一种基于最优刚性图的无人机蜂群编队网络路由方法技术

本发明专利技术公开了一种基于最优刚性图的无人机蜂群编队网络路由方法，包括：步骤1：僚机节点产生一个0‑1之间的随机数，将其与改进的阈值公式T(n)进行比较，小于阈值的节点将成为簇首节点，其他节点自动转化为普通节点；步骤2：簇首节点在自己的竞争半径内广播消息，其他普通节点通过计算选择函数的值，加入值最大的簇内；步骤3：对生成的多个集群的簇首节点采用最优刚性图的方法进行拓扑优化；步骤4：数据传输阶段，无人机蜂群簇内采用单跳方式进行传输，簇间采用单跳和多跳相结合的方式进行传输。该方法通过对多个簇首节点生成最优刚性图，保证了簇间通信是2‑连通的，加强了簇间通信的连通性，提高了簇间通信的容错性能，同时优化了网络整体负载。

【技术实现步骤摘要】
一种基于最优刚性图的无人机蜂群编队网络路由方法
本专利技术属于编队拓扑控制
，具体涉及一种基于最优刚性图的无人机蜂群编队网络路由方法。
技术介绍
无人机蜂群是由一群自主组网协同作业的小型无人机构成，具有成本低、感知能力好、协作能力强和功能分布化等优良特性，能够极大提高任务执行效率。可靠的通信网络能提高无人机蜂群协同合作的能力，实现信息实时共享，但无人机在飞行过程中可能会面对强电磁干扰和复杂的大气环境，因此需要采用一种能抵抗外界干扰的通信方式。无线紫外光通信具有抗干扰能力强、全天候工作、低功耗、易于机载等优点，能为无人机编队在强电磁干扰环境中顺利执行任务提供有效保障。无人机由于携带能源有限，为尽可能延长留空时间，应提高无人机网络的能量效率和数据传输效率。因此，针对无人机编队间的通信能耗问题，需要采用一种适用于无人机间的拓扑控制方法。分簇控制是一种典型的分层控制方式，良好的分簇方法不仅可以精简网络结构，还能改善网络性能，增强网络拓扑的容错性能。分簇方法通常是根据一定的算法机制将网络中所有节点划分为多个区域，每个区域代表为一个簇，每个簇内选取某个节点作为簇首，其余节点作为簇成员。将分簇方法应用于无人机网络中，即在无人机蜂群中选取符合一定条件的无人机作为簇首节点，成为簇首的无人机在自身的通信范围内广播消息，其他节点依据接收到的信号强度选择加入哪个簇。无人机蜂群分簇模型中，簇首对整个簇内的数据进行接收和融合，发送给汇聚节点。但当簇首节点离汇聚节点较远时，将会产生大量的能量消耗，影响负载的均衡性。且当簇首节点受到干扰时会导致整个簇内的数据丢失，因此加强簇与簇间的通信十分必要。针对此问题，提出一种基于最优刚性图的无人机蜂群编队网络路由方法，该方法在所有簇首节点中生成最优刚性图，簇首无人机按照生成的最优刚性图链路进行数据传输。
技术实现思路
本专利技术的目的是在紫外光通信条件下为无人机蜂群提供一种基于最优刚性图的无人机蜂群编队网络路由方法，保证了每个簇首无人机至少有两条邻接的边，加强了簇间信息传递的连通性，且距离汇聚节点较远的簇首节点可通过最优刚性图的链路进行数据传输，减少了网络的能量消耗，实现了节能的目的。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于最优刚性图的无人机蜂群编队网络路由方法，包括以下步骤：步骤1：在初始簇的建立阶段，僚机节点产生一个0-1之间的随机数，将其与改进的阈值公式T(n)进行比较，小于阈值的节点将成为簇首节点，其他节点自动转化为普通节点；步骤2：节点入簇，簇首节点选择成功后，会在自己的竞争半径Ri内向周围的网络中广播消息，在该通信范围内的其他普通节点接收到该消息后会建立一个簇首信息表，通过簇首信息表中的信息计算选择函数的值，普通节点加入选择函数值最大的簇内；步骤3：最优刚性图的生成阶段，在网络进行分簇后，对生成的多个集群的簇首节点采用最优刚性图的方法进行拓扑优化；步骤4：数据传输阶段，无人机蜂群簇内采用单跳方式进行传输，簇间采用单跳和多跳相结合的方式进行传输。