多无人机协同编队中信息交互拓扑启发式优化方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种多无人机协同编队中信息交互拓扑启发式优化方法及装置。该方法包括：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通信网络拓扑；S2、当多无人机协同编队发生通信故障时，根据通信故障的类型在通信网络拓扑中删除通信故障弧或通信故障节点以构建第一重构通信网络拓扑；S3、根据信息交互拓扑重构算法获取第一重构通信网络拓扑对应的三维最优持久图，即为第一最优重构信息交互拓扑；S4、根据第一最优重构信息交互拓扑、多无人机协同编队的若干位置配置和信息交互拓扑重构算法获取满足预设条件n＞|V|×(|V|‑1)/2的第二最优重构信息交互拓扑即为所述多无人机协同编队的重优化信息交互拓扑。本发明专利技术可以确保大规模的多无人机协同编队在有通信故障时避免发生无人机碰撞事故并恢复编队队形，同时保持编队的通信代价较小。

Heuristic optimization method and device for information interaction topology in multi UAV cooperative formation

The invention provides a heuristic optimization method and device for information interaction topology in multi UAV cooperative formation. The method comprises the following steps: S1, according to the multi UAV cooperative formation to formation of the formation of three-dimensional persistent access communication network topology; S2, when the multi UAV cooperative communication fault formation, depending on the type of communication failure in communication network topology to remove communication fault arc or communication fault node to construct the first reconfigurable communication network topology; S3, according to the optimal reconstruction to obtain the first communication network topology corresponding interactive topology reconfiguration algorithms for information lasting map, is the first optimal reconfiguration of information interaction topology; S4, according to the first optimal reconfiguration information exchange topology, several location configuration and information interaction topology reconstruction algorithm human-computer cooperative formation access to meet the preset conditions, |V| * n (|V| 1) second optimal reconfiguration information interaction topology /2 is the non optimization information interactive human-computer collaborative topology formation. The invention can ensure that a large number of UAVs cooperate in formation, and it can avoid UAV collision accidents and restore formation formation when communication failure occurs, while maintaining the communication cost of formation.

【技术实现步骤摘要】
多无人机协同编队中信息交互拓扑启发式优化方法及装置
本专利技术涉及通信
，尤其涉及一种多无人机协同编队中信息交互拓扑启发式优化方法及装置。
技术介绍
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“信息交互拓扑”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通信网络拓扑(communicationnetworktopology)。由于信息交互拓扑中任何两位置UAV之间的通信距离不同，导致信息交互拓扑中不同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，使得当前信息交互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信息交互拓扑，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。
技术实现思路
针对相关技术中的缺陷，本专利技术提供了一种多无人机协同编队中信息交互拓扑启发式优化方法及装置，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信息交互拓扑，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较小。第一方面，本专利技术实施例提供了一种多无人机协同编队中信息交互拓扑启发式优化方法，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通信网络拓扑；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通信网络拓扑中删除通信故障弧或通信故障节点以构建第一重构通信网络拓扑；S3、根据信息交互拓扑重构算法获取所述第一重构通信网络拓扑对应的三维最优持久图，即为第一最优重构信息交互拓扑；S4、根据所述第一最优重构信息交互拓扑、多无人机协同编队的若干位置配置和所述信息交互拓扑重构算法获取满足预设条件n＞|V|×(|V|-1)/2的第二最优重构信息交互拓扑即为所述多无人机协同编队的重优化信息交互拓扑；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|×(|V|-1)/2。可选地，所述步骤S4还包括：S41、将所述重优化信息交互拓扑To初始化为所述第一最优重构信息交互拓扑Tr，将重优化位置配置Po初始化为所述第一位置配置Pr；第二最优重构信息交互拓扑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、从{1，2，……，|V|}中任选2个元素组合{i，j}，在所述第一位置配置Pr的基础上交换UAVi的位置pi和UAVj的位置pj得到|V|×(|V|-1)/2个位置配置的集合；S43、从所述|V|×(|V|-1)/2个位置配置的集合中获取第n个位置配置作为第二位置配置Pn，并根据第二位置配置Pn构建满足故障约束条件的第二重构通信网络拓扑；S44、根据所述第二重构通信网络拓扑和所述信息交互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，即为第二最优重构信息交互拓扑Tn；S45、计算所述第二最优重构信息交互拓扑的权重值，若该权重值小于所述重优化信息交互拓扑的权重值，则将所述重优化信息交互拓扑To更新为所述第二最优重构信息交互拓扑，将所述重优化位置配置Po更新为所述第二位置配置Pn；S46、若该权重值等于所述重优化信息交互拓扑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，则将重优化信息交互拓扑To更新为所述第二最优重构信息交互拓扑Tn，将重优化位置配置Po更新为所述第二位置配置Pn；S47、将所述符号n的值增加1，判断n是否满足预设条件n＞|V|×(|V|-1)/2，若不满足转到步骤S43。可选地，所述步骤S2包括：若所述通信故障的类型为无人机的单播发射机故障，则删除所述通信网络拓扑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，则删除所述通信网络拓扑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，则删除所述通信网络拓扑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，则删除所述通信网络拓扑中该链接对应的弧；在所述通信网络拓扑中，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，所述根据信息交互拓扑重构算法获取所述第一重构通信网络拓扑对应的三维最优持久图的步骤包括：计算所述第一重构通信网络拓扑的三维最优刚性图；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通信网络拓扑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，获取所述三本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多无人机协同编队中信息交互拓扑启发式优化方法，其特征在于，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通信网络拓扑；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通信网络拓扑中删除通信故障弧或通信故障节点以构建第一重构通信网络拓扑；S3、根据信息交互拓扑重构算法获取所述第一重构通信网络拓扑对应的三维最优持久图，即为第一最优重构信息交互拓扑；S4、根据所述第一最优重构信息交互拓扑、多无人机协同编队的若干位置配置和所述信息交互拓扑重构算法获取满足预设条件n＞|V|×(|V|‑1)/2的第二最优重构信息交互拓扑即为所述多无人机协同编队的重优化信息交互拓扑；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|×(|V|‑1)/2。

