基于动态规划的无人机协同消息传输方法技术

基于动态规划的无人机协同消息传输方法，包括以下步骤：步骤一、定义状态函数，得到状态转移方程及状态转移方程的边界条件；步骤二、采集所有时刻所有无人机的位置，并进行条件设置；步骤三、计算无人机间的距离，得到每个无人机当前时刻可通信的邻居节点；步骤四、根据状态转移方程得到当前时刻的传输下一跳，直至迭代更新完所有时刻，得到无人机每一时刻的最优消息传输对象。本发明专利技术运用动态规划的思想将问题拆分，定义问题状态和状态之间的关系，使问题能够以递推的方式去解决，从而得知无人机在哪一时刻将消息传输给哪一跳无人机所产生的消息延迟最小，从而减少消息传输的时间延迟，减少因消息传输“乒乓效应”带来的能源损耗。

【技术实现步骤摘要】
基于动态规划的无人机协同消息传输方法
本专利技术属于无人机的通信领域，具体涉及基于动态规划的无人机协同消息传输方法，通过将动态规划思想运用到基于任务驱动的无人机协同消息传输中，减少了无人机消息传输的延迟时间，减少了因传输“乒乓效应”而造成的资源浪费。
技术介绍
无人机是全球新一轮科技革命和产业革命的热点，其产业发展关乎国家利益、公民权益。由于无人机具有成本相对较低、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便等特征，特别是在许多复杂、危险的空中活动中更具备独特优势，在影视航拍、传统农林业、工业作业、灾害救援、公共安全以及消费娱乐业领域得到广泛应用。然而对于很多任务，单一无人机的能力有限，往往需要一个无人机组协同作业完成任务。此时，无人机组如何根据无人机组网络特性运用路由算法将消息快速传回到地面站就成了一个重要的技术问题。无人机组网络是一种无线自组织网络，无人机组通过创建一个临时的、多跳的方式来提供一个区域内的连接和高吞吐量的传输无线网络。然而，由于无人机的高度移动导致的经常改变的无人机链路质量和断开连接对终端传输的影响超过传统的移动自组织网络。无人机网络中的包转发涉及移动自组织网络(MANET)中的路由协议。然而，无人机网络的频繁拓扑变化、快速移动和不稳定的无线链路条件使得现有的MANET路由算法导致分组投递率较低，端到端时延较高以及缺少网络安全保障等许多问题，影响了无人机自组网的通信性能。无人机网络的这种特殊设置需要重新思考路由协议。在现有的路由方案中，传统的信源、距离向量、链路状态自组织路由协议在高度动态的环境中不适用，因为它们需要一个端到端的路径和一定程度的链路稳定性来收敛。到目前为止，有少量文献对无人机自组织网络路由进行了探索。例如，由于诸如由全球定位系统(GPS)提供的无人机的位置信息是可用的，有文献认为基于将节点转发到节点的地理路由在空间上更接近目的地是一个可行的方法。但是，对于面临间歇性连接的网络来说，纯粹的地理路由是不够的。有文献考虑了一种已知的间歇性连接的方法是延迟容忍网络(DTN)，它原则上适用于无人机网络，但是纯粹的DTN概念通常使用基于关于移动节点的有限泛洪并且长时间断开。有文献考虑将地理路由和DTN相结合，但DTNgeo算法只考虑到当前时刻的无人机位置，选择这一时刻距离目标节点较近的无人机进行传输，没有考虑无人机不断变化的位置信息，导致消息传输的时间延迟和乒乓效应。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种基于动态规划的无人机协同消息传输方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：基于动态规划的无人机协同消息传输方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、定义状态函数，得到状态转移方程及状态转移方程的边界条件；步骤二、采集所有时刻所有无人机的位置，并进行条件设置；步骤三、计算无人机间的距离，得到每个无人机当前时刻可通信的邻居节点；步骤四、根据状态转移方程得到当前时刻的传输下一跳，直至迭代更新完所有时刻，得到无人机每一时刻的最优消息传输对象。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：步骤一中，定义状态函数F(UAVID，TIME)，其中，UAVID表示无人机ID，定义地面站为特殊的UAVID为0，其他无人机的ID为1～n，n为执行任务的无人机的个数；TIME表示时刻，无人机在TIME时刻产生需发送到地面站的数据；F表示在TIME时刻无人机产生的数据最早到达地面站的时刻；根据状态函数，分析得出状态转移方程：其中，当前可与无人机i进行通信的节点为{neighbours}，即对于任意j∈{neighbours}，无人机j都可以与无人机i进行通信；t表示当前时刻，t+1表示下一时刻，函数F表示到达地面站的时刻最早，F(i，t+1)表示携带该数据到下一时刻，下一时刻的数据传输到地面站的最早时间，表示任意的邻居节点数据传输到地面站的最早时间；得到状态转移方程的边界条件：当i＝0时，F(0，t)＝t，该数据到达地面站的最早时刻为t；当t≥Tmax时，F(i，t)＝∞，即任务结束时还没有传递到地面站的数据最早传回地面站的时刻为无穷大，Tmax表示任务的执行时间。步骤二中，地面站根据无人机的运动轨迹得到所有无人机所有时刻的位置，设置无人机的ID，地面站ID，最大通信半径Range；设置当前时间为0时刻，任务执行结束时刻Tmax，设定初始时刻等于Tmax，由任务结束时刻往前回推，设置邻接矩阵d[n][n]表示无人机之间的距离，设置矩阵a[n][Tmax]存储状态转移函数的值，设置数组next[n][Tmax]表示每一时刻的下一跳选择。步骤三中，计算t时刻任意无人机i与其余任意无人机j的欧式距离dij，若dij≤Range，则无人机i与无人机j可进行通信，将dij的值存入邻接矩阵d[i][j]中，并将j并入集合表示i的邻居节点集合；否则，令d[i][j]＝∞。步骤四中，用Dijkstra算法计算以地面站为源点到其他所有无人机的最短距离，若最短距离存在，则该无人机i与地面站存在端到端连接，则F[i，t]＝t，a[i][t]＝t；否则a[i][t]＝∞；根据状态转移方程，由任务结束时刻往前回推，首先比较所有a[i][t+1]和a[i][t]，若a[i][t+1]＜a[i][t]，则令a[i][t]＝a[i][t+1]，next[i][t]＝next[i][t+1]；然后比较a[i][t]和的值，若a[i][t]＜a[j][t]，则令a[j][t]＝a[i][t]，next[j][t]＝i；将t往回退一个时刻，即令t＝t-1，并判断是否到达开始0时刻，若t＞0，重复步骤三和步骤四；否则结束操作。本专利技术的有益效果是：在无人机任务驱动的条件下，通过知道无人机所有时刻的所有位置，运用动态规划的思想将问题拆分，定义问题状态和状态之间的关系，使问题能够以递推的方式去解决，从而得知无人机在哪一时刻将消息传输给哪一跳无人机所产生的消息延迟最小，减少消息传输的时间延迟，减少因消息传输“乒乓效应”带来的能源损耗。仿真结果证明，该方法能减少消息的传输延迟时间，并且与之前的算法相比产生“乒乓”的比例为0。附图说明图1为无人机组协同消息传输的场景图。图2为基于动态规划的无人机协同消息传输方法的流程图。具体实施方式现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。本专利技术提出了一种基于动态规划的无人机协同消息传输方法，应用领域为无人机组的消息路由。由于无人机消息传输满足以下两种特性：1)无后效性：当前t时刻消息传输只会考虑以后时刻的无人机位置，而不会考虑t时刻之前的无人机位置；2)最优子结构：无人机传输消息只要保证每一跳传输最快，则总的消息传输肯定是最快的。所以考虑用动态规划的思想解决无人机消息传输问题。动态规划思想是将问题进行拆分，拆分为多个形式相同规模较小的子问题，然后再对子问题进行拆分，直至子问题成为我们可以显而易见的解决的简单问题，则初始的问题得到解决。在运用动态规划思想时首先根据问题定义问题状态和状态之间的关系，即状态转移方程，使得问题能够以递推的方式去解决。从而得知无人机每一时刻应将消息传输给哪一跳所带来的消息延迟最小，使消息能尽快到达目的节点。因此，本方法的核心步骤如下：1、定义状态函数；2、得到状态转移方程；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于动态规划的无人机协同消息传输方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、定义状态函数，得到状态转移方程及状态转移方程的边界条件；步骤二、采集所有时刻所有无人机的位置，并进行条件设置；步骤三、计算无人机间的距离，得到每个无人机当前时刻可通信的邻居节点；步骤四、根据状态转移方程得到当前时刻的传输下一跳，直至迭代更新完所有时刻，得到无人机每一时刻的最优消息传输对象。

