的一种典型共识机制，该机制通过在去中心化的分布式节点中选举若干代理人负责验证和记账，从而解决区块链技术中传统的工作量证明机制（pow）算力资源消耗量大，和权益证明机制（pos）容易形成首富账号权力过大的弊端。
5.委托权益证明机制会大规模无人飞行器蜂群系统的实现提供了良好组织实施的借鉴，应用委托权益证明的共识机制，大规模蜂群系统将达成系统效率和健壮性的平衡。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于委托权益证明的无人飞行器蜂群分簇自组网方法，解决了有中心的主从式蜂群系统健壮性不足易崩溃，完全无中心蜂群网络一致性行为过程耗时长、程度弱的缺点。
7.为实现上述目的，本发明提供的一种基于委托权益证明的无人飞行器蜂群分簇自组网方法，包括以下步骤：在起飞前的任务装订阶段，对参与任务的无人飞行器进行身份认证，根据无人飞行器蜂群的部署情况和任务指定的目标位置，进行任务装订；每个无人飞行器对处于自身通信作用距离的邻居节点进行通信询问并收集握手信息，完成基于区域建网的区域初始种子节点初选；进行整个无人飞行器蜂群的区域初始主节点竞选以及分簇内组网；将各分簇的区域主节点无人飞行器作为各自簇首，按照委托权益证明的原则进行去中心化的无人飞行器蜂群组网。
8.进一步地，所述在起飞前的任务装订阶段，对参与任务的无人飞行器进行身份认证，根据无人飞行器蜂群的部署情况和任务指定的目标位置，进行任务装订的步骤，还包括，基于无人飞行器的载荷配置、mac地址、数据链标识进行颁发身份证明；装订的任务参数包括任务类型侦查或投送、集结点位和目标区域。
9.进一步地，所述每个无人飞行器对处于自身通信作用距离的邻居节点进行通信询问并收集握手信息，完成基于区域建网的区域初始种子节点初选的步骤，还包括，无人飞行器节点i向通信作用距离内的机群发送建网请求，建网请求包括节点i身份信息以及电子签名，为，其中为身份信息，包括发送时间戳以及有效期，有效期为当前消息的失效时间，则为电子签名；邻居节点m接收到无人飞行器节点转发的建网请求，通过发送时间戳和有效期判断建网请求的有效性，根据接收到的有效建网请求和，选择近距离的信息进行响应，向其发送响应握手信息，其中为m点近距离的竞选节点的信息，为身份信息。
10.进一步地，所述进行整个无人飞行器蜂群的区域初始主节点竞选以及分簇内组网的步骤，还包括，完成区域初始主节点初选后，蜂群中每个无人飞行器节点ｍ均存在一个建网节点ｋ(m)，整个无人飞行器蜂群生成若干个临时建网节点序列{k}分别作为区域的分中心；初选得到的临时建网节点序列序列｛ｋ｝，如果获得的握手信息数量大于８，则分别向其通信作用距离内的无人飞行器蜂群节点发送正式建网请求，其中c（k）为身份信息，s（k）为电子签名，为初选阶段获得的握手信息；当节点ｍ收到包含自身握手信息v（m）的正式建网请求时，判断所述节点ｍ是否已参与初选，若是则向请求节点ｋ回复拒绝建网的消息，否则向请求节点ｋ回复允许建网的消息；节点ｋ在接收到节点ｍ回应的建网请求后，节点k产生对m所发送回应消息的确认消息，并将其返回给m节点，同时广播给无人飞行器蜂群内其他节点；所述确认消息包含正式建网请求信息和双方身份信息，根据握手信息数量要求对握手信息数量进行相应增加或减少。
11.进一步地，所述将各分簇的区域主节点无人飞行器作为各自簇首，按照委托权益证明的原则进行去中心化的无人飞行器蜂群组网的步骤，还包括，各区域主节点完成本分簇内的网络建立及确认后，向整个无人飞行器蜂群广播簇间组网请求，其中ａ为区域主节点，c（a）为身份信息，s（a）为电子签名，为其位置和速度信息，为该组网请求已获得的其他区域主节点ｂ认可的信息，包含认可节点b的签名信息和位置速度信息；各分簇内的非主节点转发本分簇和其他分簇内区域主节点的簇间组网请求，将本分簇的主节点发出的簇间组网请求转发至其他分簇内，将其他分簇内区域主节点的簇间组网请求转发至本分簇内；