【技术特征摘要】
1.一种多无人机协同编队中信息交互拓扑启发式优化方法，其特征在于，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通信网络拓扑；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通信网络拓扑中删除通信故障弧或通信故障节点以构建第一重构通信网络拓扑；S3、根据信息交互拓扑重构算法获取所述第一重构通信网络拓扑对应的三维最优持久图，即为第一最优重构信息交互拓扑；S4、根据所述第一最优重构信息交互拓扑、多无人机协同编队的若干位置配置和所述信息交互拓扑重构算法获取满足预设条件n＞|V|×(|V|-1)/2的第二最优重构信息交互拓扑即为所述多无人机协同编队的重优化信息交互拓扑；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|×(|V|-1)/2。2.根据权利要求1所述的多无人机协同编队中信息交互拓扑启发式优化方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：S41、将所述重优化信息交互拓扑To初始化为所述第一最优重构信息交互拓扑Tr，将重优化位置配置Po初始化为所述第一位置配置Pr；第二最优重构信息交互拓扑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、从{1，2，……，|V|}中任选2个元素组合{i，j}，在所述第一位置配置Pr的基础上交换UAVi的位置pi和UAVj的位置pj得到|V|×(|V|-1)/2个位置配置的集合；S43、从所述|V|×(|V|-1)/2个位置配置的集合中获取第n个位置配置作为第二位置配置Pn，并根据第二位置配置Pn构建满足故障约束条件的第二重构通信网络拓扑；S44、根据所述第二重构通信网络拓扑和所述信息交互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，即为第二最优重构信息交互拓扑Tn；S45、计算所述第二最优重构信息交互拓扑的权重值，若该权重值小于所述重优化信息交互拓扑的权重值，则将所述重优化信息交互拓扑To更新为所述第二最优重构信息交互拓扑，将所述重优化位置配置Po更新为所述第二位置配置Pn；S46、若该权重值等于所述重优化信息交互拓扑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，则将重优化信息交互拓扑To更新为所述第二最优重构信息交互拓扑Tn，将重优化位置配置Po更新为所述第二位置配置Pn；S47、将所述符号n的值增加1，判断n是否满足预设条件n＞|V|×(|V|-1)/2，若不满足转到步骤S43。3.根据权利要求1所述的多无人机协同编队中信息交互拓扑启发式优化方法，其特征在于，所述步骤S2包括：若所述通信故障的类型为无人机的单播发射机故障，则删除所述通信网络拓扑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，则删除所述通信网络拓扑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，则删除所述通信网络拓扑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，则删除所述通信网络拓扑中该链接对应的弧；在所述通信网络拓扑中，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。4.根据权利要求1所述的多无人机协同编队中信息交互拓扑启发式优化方法，其特征在于，所述根据信息交互拓扑重构算法获取所述第一重构通信网络拓扑对应的三维最优持久图的步骤包括：计算所述第一重构通信网络拓扑的三维最优刚性图；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通信网络拓扑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，从第一重构通信网络拓扑中删除该第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。5.一种多无人机协同编队中信息交互拓扑启发式优化装置，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗贺，王国强，胡笑旋，马华伟，靳鹏，夏维，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34