无人机编队组网技术研究

发布时间：2020-05-28 08:22

【摘要】：随着无线通信和电子技术的发展,无人机因其灵活性高、自主性强和易部署等优点逐步应用于各个领域,如侦察巡逻、搜索救援、精准农业和遥感遥测等。多无人机协同作业能弥补单无人机能力有限的不足,使任务更高效的完成,同时提高系统的容错性,得到各界的广泛关注。编队是无人机协同作业的主要形式,无人机自组网是实现编队控制的有效手段,同时,分簇是对无人机自组网进行管理与控制的重要手段。无人机在一块区域上协作执行任务时,区域覆盖是重要且常见的任务要求。覆盖效率的提高要求无人机尽量分散,进而会影响无人机间的通信,这会给无人机的组网和分簇带来新的问题。为此,本文对无人机的编队组网技术进行了研究,并针对区域覆盖任务,设计了无人机自组网的分簇机制。主要工作如下:1)分析并总结了无人机自组网的编队控制模型。针对五种编队控制策略(基于势函数的策略、领导跟随者策略、虚拟结构策略、基于一致性的策略和基于行为的策略),分别从编队保持与重组、任务更新和编队可靠性三个方面,分析了不同无人机编队控制策略的特点和对通信组网的需求。2)针对无人机自组网的区域覆盖任务,基于虚拟力和领导跟随者的思想,提出了基于移动控制的分簇机制。虚拟力的设计同时考虑了节点间的连通性和覆盖效率,基于此设计了簇外移动控制、簇内移动控制和簇间移动控制,分别应用于不同节点。仿真实验结果验证了该机制能在保持高网络连接性的情况下优化覆盖性能,同时对分簇的稳定性有极大提高。3)考虑应用对节点间时延的要求,首先对无人机节点间的多跳时延进行了建模,然后为最大化无人机自组网的区域覆盖性能,提出了一个时延约束条件下的分簇、相对位置与传输功率的联合优化问题。为解决此问题,基于罚函数法和块坐标下降算法提出了一个迭代算法,并证明了其收敛性。针对基于此算法的高覆盖效率机制进行了仿真实验,结果表明,此机制能在保证时延要求的条件下,有效优化编队的结构和覆盖效率。此外,还分析了不同覆盖半径、功率、时延约束和干扰率对系统各性能的影响。
【图文】：

自组网,内移,策略

点就相当于整个网络的簇头而簇头就相当于其中的簇成员，簇头的移动策略与逡逑簇内移动控制相似。簇头直接或间接的跟随汇聚节点的移动以保持连接。在此逡逑策略中，每个簇头跟随其“下一跳”到汇聚节点的簇头，如图３－４所示。逡逑然而，，簇结构会随节点的移动而变化，两个簇头间没有固定的能保持连接逡逑的距离。为解决此问题，用预测的连接距离来估计当前状态下它们能保持连通逡逑的最大距离。逡逑假设簇头２，跟随，预测的通信距离％将根据它们的状态信息周期地更逡逑新，公式如下逡逑（ｙＪ；．邋＋邋（１邋－邋ｙ）｛ｄｉｊ邋＋邋６），如果收到消息逡逑４：＝逦（３－１0）逡逑［ｄ＾ｊ邋－邋６，逦否则逡逑其中４是ａ和徏间的当前距离，ｒ邋ｅ邋（０，１）和６邋＞邋０是待定参数。式（３－１０）表逡逑明

移动控制,内移

Ｑ＇逦、）逡逑图３－３：自组网屮的一个簇和簇内移动控制逡逑３．３．４．３簇间移动控制逡逑为了保持与汇聚节点的连通，簇间的通信是必需的。根据簇内移动控制，逡逑一个簇的移动可以看作是相应簇头的移动。因为分簇网络的分级结构，汇聚节逡逑点就相当于整个网络的簇头而簇头就相当于其中的簇成员，簇头的移动策略与逡逑簇内移动控制相似。簇头直接或间接的跟随汇聚节点的移动以保持连接。在此逡逑策略中，每个簇头跟随其“下一跳”到汇聚节点的簇头，如图３－４所示。逡逑然而，簇结构会随节点的移动而变化，两个簇头间没有固定的能保持连接逡逑的距离。为解决此问题，用预测的连接距离来估计当前状态下它们能保持连通逡逑的最大距离。逡逑假设簇头２，跟随，预测的通信距离％将根据它们的状态信息周期地更逡逑新
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279;V249

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