进一步地，所述步骤1的具体过程包括：由长机广播竞选消息，收到消息的僚机节点会随机产生一个0-1间的随机数，如果该数小于阈值T(n)，则该僚机节点可在本轮中担任网络的簇首节点，阈值T(n)的计算公式如下：其中，pi表示簇首节点在无人机蜂群中期望所占的比例，Eres(i)表示僚机节点i当前时刻的剩余能量，d(i)表示僚机节点i与长机节点间的距离，R为当前的轮数，从上式可看出，当僚机节点的剩余能量越高，离长机的距离越近时，阈值T(n)越大，则该僚机节点被选为簇首节点的几率就越大。进一步地，所述步骤2的具体过程包括：一轮选举结束后，部分僚机节点成为簇首节点，其他僚机节点自动转换为普通节点，每个簇首节点在自己的竞争半径Ri内将其当选消息广播给周围普通节点，普通节点接收到该消息后会存储这些信息并建立一个簇首信息表，当普通节点的簇首信息表中只有一个簇首时，则该普通节点直接加入该簇；而当普通节点簇首信息表中有多个簇首时，普通节点通过计算选择函数的值加入值最大的簇内，选择函数的计算方法如下所示，其中，Eres为簇首节点的剩余能量；d为普通节点与簇首节点间的距离；CH为当前时刻簇内包含的成员个数。进一步地，所述步骤3的具体过程包括：步骤3.1：簇首节点以最大通信半径发送信息来寻找通信范围内的其他邻居簇首节点，当周围的邻居簇首节点收到信息后，会发送一个应答信息帧，此时，簇首节点接收到应答信息帧后建立一个自身的邻居信息列表；步骤3.2：计算簇首节点和其邻居簇首节点间构成的所有链路间的长度，按照从大到小排列；步骤3.3：根据排序结果建立簇首节点的刚度矩阵；步骤3.4：初始化矩阵Mi为上述刚度矩阵的第一行，添加刚度矩阵的第二行与第一行形成新的矩阵，计算此新矩阵的秩；步骤3.5：如果是满秩的话，加上此行；否则，从新矩阵中删除这一行，然后添加刚度矩阵的下一行到新矩阵中，直到找到2n-3个线性无关的行向量；步骤3.6：簇首节点和其邻居簇首节点构成最优刚性子图后，最后通过删除不属于全局优刚性图的边得到簇首间的最优刚性图。进一步地，所述步骤4的具体过程包括：当网络完成分簇后，开始数据的传输阶段，数据传输分为簇内数据传输和簇间数据传输。步骤4.1：簇内数据传输阶段，簇内所有僚机节点将侦察到的数据发送给簇首无人机，由簇首无人机进行信息融合，降低数据冗余性，由于节点在入簇时，优先加入离自己距离最近的簇首，因此簇内僚机节点和簇首节点的距离较近，选择单跳的通信方式，减少多跳带来的传输时延和数据丢失；步骤4.2：簇间数据传输阶段，若簇首节点在长机的通信范围内，则直接将数据传送至长机；若不在，则通过多跳的方式进行传输；簇首间生成的最优刚性图为簇首节点i找到了链路质量良好的逻辑邻居节点进行通信，从而选择权值较大的节点作为下一跳节点，经过其他簇首节点的转发将数据传送给长机，直到下一跳节点在长机的通信范围内时，直接将数据发送给长机；下一跳节点的权值计算公式如下所示：其中，Ej为邻居簇首节点的剩余能量；E0为无人机节点的初始能量；dij为簇首节点与下一跳簇首节点间的距离；dj为邻居簇首节点与长机间的距离，由上式可以看出，当下一跳簇首节点的能量越大、离长机的距离越近时，权值就越大。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：紫外光具有背景噪声小、抗电磁干扰能力强、低功耗、易于机载等优点，适合无人机编队在特殊情况下如电子对抗中的隐秘通信。将紫外光通信应用于无人机蜂群网络中，提高了机间通信的可靠性。针对传统分簇算法簇首节点与汇聚节点直接通信造成网络能耗不均衡的问题，提出一种基于最优刚性图的无人机蜂群编队网络路由方法，当簇首节点不在长机的通信范围内时，将通过多跳的方式和长机进行通信。对多个簇首节点生成最优刚性图，保证了簇间通信是2-连通的，加强了簇间通信的连通性，提高了簇间通信的容错性能，同时优化了网络整体负本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于最优刚性图的无人机蜂群编队网络路由方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：在初始簇的建立阶段，僚机节点产生一个0-1之间的随机数，将其与改进的阈值公式T(n)进行比较，小于阈值的节点将成为簇首节点，其他节点自动转化为普通节点；/n步骤2：节点入簇，簇首节点选择成功后，会在自己的竞争半径R

