均衡能耗的无人机编队信息交互拓扑在线优化方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种均衡能耗的无人机编队信息交互拓扑在线优化方法和装置，涉及无人机通信领域。本发明专利技术基于无人机编队的三维队形和无人机的初始能量获取通信网络；基于通信网络获取加权有向图；基于加权有向图获取三维线性无关图；基于三维线性无关图获取无人机编队的信息交互拓扑；将无人机编队的信息交互拓扑发送给无人机；当无人机的飞行时间和初始时间的实时时间差大于预设的调度周期时，判断每个无人机的剩余能量是否均大于维持无人机飞行的最低能量；若满足条件，则基于当前剩余能量更新无人机编队的信息交互拓扑，并不断循环上述过程直至不满足条件；当不满足条件时，则命令无人机降落。本发明专利技术可以延长无人机编队执行任务时的可工作时间。

On line optimization method and device of UAV formation information interaction topology with balanced energy consumption

【技术实现步骤摘要】
均衡能耗的无人机编队信息交互拓扑在线优化方法和装置
本专利技术涉及无人机通信
，具体涉及一种均衡能耗的无人机编队信息交互拓扑在线优化方法和装置。
技术介绍
随着科技的发展，无人机(UAV)技术愈发的被广泛应用于各种领域，例如军事、工业、环境监测、医疗卫生和智能交通等。在利用无人机进行工作时，控制多架无人机保持一定队形进行飞行工作是最重要的一环。无人机通常通过点对点的通信链接进行信息交互，以形成一定的编队队形，并保持此编队队形朝目标区域飞行。其中，所使用的通信链接被称为无人机编队的信息交互拓扑。无人机上一般搭载有数据运算处理装置，使每架无人机构成网络计算节点。无人机在编队工作时，相互之间可以向其他无人机发送信号以及接收来自于其他无人机的信号，从而实现多无人机间的信息交流，并构建信息交互拓扑。然而本申请的专利技术人发现，由于每架无人机可用的能量是有限的，但处于发送状态的无人机消耗能量的速度比处于接收状态的无人机消耗能量的速度快，因此在无人机编队执行任务时间较长时，会出现一架或几架无人机能量消耗过大的情况。即现有技术在实际应用中存在无人机编队在执行任务时的可工作时间短的缺点。
技术实现思路
(一)解决的技术问题针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种均衡能耗的无人机编队信息交互拓扑在线优化方法和装置，解决了无人机编队在执行任务时的可工作时间短的问题。(二)技术方案为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：本专利技术解决其技术问题所提供的一种均衡能耗的无人机编队信息交互拓扑在线优化方法，所述优化方法由计算机执行，包括以下步骤：S1、基于无人机编队的三维队形和无人机的初始能量获取通信网络；S2、基于所述通信网络获取加权有向图；S3、基于所述加权有向图获取三维线性无关图；S4、基于所述三维线性无关图获取无人机编队的信息交互拓扑；S5、将所述无人机编队的信息交互拓扑发送给无人机，并记录初始时间；S6、记录无人机的每一个飞行时间，基于所述初始时间和所述每一个飞行时间获取无人机的实时时间差；S7、当所述实时时间差大于预设的调度周期时，获取每个无人机的剩余能量，并判断：每个无人机的剩余能量是否均大于维持无人机飞行的最低能量；若满足条件，则基于所述三维队形和所述剩余能量生成当前时间的无人机编队的信息交互拓扑；将所述无人机编队的信息交互拓扑更新为当前时间的无人机编队的信息交互拓扑，将所述初始时间更新为当前时间，并跳转到S5中，重复步骤S5-S7；若不满足条件，则命令无人机降落。优选的，在S2中，所述加权有向图的获取方法为：获取所述通信网络的第一最小树形图，并将所述第一最小树形图中的弧及其反向弧从所述通信网络中删除，得到第一通信网络；获取所述第一通信网络的第二最小树形图，并将所述第二最小树形图中的弧及其反向弧从所述第一通信网络中删除，得到第二通信网络；获取所述第二通信网络的第三最小树形图，并将所述第三最小树形图中的弧及其反向弧从所述第二通信网络中删除，得到第三通信网络；将所述第一最小树形图、所述第二最小树形图和所述第三最小树形图合并，获得所述加权有向图。