【技术特征摘要】
1.基于动态规划的无人机协同消息传输方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、定义状态函数，得到状态转移方程及状态转移方程的边界条件；步骤二、采集所有时刻所有无人机的位置，并进行条件设置；步骤三、计算无人机间的距离，得到每个无人机当前时刻可通信的邻居节点；步骤四、根据状态转移方程得到当前时刻的传输下一跳，直至迭代更新完所有时刻，得到无人机每一时刻的最优消息传输对象。2.如权利要求1所述的基于动态规划的无人机协同消息传输方法，其特征在于：步骤一中，定义状态函数F(UAVID，TIME)，其中，UAVID表示无人机ID，定义地面站为特殊的UAVID为0，其他无人机的ID为1～n，n为执行任务的无人机的个数；TIME表示时刻，无人机在TIME时刻产生需发送到地面站的数据；F表示在TIME时刻无人机产生的数据最早到达地面站的时刻；根据状态函数，分析得出状态转移方程：其中，当前可与无人机i进行通信的节点为{neighbours}，即对于任意j∈{neighbours}，无人机j都可以与无人机i进行通信；t表示当前时刻，t+1表示下一时刻，函数F表示到达地面站的时刻最早，F(i，t+1)表示携带该数据到下一时刻，下一时刻的数据传输到地面站的最早时间，表示任意的邻居节点数据传输到地面站的最早时间；得到状态转移方程的边界条件：当i＝0时，F(0，t)＝y，该数据到达地面站的最早时刻为y；当t≥Tmax时，F(i，t)＝∞，即任务结束时还没有传递到地面站的数据最早传回地面站的时刻为无穷大，Tmax表示任务的执行时间。3.如权利要求2所述的基于动态规划的无人机协同消息传输方法，其特征在于：步骤二...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立松，朱霏霏，刘亮，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32