[发明专利]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

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信息交互拓扑启发式优化方法及装置。

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无人机协同编队的信息交互拓扑(information exchange topology)、通信拓扑(communication topology)、连接拓扑(connection topology)、信息结构(information structure)或者信息拓扑(information topology)，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(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。

发明内容

针对相关技术中的缺陷，本发明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，本发明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；