[发明专利]多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法及装置。

背景技术

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(communication links)进行信息交互，以形成一定的编队队形(formation shape或者formation geometry)，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UAV协同编队的信息交互拓扑(information exchange topology)，同时，将UAV之间所有可用的通信链接的集合称为多UAV协同编队的通信网络拓扑(Communication Network Topology)。

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，编队飞行过程中某架或多架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，从而导致多UAV协同编队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碰撞事故并恢复编队队形，同时降低UAV的电池电量或燃料的消耗成为了亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法及装置，用于在多无人机组成的三维持久编队发生通信故障之后快速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编队队形，同时降低无人机的电池电量或燃料的消耗。

第一方面，本发明实施例提供了一种多无人机协同编队中的信息交互拓扑优化方法，所述方法包括：

当所述多无人机协同编队发生通信故障时，获取所述通信故障的类型；

根据所述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获取优化通信网络拓扑；

获取所述优化通信网络拓扑的三维最优持久图，所述三维最优持久图即为该多无人机协同编队的优化信息交互拓扑。

可选地，所述获取所述优化通信网络拓扑的三维最优持久图的步骤包括：

计算所述优化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优化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；