[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在审

专利信息
申请号: 202110146341.X 申请日: 2021-02-03
公开(公告)号: CN113156803A 公开(公告)日: 2021-07-23
发明(设计)人: 王汇彬;陈鸣 申请(专利权)人: 南京华鹞信息科技有限公司
主分类号: G05B9/03 分类号: G05B9/03
代理公司: 暂无信息 代理人: 暂无信息
地址: 210046 江苏省南京市栖*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 一种 面向 任务 无人机 集群 资源管理 容错 控制 方法
【说明书】:

发明提出了一种面向任务的无人机集群资源管理及容错控制方法。在该方法中,首先包括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,为优化集群应用的集中决策提供环境支撑。根据无人机资源的动态性,通过轮询与Trap通知相结合的方法,减少轮询频率,降低资源状态感知开销。其次,包括一种基于策略的优先级计算方法,满足无人机集群面向任务的特性,适应不同任务的需求。第三,包括一种策略优先的分布式容错方法,解决在不确定环境下无人机节点的高故障率所导致的单点故障问题。通过主节点的热备份机制降低主节点失效后选举新的主节点的时延;通过同步机制保证主备节点间数据的一致性,减少任务执行所必须的过程性数据的丢失概率;通过子网合并算法消除网络中冗余主节点。

技术领域

本发明属于无人机应用领域,具体地说是提出一种面向任务的无人机集群(swarm)资 源管理及容错控制方法,通过全局资源状态感知为无人机集群应用的集中式优化决策提供环 境支撑,同时通过分布式容错机制减轻无人机的高故障率及恶劣运行环境带来的影响。

背景技术

无人机集群通常由一组无人机节点和地面控制站组成,无人机节点之间采用宽带通信技 术,而无人机节点与地面控制站之间采用窄带数据链进行通信。无人机集群具有节点能力受 限、资源多维异构、可靠性较低和受控移动等限制。无人机集群是个面向任务的系统,系统 需要为特定的任务而定制,即系统中的节点数量及其所携带的资源量都应当根据任务需要而 优化。此外,面向任务特性通常需要系统资源根据任务的需求在空间和时间上进行相应部署, 例如让搜索集群的前方中心的节点充当系统管控的中心节点,可以使系统管理更为有效。因 此设计无人机集群时应当面向应用,需要根据任务需求在节点数量、节点之间的关系和节点 上的应用资源配置等方面进行优化设计,需要对网络技术、无人机等都具有特定要求。

无人机决策及任务规划必须建立在及时获取系统状态的基础上,但目前缺乏无人机集群 资源状态感知、管理的技术。无人机集群的协同决策方式可分为集中式决策和分布式决策两 类,由于分布式决策只有少量的全局协调信息,其性能通常劣于集中式决策方式。大部分的 任务规划和控制算法都假定系统采用集中式决策方式。有些技术要求无人机集群以分布式方 式处理信息,但要求其结果传输到地面控制站进行数据融合,考虑到无人机与地面控制站间 的通信采用的是窄带数据链,这种管理方式无法满足许多无人机集群应用所需的实时性。本 发明采用了一种集中式决策与分布式执行相结合的高效管理模型,空中的集群系统在执行任 务时,选举出一个主节点进行数据聚合和集中式决策,再将决策结果下发至其从节点进行分 布式执行。此外,现有无人机集群资源管理方法较少考虑无人机集群面向任务、节点计算能 力和资源受限等特性,且无人机节点的高故障率和恶劣的运行环境会加剧集中式管理的单点 故障问题。

为解决上述问题,本发明提出了一种面向任务的无人机集群资源管理及容错控制方法, 节点自治管理本节点的资源并执行全局决策,主节点高效地感知全局资源与状态并为优化集 群应用的集中决策提供环境支撑;通过容错机制应对高故障率的无人机及恶劣的运行环境导 致的系统脆弱性。

发明内容

[发明目的]:本发明提供了一种面向任务的无人机集群资源管理及容错控制方法。通过 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,从而适应不同任务的需求。主 节点及时感知全局资源与状态,建立全局资源视图,高效地支持系统决策的优化;从节点自 治管理本地资源并分布式协同执行决策。采用策略优先的容错选举方法解决在不确定环境下 无人机节点的高故障率所导致的单点故障问题,通过主节点的热备份机制降低主节点失效后 选举新的主节点的时延,通过同步机制保证主备节点间数据的一致性,减少任务执行所必须 的过程性数据的丢失概率。

[技术方案]:

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;

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