[发明专利]一种基于最优刚性图的无人机蜂群编队网络路由方法

权利要求书

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R_i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，p_i表示簇首节点在无人机蜂群中期望所占的比例，E_res(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R_i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，E_res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。

4.一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M_i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。

5.一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，E_j为邻居簇首节点的剩余能量；E₀为无人机节点的初始能量；d_ij为簇首节点与下一跳簇首节点间的距离；d_j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。