【技术特征摘要】
1.一种基于最优刚性图的无人机蜂群编队网络路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在初始簇的建立阶段，僚机节点产生一个0-1之间的随机数，将其与改进的阈值公式T(n)进行比较，小于阈值的节点将成为簇首节点，其他节点自动转化为普通节点；
步骤2：节点入簇，簇首节点选择成功后，会在自己的竞争半径Ri内向周围的网络中广播消息，在该通信范围内的其他普通节点接收到该消息后会建立一个簇首信息表，通过簇首信息表中的信息计算选择函数的值，普通节点加入选择函数值最大的簇内；
步骤3：最优刚性图的生成阶段，在网络进行分簇后，对生成的多个集群的簇首节点采用最优刚性图的方法进行拓扑优化；
步骤4：数据传输阶段，无人机蜂群簇内采用单跳方式进行传输，簇间采用单跳和多跳相结合的方式进行传输。


2.一种基于最优刚性图的无人机蜂群编队网络路由方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程包括：
由长机广播竞选消息，收到消息的僚机节点会随机产生一个0-1间的随机数，如果该数小于阈值T(n)，则该僚机节点可在本轮中担任网络的簇首节点，阈值T(n)的计算公式如下：



其中，pi表示簇首节点在无人机蜂群中期望所占的比例，Eres(i)表示僚机节点i当前时刻的剩余能量，d(i)表示僚机节点i与长机节点间的距离，R为当前的轮数，从上式可看出，当僚机节点的剩余能量越高，离长机的距离越近时，阈值T(n)越大，则该僚机节点被选为簇首节点的几率就越大。


3.一种分簇最优刚性图的蜂群无人机编队网络路由方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程包括：
一轮选举结束后，部分僚机节点成为簇首节点，其他僚机节点自动转换为普通节点，每个簇首节点在自己的竞争半径Ri内将其当选消息广播给周围普通节点，普通节点接收到该消息后会存储这些信息并建立一个簇首信息表，当普通节点的簇首信息表中只有一个簇首时，则该普通节点直接加入该簇；而当普通节点簇首信息表中有多个簇首时，普通节点通过计算选择函数的值加入值最大的簇内，选择函数的计算方法如下所示，



其中，Eres为簇首节点的剩余能量；d为普通节点与簇首节点间的距离；CH为当前时刻簇内包含的成员个数。

【专利技术属性】
技术研发人员：赵太飞，曹丹丹，张海军，薛蓉莉，蒙春，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61