在第一个通信周期内，若区域主节点收到来自其他主节点的组网请求，则选择最先收到且获得签名的区域主节点数量最多的请求进行响应；在第二个通信周期内，各区域主节点均根据第一通信周期内的原则响应并转发获得签名最多的簇间组网请求，直至簇间组网请求达成一致后，完成整个蜂群的时间同步；各节点根据组网信息中的各节点位置，采用定向数据链路在预测位置附近负责搜索目标节点，获得节点回应后保持所述定向数据链路的通信维护。
12.进一步地，还包括进行分簇内组网维护，当分簇内存在新节点无人飞行器加入或故障节点无人飞行器退出时，向本分簇内的无人飞行器区域主节点发送入网请求或退出声明，如区域主节点发生故障则按照选举机制更换区域主节点；对于新入网的节点申请，由本分簇内的区域主节点校核其身份信息后审批，并向簇内发起广播，簇内节点在簇内进行转发；对于包含自身节点的退出声明，则校验声明的信息来源是否符合身份信息后向簇内广播。
13.进一步地，还包括，当区域主节点退出或者簇内其他节点发现该主节点失效时，由其他分簇节点选举出分簇内新的区域主节点。
14.更进一步地，还包括，分簇内各节点均向簇内全向广播自身的选举请求；分簇内各节点相互转发簇内其它节点的选举请求，已转发过的则不再转发；分簇内各节点对收到的选举请求进行回复，在一个通信周期内按照通信耗时最小优先原则进行选举确认，并将确认消息返回提出选举的节点并广播全网；分簇收到各节点的投票回复消息后，记录票数，按照分簇内总数的半数以上为原则，确认当选的新一轮的区域主节点，将确认消息广播整个分簇；如第一轮的选举节点均未超过半数以上票数，则对选举节点重新按照得票数优先的原则再次投票，并将投票确认消息广播整个分簇；整个分簇的节点对收到的消息进行票数计算，按照分簇内总数的半数以上为原则，确认当选的新一轮的区域主节点，将确认消息广播整个分簇。
15.为实现上述目的，本发明还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上储存有在所述处理器上运行的程序，所述处理器运行所述程序时执行上述的基于委托权益证明的无人飞行器蜂群分簇自组网方法的步骤。
16.为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行上述的基于委托权益证明的无人飞行器蜂群分簇自组网方法的步骤。
17.本发明的基于委托权益证明的无人飞行器蜂群分簇自组网方法及系统，具有以下有益效果：相比主从式的无人飞行器蜂群系统，具备良好的系统健壮性；相比完全去中心化的无人飞行器蜂群系统，系统维护成本低，尤其是实现了分簇间组网与分簇内组网的功能分离，便于以较低的成本实现整个蜂群系统的一致性。
18.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变
得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
19.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1为根据本发明实施例的基于委托权益证明的无人飞行器蜂群分簇自组网方法的流程图。
具体实施方式
20.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
21.实施例1图1为根据本发明的基于委托权益证明的无人飞行器蜂群分簇自组网方法流程图，下面将参考图1，对本发明的基于委托权益证明的无人飞行器蜂群分簇自组网方法进行详细描述。
22.在步骤101，在起飞前的任务装订阶段，对参与任务的无人飞行器进行身份认证，根据无人飞行器蜂群的部署情况和任务指定的目标位置，进行任务装订。
23.优选地，基于无人飞行器的载荷配置、mac地址、数据链标识进行颁发身份证明。
24.优选地，装订的任务参数包括：任务类型（侦查或投送）、集结点位、目标区域。
25.在步骤102，每个无人飞行器依托机载数据链装置的全向扫描功能，对处于自身通信作用距离的邻居节点进行通信询问并收集握手信息，完成基于区域建网的区域初始种子节点初选。
26.优选地，无人飞行器蜂群飞抵集结点位附近区域后，进行定速直航或悬停状态以保持间距稳定，开始进行自组网的第一步，即“区域初始主节点初选”。
