[发明专利]一种基于分簇算法的智能监测无人机控制系统

权利要求书

1.一种基于分簇算法的智能监测无人机控制系统，其特征在于：包括若干飞行状态的无人机和一个地面控制台；每个无人机上均安装有控制模块，各个无人机形成各个无人机节点，各控制模块之间相互通讯连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于分簇算法的智能监测无人机控制系统，其特征在于：在每个控制模块内设置一个变量H，H表示本无人机与地面控制台的距离；在系统初始化时每个无人机先检测自身与地面控制台的距离，并以此为决定分簇的基础；

首先H值较小的节点优先成为预备簇头，然后每个预备簇头在本身通信范围内进行侦听，若没有收到其他通信范围内预备簇头的广播信息，则发送宣布自己成为簇头的广播，同时对自己进行簇的编号，并接收其他无人机作为簇的成员；

设置门限值switch_H，无人机的运动距离表示为ΔH；ΔH的值大于门限值switch_H时，算法启动对于此节点的重新分簇，让其加入新的簇中，或者直接成为簇头；

在无人机移动后，相对位置发生改变，原本的分簇将不适用与网络中的无人机节点分布，此时进行无人机的重新分簇。

3.根据权利要求2所述的一种基于分簇算法的智能监测无人机控制系统，其特征在于：

所述无人机节点包括监测无人机节点和路由无人机节点；A监测无人机节点，B为处于无人机监测范围内的目标，C路由无人机节点；每个监测无人机节点拥有固定的监测范围半径Rc和通信半径Rd；路由无人机节点只拥有固定的通信半径Rd；监测无人机节点A发现目标B后，将信息传送至通信范围内的路由无人机节点C；无人机节点在同一时间内只能加入一个簇中，在工作周期中可以随时脱离当前簇加入其他的簇中；每一个无人机节点都有自身的目标捕捉区域，可相互重叠，互不影响；

控制模块硬件结构由供电模块，与无人机的交互模块，射频识别模块，处理模块以及存储模块构成；其中射频识别模块负责控制模块之间的相互通信，用于构成网络；无人机的交互模块则负责与所搭载的无人机之间的信息交互，向无人机发送位置信息。

4.根据权利要求2所述的一种基于分簇算法的智能监测无人机控制系统，其特征在于：

每个无人机节点的工作周期可分为三部分，t1表示决定簇头阶段，t2表示加入分簇的判决阶段，t3表示分簇完成后的正常工作阶段；三个阶段合起来为一个工作周期；

无人机在t1阶段通过H值来判定自身是否成为预备簇头节点，若是则在本身通信范围内进行侦听，若没有收到其他通信范围内预备簇头的广播信息，则发送宣布自己成为簇头的广播；否则直接进入t2阶段，此阶段对无人机本工作循环加入某个分簇进行判决，在t3阶段根据阶段2的输出来选择工作的簇；

首先在系统初始化之后，通过地面控制台向区域中的所有节点广播一条信息，中心节点以足够大的功率发送，以保证覆盖到网络中的所有无人机，根据RSSI计算公式，网络中的无人机以此确定与地面控制台的距离H；这里设定当无人机节点的H值小于节点通信半径Rd时，此无人机将成为预备簇头节点；

设定t时刻Ni节点与地面控制台的距离表示为H(i,t)，每个监测无人机节点的通信范围为Rd；无人机节点Ni可根据下式来判断自己是否成为预备簇头节点；

当确定无人机Ni为预备簇头节点后，开始向周围发送簇头标识信号indentifcation，周边无人机在接收到此信号后将加入此分簇；若此时节点Ni并没有受到其他无人机所发送的标识信号，则自动成为簇头节点，若收到标识信号，则对比两个发送信号的无人机的H值，较小的节点成为簇头节点，另一个则加入此分簇；

设定t时刻预备簇头Ni是否成为簇头节点的标识为cluster head(i，t)，通过下式可以判断无人机Ni是否成为了簇头节点。

当簇头判决完成后，网络中可以直接收到簇头节点广播的簇头标识信号indentifcation的无人机可以直接加入此分簇中，同时转发此簇头标识信号indentifcation，使其通信范围内的其他无人机也可以加入到这一分簇中

由于无人机处于运动中，因此分簇也不是一成不变的，在簇头节点的运动距离ΔH的值大于门限值switch_H时，网络进行簇重构；为了节省成簇时各种广播交换信息的能量消耗，只在初始准备阶段，所有节点采用预备簇头的成簇方式，在以后的簇重构周期中，都采用定时机制；这里设定d(Ni,Nj)为节点Ni与Nj间的距离。

将无人机节点感知范围内的邻居节点个数，表示为：

N_i.D＝{N_i|N_j∈V,d(N_i,N_j)≤N_i(R)}

其中V为所有监测节点的集合，若d(N_i,N_j)这个距离小于等于节点的竞争半径，即节点所能广播通信到的范围，则将此节点记为邻居节点，并累加为节点度；

每个无人机根据公式计算出自己的定时时间，若在时间内收到了其他无人机的簇头标识消息，就直接加入该簇，若没有收到，则确定自己为簇头并在通信范围内广播自己成为簇头的消息；到达最大竞争时间后，所有无人机根据收到的簇头广播消息加入响应的簇中，网络的簇重构完成；

设定定时时间公式为：

其中，α+β+γ＝1，为各参数的权重调节系数，k为一个调节系数，设为(0.9，1)之间的一个随机数，为了减少节点间传递簇头标识消息时，时间冲突的可能性；TCH0为设定的最大竞争时间，H₀为节点与中心节点的初始距离，H(N_i)为节点当前与中心节点的距离，N_i.D为节点的节点度，n为节点的总个数N_i(R)为节点的竞争半径；

这里采用定时机制，可以节省每轮簇重构时的的能量消耗，并且提高网络的效率。影响定时时间设定主要有三个参数，当无人机距离中心节点越接近，节点度越高，竞争半径越大时，所设定的定时时间越短，即越容易成为簇头节点；距离参数使得靠近地面控制台的无人机优先成簇。