[发明专利]一种面向任务的无人机集群资源管理及容错控制方法

权利要求书

1.一种适用于无人机集群的集中式决策与分布式执行相结合的管理方法，其特征在于：

A.针对面向任务的无人机集群，在节点注册阶段，根据任务需要集中式优化系统中的节点数量及其所携带的资源量；

B.在任务分发阶段，地面控制站将控制权移交至选举出的主节点；

C.在任务执行阶段，主节点基于任务需求获取系统宏观信息和特定的微观状态，建立全局资源视图，为集群应用的集中式高效决策提供支撑，从节点自治管理本节点的资源并执行全局决策。

2.一种基于策略的优先级计算方法，其特征在于：

A.采用选举策略来反映无人机集群应用对无人机集群节点在承担执行任务的角色、布局位置等方面的要求；

B.根据复合策略确定节点成为主节点的优先级，复合策略通过在选举策略集上定义的运算和＞运算来组合多个选举策略。

3.一种策略优先的分布式容错方法，其特征在于：

A.根据策略优先的优先级计算方法确定节点的优先级，将优先级最高的节点选为主节点，优先级次高的节点选为备用主节点，通过主节点的热备份机制降低主节点失效后的选举新的主节点的时延；通过同步机制保证主备节点间的数据一致性；

B.针对主节点和备用主节点同时失效的情况，使用分布式选举算法选举出子网的主节点和备用主节点，若网络被分割成若干个互不连通子网，则每个子网均会选举出各自的主节点和备用主节点；

C.若因无人机节点移动等因素而导致互不连通的两个子网恢复连通性时，使用子网合并算法消除冗余的主节点。

其具体实施步骤如下：

步骤1：节点注册过程。参与特定任务的无人机必须向地面控制站注册，并由地面控制站对它们的身份及其资源认证后才能成为系统节点。具体包括以下三个子步骤：

步骤1.1地面控制站与参与任务的n个无人机节点具有安全认证所需的非对称密钥对{PK_i，SK_i|i＝1，2，...，n}；

步骤1.2所有节点向地面控制站发送注册报文。节点使用自己的私钥对报文进行签名并用地面控制站的公钥PK₀加密。注册报文中包含节点自身的信息(包括本节点的ID、MAC地址、IP地址、能量、应用资源等)、不重数(防止重放攻击)、和签名信息(保护报文完整性)；

步骤1.3地面控制站一旦用自已的私钥SK₀解密并用对方公钥鉴别后，就认证了对方身份，此后就将此次任务所使用的对称密码的秘钥KEY_m传输给对方。在此次任务进行中，所有通信过程都采用KEY_m为秘钥保护通信报文的机密性。

步骤2：任务分发过程。地面控制站根据任务目标及其系统资源，调用优化算法分解任务，为每个节点分配任务角色及其资源，并将任务分发给各节点。具体包括以下三个子步骤：

步骤2.1主节点选举。节点的优先级由所执行的任务对应的选举策略确定。地面控制站从注册的节点中选举出优先级最高的节点作为主节点，优先级次高的节点作为备份主节点，其它节点为自主执行主节点分配的任务的从节点；

步骤2.2任务分配。地面控制站根据执行的任务、参与的节点及其拥有的资源，调用优化算法将任务分解成子任务集合T＝{t_i|i＝1，2，...，n}，节点或节点集合所对应的子任务为t_k。t_k中包含任务ID、节点子集V_k、编队F、航迹FT等信息；

步骤2.3任务交付。采用二阶段提交协议将任务t_k、及全局资源信息分别提交给各个节点。提交完成后，地面控制站将控制权移交给主节点，主节点成为无人机集群的管控中心。

步骤3：任务执行过程。系统主节点使用轮询和Trap通知两种方式感知系统的全局状态及任务进程，维护系统的正常运行，为无人机集群应用提供信息和环境支撑。主节点会周期性的与备用节点同步，此外，主节点接收到Trap通知会立即触发同步操作。当主节点故障时，系统运行容错选举算法，由备份主节点代替主节点，然后主节点再根据策略选举出它的备份主节点。当系统主节点和备份主节点同时故障时，系统运行分布式选举算法。若因无人机节点移动等因素而导致互不连通的两个子网恢复连通性时，运行子网合并算法消除冗余的主节点。

其中，在步骤2.1中所述的“节点的优先级由所执行的任务对应的选举策略确定”，其作法如下：

(1)选举策略用来反映上层应用对无人机集群节点在承担执行任务的角色、布局位置等方面的要求，根据一个或多个选举策略的组合来确定节点成为主节点的优先级；

(2)设P＝{p₁，p₂，…，p_m}表示执行某种任务的选举策略集合，p_i(x)表示节点x使用选举策略p_i时的优先级。选举策略集上定义了两种运算：运算和＞运算。