27.优选地，飞抵集结点位附近区域，各节点按照预置条件触发“区域初始主节点初选”动作。无人飞行器节点i向通信作用距离内的机群发送建网请求，建网请求包括节点i身份信息以及电子签名，形式为，其中为身份信息，包括发送时间戳以及有效期，有效期为当前消息的失效时间，则为电子签名。
28.优选地，邻居节点m在接收到无人飞行器节点i发送或者其他节点转发的建网请求，首先通过发送时间戳和有效期，判断建网请求的有效性，即判断发送时间戳与接收时间之差是否超过预定的时间阈值，如超过则信息无效，否则信息有效；针对同时接收到的有效建网请求、，选择距离自身较近的信息进行响应，向其发送响应握手信息，其中距离自身m点较近的竞选节点的信息，为自身的身份信息。
29.优选地，节点m如响应节点i的建网请求，则同时将其建网请求向其通信作用距离内的邻居节点进行广播，并不再响应其他节点的建网请求，同时也不再发送自身发起的建网请求。节点ｍ不响应经过两跳以上转发的建网请求。
30.在步骤103，进行整个无人飞行器蜂群的区域初始主节点竞选以及分簇内组网。
31.优选地，完成区域初始主节点初选后，蜂群中每个无人飞行器节点ｍ均会找到一个建网节点ｋ(m)；整个无人飞行器蜂群将会产生若干个临时建网节点序列{k}分别作为区域的分中心。该步骤中，将通过临时建网节点之间的信息交互，对初选得到的临时建网节点群按照通信距离远近进行调整，并藉此开展整个无人飞行器蜂群的分簇内组网，得到将整个无人飞行器蜂群划分为若干分簇。
32.优选地，初选得到的临时建网节点序列序列｛ｋ｝，如果获得的握手信息数量大于８，那么分别向其通信作用距离内的无人飞行器蜂群节点发送正式建网请求，其中含义同上，指代在初选阶段获得的握手信息，v(m)数量最多为16，保留原则为接收最快的16个握手节点。
33.优选地，节点ｍ如收到包含自身握手信息v(m)的正式建网请求时，若节点ｍ自身已参与初选则向请求节点ｋ发送拒绝建网的消息回应；否则向请求节点ｋ发送允许建网的消息回应。
34.优选地，节点ｋ在接收到节点ｍ对自身正式建网请求的回应后，节点k产生对m所发送回应消息的确认消息，并将其返回给m节点，同时广播给无人飞行器蜂群内其他节点，确认消息除包含正式建网请求信息、双方身份信息外，还应将握手信息数量相应增加或减少，直到满足握手信息数量为16。
35.优选地，节点ｍ在接收时段内如未收到包含自身握手信息v(m)的请求，接收时段是指一个时间区间，其值等于两个通信作用距离加上一次中继转发的时间长度，超过接收时段则不再响应正式建网请求，那么就寻找握手信息数量不足16的正式建网请求进行回应，如同时受到两个及以上的正式建网请求信息，那么按照以下指标进行选择回应，正式建网请求得分指标为-10*time_cs+nv，其中，time_cs为正式建网请求传输到本地所经历的通信传输时间；nv为该正式建网请求所包含的有效握手数量，即优先按照通信传输跳数、再次按握手数量进行选择；节点ｍ在选择正式建网请求回应后，同时将回应信息转发给发起正式建网请求的节点以及自身的邻居节点。
36.优选地，若节点ｍ一直未接收到确认消息，则自己作为区域主节点主动发起竞选，向作用距离内的节点发送补充建网请求，此时其他节点同时负责转发该请求；未得到建网确认的节点均可不受转发跳数限制回应本补充建网请求，节点ｍ在规定时间内向响应补充建网请求的节点发送确认消息。
37.在步骤104，完成整个无人飞行器蜂群分簇内组网后，由各分簇的区域主节点无人飞行器作为各自簇首，按照委托权益证明的原则进行去中心化的无人飞行器蜂群组网。
38.优选地，各区域主节点完成本分簇内的网络建立及确认后，立即向整个无人飞行器蜂群广播簇间组网请求，其中ａ指代区域主节点，含义同上，指代其位置和速度信息，指代该组网请求已获得的其他区域主节点ｂ认可的信息，包含该认可节点b的签名信息和位置速度信息。
39.优选地，各分簇内的非主节点参与转发本分簇和其他分簇内区域主节点的簇间组网请求，对于本分簇的主节点发出的簇间组网请求，将其转发至其他分簇内，对于其他分簇内区域主节点的簇间组网请求，将其转发至本分簇内。
40.优选地，在第一个通信周期内，若区域主节点ｃ尚未发送簇间组网请求，即收到来自其他主节点的组网请求，则选择最先收到且获得签名的区域主节点数量最多的请求进行