优选的，在S3中，所述三维线性无关图的获取方法为：S301、按照权值从高到低的顺序对所述加权有向图中的弧进行排序，赋值h＝1；S302、判断所述加权有向图中的弧的数量是否大于所述加权有向图对应的加权无向图的刚度矩阵的秩r，若满足条件，删除所述加权有向图中的第h条弧，得到第一加权有向图；若不满足条件，则所述加权有向图即为三维线性无关图；S303、判断所述第一加权有向图对应的加权无向图的刚度矩阵的秩是否小于r，若满足条件，则将所述第h条弧重新加入到第一加权有向图中，得到第二加权有向图；若不满足条件，则不进行处理，得到第二加权有向图；S304、更新h的取值；S305、判断所述第二加权有向图中的弧的数量是否大于r，若满足条件，则将所述加权有向图中的数据更新为所述第二加权有向图中的数据，并跳转到步骤S302，重复步骤S302-S305；若不满足条件，则所述第二加权有向图即为三维线性无关图。优选的，在S4中，所述无人机编队的信息交互拓扑的获取方法为：S401、判断所述三维线性无关图对应的加权无向图的刚度矩阵的秩r0和所述三维线性无关图的节点集合V是否满足r0<3×|V|-6，若满足条件，按照权值从低到高的顺序对所述第三通信网络中的弧进行排序，获取所述第三通信网络中的第k条弧aij，其中，k＝1；若不满足条件，则所述三维线性无关图即为无人机编队的信息交互拓扑；S402、判断所述三维线性无关图对应的加权无向图的刚度矩阵的秩r0和所述三维线性无关图的节点集合V是否满足r0<3×|V|-6，若不满足条件，则所述三维线性无关图即为无人机编队的信息交互拓扑；若满足条件，则判断：所述第k条弧aij的终点vj在所述三维线性无关图中的入度是否小于3并且所述第k条弧aij的反向弧aji是否不在所述三维线性无关图中；若两个条件均满足，将所述第k条弧aij添加到所述三维线性无关图中，得到第一三维线性无关图，并跳转到步骤S403；若两个条件不能全部满足，则更新k的取值，并重复步骤S402；S403、判断所述第一三维线性无关图对应的加权无向图的刚度矩阵的秩是否为满秩，若不满足条件，则将所述第k条弧aij从所述第一三维线性无关图中删除，得到第二三维线性无关图，且，令r1＝r0；若满足条件，则令r1＝r0+1，保留所述第k条弧aij，得到第二三维线性无关图；S404、更新所述k的取值；S405、判断所述r1是否满足r1<3×|V|-6，若满足条件，则将所述三维线性无关图中的数据更新为所述第二三维线性无关图中的数据，并跳转到步骤S402，重复步骤S402-S405；若不满足条件，则所述第二三维线性无关图即为无人机编队的信息交互拓扑。本专利技术解决其技术问题所提供的一种均衡能耗的无人机编队信息交互拓扑在线优化装置，所述优化装置包括计算机，所述计算机包括：至少一个存储单元；至少一个处理单元；其中，所述至少一个存储单元中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述至少一个处理单元加载并执行以实现以下步骤：S1、基于无人机编队的三维队形和无人机的初始能量获取通信网络；S2、基于所述通信网络获取加权有向图；S3、基于所述加权有向图获取三维线性无关图；S4、基于所述三维线性无关图获取无人机编队的信息交互拓扑；S5、将所述无人机编队的信息交互拓扑发送给无人机，并记录初始时间；S6、记录无人机的每一个飞行时间，基于所述初始时间和所述每一个飞行时间获取无人机的实时时间差；S7、当所述实时时间差大于预设的调度周期时，获取每个无人机的剩余能量，并判断：每个无人机的剩余能量是否均大于维持无人机飞行的最低能量；若满本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种均衡能耗的无人机编队信息交互拓扑在线优化方法，其特征在于，所述优化方法由计算机执行，包括以下步骤：/nS1、基于无人机编队的三维队形和无人机的初始能量获取通信网络；/nS2、基于所述通信网络获取加权有向图；/nS3、基于所述加权有向图获取三维线性无关图；/nS4、基于所述三维线性无关图获取无人机编队的信息交互拓扑；/nS5、将所述无人机编队的信息交互拓扑发送给无人机，并记录初始时间；/nS6、记录无人机的每一个飞行时间，基于所述初始时间和所述每一个飞行时间获取无人机的实时时间差；/nS7、当所述实时时间差大于预设的调度周期时，获取每个无人机的剩余能量，并判断：每个无人机的剩余能量是否均大于维持无人机飞行的最低能量；/n若满足条件，则基于所述三维队形和所述剩余能量生成当前时间的无人机编队的信息交互拓扑；将所述无人机编队的信息交互拓扑更新为当前时间的无人机编队的信息交互拓扑，将所述初始时间更新为当前时间，并跳转到S5中，重复步骤S5-S7；/n若不满足条件，则命令无人机降落。/n