运算的定义：策略权重α∈[0，1]，复合策略的定义如下：

p_c＝p_ip_j≡p_c(x)＝α×p_i(x)^*+(1-α)×p_j(x)^*

其中，*运算符表示min-max标准化运算。

＞运算的定义：策略复合策略p_c＝p_i＞p_j的定义如下：

p_c(x)＞p_c(y)≡(p_i(x)＞p_i(y))∪((p_i(x)＝p_i(y))∩(p_j(x)＞p_j(y)))

(3)默认的选举策略p_d根据节点ID的大小排序，即p_d(x)＞p_d(y)≡id(x)＞id(y)；当存在其它的选举策略p_c时，p_c＞p_d。

其中，在步骤3中所述的“系统主节点使用轮询和Trap通知两种方式感知系统的全局状态及任务进程”，其作法如下：

(1)无人机集群资源被分为动态、半动态、稳态三类。动态资源(如节点可用性等)是系统最为关切的，轮询周期最小；半动态资源(如位置、能量等)对应用优化影响较大，轮询周期中等；而稳态资源(如摄像机、传感设备等)通常变动不大，轮询周期大；

(2)轮询全局资源的基本流程是：主节点周期性地向无人机集群中所有其他节点发送HELLO报文，HELLO报文中包含当前连通域信息和主节点ID；从节点接收到主节点的HELLO报文后，使用KEY_m对报文进行解密，将当前节点所设置的主节点ID与报文中的值进行比较，若主节点ID不同，则表示需要删除冗余的主节点；然后将当前节点状态信息通过HELLOACK报文发送至主节点；主节点接收到节点返回的HELLOACK报文后，更新本地缓存的节点的状态信息。时间段τ内未与主节点发生交互的从节点的状态将被置为断开连接，且主节点不再轮询这些节点。

(3)Trap通知过程的基本流程是：当从节点发生异常或半动态资源状态发生改变时，从节点会主动发送TRAP报文至主节点，使得主节点可以即时获取更新后的从节点状态；主节点接收到从节点的TRAP报文后，使用KEY_m对报文进行解密，更新从节点的状态信息并发送TRAPACK报文至从节点。

其中，在步骤3中所述的“当主节点故障时，系统运行容错选举算法”，容错选举算法的作法如下：

(1)当主节点工作正常而备份主节点失效时，主节点重新选举它的备份主节点，并启动轮询过程，利用HELLO报文告知所有节点新的备份主节点；

(2)当任何从节点检测出主节点故障，则发送REVOTE报文至备份主节点，备份主节点接收到REVOTE报文后，则进一步探测确定主节点的可用性。若主节点失效，则备份主节点宣告自己为新的主节点并选举出新的备份主节点，通过向所有节点发送SWITCH报文更新主、备节点的信息。

其中，在步骤3中所述的“当系统主节点和备份主节点同时故障时，系统运行分布式选举算法。”，分布式选举算法的基本过程如下：

(1)当某节点检测出主节点和备份主节点失效时，首先获取优先级最高的有效节点，如果该节点是自身，则选举出新的备份主节点并通知所有其他节点；否则，该节点向优先级最高的节点发送DIST_ELECTION报文；

(2)接收到DIST_ELECTION报文的节点，向发送该报文的节点发送DIST_ELECTION_ACK响应报文，并执行步骤(1)。

(3)若在特定时间内未收到DIST_ELECTION_ACK响应报文，则置该节点状态为断开连接，并重新执行步骤(1)。若收到响应报文，则本节点退出选举过程。

当出现许多节点故障时，无人机集群将被分割成若干个互不连通子网。每个子网将会执行分布式选举算法，选举出各自的主节点和备份主节点。

其中，在步骤3中所述的“若因无人机节点移动等因素而导致互不连通的两个子网恢复连通性时，运行子网合并算法消除冗余的主节点”，子网合并算法的基本过程如下：

(1)主节点周期性地更新与其他节点间的可达性，HELLO报文中携带了当前连通域的主备节点信息；

(2)当两个连通域合并时，若连通域D_i的主节点master_i接收到来自于另一个连通域D_j的主节点master_j发送的HELLO报文，则比较master_i和master_j的优先级(策略相关)；若master_i的优先级较高，则发送DELMULMASTER报文至master_j，master_j接收到DELMULMASTER消息后，切换状态为从节点并设置主节点和备份主节点为master_i，backup_i。若master_i的优先级低于master_j，则master_i的状态切换为从节点并设置主备节点为master_j，backup_j。

(3)若从节点接收到另一个连通域的主节点的HELLO报文，则比较当前连通域的主节点与另一连通域的主节点的优先级，选择优先级高的主节点及对应的备份主节点作为本节点的主节点、备份主节点。