响应，响应具体操作为将其自身签名加入组网请求得到信息，并发送广播至全网。
41.优选地，在第二个通信周期内，各区域主节点均按照以上原则响应并转发获得签名最多的簇间组网请求，最多到第三个通信周期簇间组网请求将达成一致，达成一致后，将自身系统时间与建网节点ａ保持一致，完成整个蜂群的时间同步。
42.优选地，各节点根据组网信息中的各节点位置，使用定向数据链路在预测位置附近负责搜索目标节点，获得节点回应后即保持该定向数据链路的通信维护。
43.在步骤105，进行分簇内组网维护。
44.优选地，当分簇内存在新节点无人飞行器加入或者故障节点无人飞行器退出时，即均向本分簇内的无人飞行器区域主节点发送入网请求和退出声明，如区域主节点发生故障则按照选举机制更换区域主节点。
45.优选地，对于新入网的节点申请，由本分簇内的区域主节点校核其身份信息后审批，并向簇内发起广播，簇内节点在簇内进行转发。
46.优选地，对于包含自节点的退出声明，则校验声明的信息来源是否符合身份信息，然后向簇内广播。
47.在步骤106，进行分簇区域主节点选举。
48.优选地，当区域主节点退出或者簇内其他节点发现该主节点失效时，由其他分簇节点进行新一轮的投票选举，选举出分簇内新的区域主节点。
49.优选地，所述“进行分簇区域主节点选举”的步骤，可具体执行为：（1）分簇内各节点均向簇内全向广播自身的选举请求；（2）分簇内各节点负责相互转发簇内其它节点的选举请求，已转发过的则不再转发；（3）分簇内各节点对收到的选举请求进行回复，在一个通信周期内按照通信耗时最小优先原则进行选举确认，并将确认消息返回提出选举的节点并广播全网；如选举其他节点，则本节点不再广播自身的选举请求；（4）分簇收到各节点的投票回复消息后，记录票数，按照分簇内总数的半数以上为原则，确认当选的新一轮的区域主节点，将确认消息广播整个分簇；（5）如第一轮的选举节点均未超过半数以上票数，那么就针对以上选举节点重新按照得票数优先的原则再次进行一轮投票，将新一轮投票确认消息广播整个分簇；（6）整个分簇的节点对收到的消息进行票数计算，按照分簇内总数的半数以上为原则，确认当选的新一轮的区域主节点，将确认消息广播整个分簇。
50.在步骤107，基于委托权益证明，按照去中心化原则进行蜂群行为的一致性决策和执行控制。
51.优选地，完成整个分簇内组网和分簇间组网后，整个无人飞行器蜂群的行为模式将完全由各分簇的区域主节点作为权益委托者，按照去中心化原则进行蜂群行为的一致性决策和执行控制，而分簇内的蜂群将跟临时主从形式跟随区域主节点的行为模式，从而实现整个蜂群系统行为的一致性。
52.本发明提供的一种基于委托权益证明的无人飞行器蜂群分簇自组网方法，为解决主从式无人飞行器蜂群系统健壮性差，以及完全去中心化的无人飞行器蜂群系统一致性实
现性不强的难题，创新性地使用区块链技术中的委托权益证明机制构造分簇间去中心化组网的架构，结合主从式的结构以及基于投票的共识方法实现簇内组网的半中心化，从而实现大规模蜂群系统的自组织行为。其中簇内组网采用临时主从式结构进行系统维护，使用基于投票的竞争机制实现簇内区域主节点的轮换；分簇间基于分簇区域主节点之间的投票实现整体行为的一致性。既解决了有中心的主从式蜂群系统健壮性不足易崩溃，以及完全无中心蜂群网络一致性行为过程耗时长、一致性程度弱的缺点。
53.本发明还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上储存有在所述处理器上运行的程序，所述处理器运行所述程序时执行上述的基于委托权益证明的无人飞行器蜂群分簇自组网方法的步骤。
54.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行上述的基于委托权益证明的无人飞行器蜂群分簇自组网方法的步骤，所述基于委托权益证明的无人飞行器蜂群分簇自组网方法参见前述部分的介绍，不再赘述。
55.本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。