【技术特征摘要】
1.一种均衡能耗的无人机编队信息交互拓扑在线优化方法，其特征在于，所述优化方法由计算机执行，包括以下步骤：
S1、基于无人机编队的三维队形和无人机的初始能量获取通信网络；
S2、基于所述通信网络获取加权有向图；
S3、基于所述加权有向图获取三维线性无关图；
S4、基于所述三维线性无关图获取无人机编队的信息交互拓扑；
S5、将所述无人机编队的信息交互拓扑发送给无人机，并记录初始时间；
S6、记录无人机的每一个飞行时间，基于所述初始时间和所述每一个飞行时间获取无人机的实时时间差；
S7、当所述实时时间差大于预设的调度周期时，获取每个无人机的剩余能量，并判断：每个无人机的剩余能量是否均大于维持无人机飞行的最低能量；
若满足条件，则基于所述三维队形和所述剩余能量生成当前时间的无人机编队的信息交互拓扑；将所述无人机编队的信息交互拓扑更新为当前时间的无人机编队的信息交互拓扑，将所述初始时间更新为当前时间，并跳转到S5中，重复步骤S5-S7；
若不满足条件，则命令无人机降落。


2.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，在S2中，所述加权有向图的获取方法为：
获取所述通信网络的第一最小树形图，并将所述第一最小树形图中的弧及其反向弧从所述通信网络中删除，得到第一通信网络；
获取所述第一通信网络的第二最小树形图，并将所述第二最小树形图中的弧及其反向弧从所述第一通信网络中删除，得到第二通信网络；
获取所述第二通信网络的第三最小树形图，并将所述第三最小树形图中的弧及其反向弧从所述第二通信网络中删除，得到第三通信网络；
将所述第一最小树形图、所述第二最小树形图和所述第三最小树形图合并，获得所述加权有向图。


3.如权利要求2所述的优化方法，其特征在于，在S3中，所述三维线性无关图的获取方法为：
S301、按照权值从高到低的顺序对所述加权有向图中的弧进行排序，赋值h＝1；
S302、判断所述加权有向图中的弧的数量是否大于所述加权有向图对应的加权无向图的刚度矩阵的秩r，若满足条件，删除所述加权有向图中的第h条弧，得到第一加权有向图；若不满足条件，则所述加权有向图即为三维线性无关图；
S303、判断所述第一加权有向图对应的加权无向图的刚度矩阵的秩是否小于r，若满足条件，则将所述第h条弧重新加入到第一加权有向图中，得到第二加权有向图；若不满足条件，则不进行处理，得到第二加权有向图；
S304、更新h的取值；
S305、判断所述第二加权有向图中的弧的数量是否大于r，若满足条件，则将所述加权有向图中的数据更新为所述第二加权有向图中的数据，并跳转到步骤S302，重复步骤S302-S305；若不满足条件，则所述第二加权有向图即为三维线性无关图。


4.如权利要求3所述的优化方法，其特征在于，在S4中，所述无人机编队的信息交互拓扑的获取方法为：
S401、判断所述三维线性无关图对应的加权无向图的刚度矩阵的秩r0和所述三维线性无关图的节点集合V是否满足r0<3×|V|-6，若满足条件，按照权值从低到高的顺序对所述第三通信网络中的弧进行排序，获取所述第三通信网络中的第k条弧aij，其中，k＝1；若不满足条件，则所述三维线性无关图即为无人机编队的信息交互拓扑；
S402、判断所述三维线性无关图对应的加权无向图的刚度矩阵的秩r0和所述三维线性无关图的节点集合V是否满足r0<3×|V|-6，若不满足条件，则所述三维线性无关图即为无人机编队的信息交互拓扑；
若满足条件，则判断：所述第k条弧aij的终点vj在所述三维线性无关图中的入度是否小于3并且所述第k条弧aij的反向弧aji是否不在所述三维线性无关图中；若两个条件均满足，将所述第k条弧aij添加到所述三维线性无关图中，得到第一三维线性无关图，并跳转到步骤S403；若两个条件不能全部满足，则更新k的取值，并重复步骤S402；
S403、判断所述第一三维线性无关图对应的加权无向图的刚度矩阵的秩是否为满秩，若不满足条件，则将所述第k条弧aij从所述第一三维线性无关图中删除，得到第二三维线性无关图，且，令r1＝r0；若满足条件，则令r1＝r0+1，保留所述第k条弧aij，得到第二三维线性无关图；
S404、更新所述k的取值；
S405、判断所述r1是否满足r1<3×|V|-6，若满足条件，则将所述三维线性无关图中的数据更新为所述第二三维线性无关图中的数据，并跳转到步骤S402，重复步骤S402-S405；若不满足条件，则所述第二三维线性无关图即为无人机编队的信息交互拓扑。


5.一种均衡能耗的无人机编队信息交互拓扑在线优化装置，其特征在于，所述优化...

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