[發明專利]基于多任務無人機集群信息交互的分層分簇網絡拓撲結構生成方法

有效

• 申請號: 202011254523.0
• 申請日: 2020-11-11
• 公開（公告）號: CN112437502B
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 何鋒;董文奇
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H04W84/18
• 分類號: H04W84/18;G05D1/10
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 冀學軍

1.一種基于多任務無人機集群信息交互的分層分簇網絡拓撲結構生成方法，其特征在于包括有下列步驟：

步驟一：確定無人機簇集合以及每個簇群的位置矩陣；

步驟101，隨機選取編隊隊形中任意一架無人機UAV_j作為編隊參考點；

對編隊隊形中的無人機集合記為MUAV＝{UAV₁,UAV₂,…,UAV_a,…,UAV_j,…,UAV_N}；

UAV₁表示第一架無人機；

UAV₂表示第二架無人機；

UAV_j表示任意一架無人機；下角標j表示無人機的標識號；

UAV_a表示另一架任意無人機；下角標j與a表示不同的無人機；

UAV_N表示最后一架無人機，下角標N表示無人機的總數；

記錄下所述MUAV＝{UAV₁,UAV₂,…,UAV_a,…,UAV_j,…,UAV_N}中各個無人機的位置(x,y,z)，x為橫軸，y為縱軸，z為豎軸，即飛行高度；

步驟102，執行相同任務的多個無人機為同一簇；

執行的任務集合記為TASK＝{task₁,task₂,…,task_b,…,task_l,…,task_B}；

task₁表示第一種任務類型；

task₂表示第二種任務類型；

task_b表示任意一種任務類型；下角標b表示任務類型的標識號；為了方便說明，task_l表示另一種任意任務類型；下角標l與b表示不同的任務類型；

task_B表示最后一種任務類型；下角標B表示任務類型的總數；

簇群集合記為MC，且MC＝{C₁,C₂,…,C_i,…,C_k,…,C_M}，其中：

C₁表示第一個簇群；第一個簇群C₁的簇首，記為

C₂表示第二個簇群；第二個簇群C₂的簇首，記為

C_i表示任意一個簇群；下角標i表示簇群的標識號；任意一個簇群C_i的簇首，記為

C_k表示另一個任意簇群，下角標k與i表示不同的簇群；為簇群C_k的簇首；

C_M表示最后一個簇群，下角標M表示簇群的總數；最后一個簇群C_M的簇首，記為

將MUAV＝{UAV₁,UAV₂,…,UAV_a,…,UAV_j,…,UAV_N}中的無人機依據執行相同任務為同一簇進行分簇MC＝{C₁,C₂,…,C_i,…,C_k,…,C_M}，分別獲得：

第一個簇群

表示屬于第一個簇群C₁的第一架無人機；

表示屬于第一個簇群C₁的第二架無人機；

表示屬于第一個簇群C₁的任意一架無人機；

表示屬于第一個簇群C₁的另一架任意無人機；

表示屬于第一個簇群C₁的最后一架無人機；

第二個簇群

表示屬于第二個簇群C₂的第一架無人機；

表示屬于第二個簇群C₂的第二架無人機；

表示屬于第二個簇群C₂的任意一架無人機；

表示屬于第二個簇群C₂的另一架任意無人機；

表示屬于第二個簇群C₂的最后一架無人機；

任意一個簇群

表示屬于任意一個簇群C_i的第一架無人機；

表示屬于任意一個簇群C_i的第二架無人機；

表示屬于任意一個簇群C_i的任意一架無人機；

表示屬于任意一個簇群C_i的另一架任意無人機；

表示屬于任意一個簇群C_i的最后一架無人機；

另一個任意簇群

表示屬于另一個任意簇群C_k的第一架無人機；

表示屬于另一個任意簇群C_k的第二架無人機；

表示屬于另一個任意簇群C_k的任意一架無人機；

表示屬于另一個任意簇群C_k的另一架任意無人機；

表示屬于另一個任意簇群C_k的最后一架無人機；

最后一個簇群

表示屬于最后一個簇群C_M的第一架無人機；

表示屬于最后一個簇群C_M的第二架無人機；

表示屬于最后一個簇群C_M的任意一架無人機；

表示屬于最后一個簇群C_M的另一架任意無人機；

表示屬于最后一個簇群C_M的最后一架無人機；

步驟103，構建每一個簇的位置矩陣；

以第一個簇群中每個無人機的位置，構建得到第一個簇群的位置矩陣，記為

以第二個簇群中每個無人機的位置，構建得到第二個簇群的位置矩陣，記為

以任意一個簇群中每個無人機的位置，構建得到任意一個簇群的位置矩陣，記為

以另一個任意簇群中每個無人機的位置，構建得到另一個任意簇群的位置矩陣，記為

以最后一個簇群中每個無人機的位置，構建得到最后一個簇群的位置矩陣，記為

步驟104，從每一個簇中選取出簇首，并記錄下所有簇首的位置；

將每個簇群中的簇首選取出，構成簇首集合為然后記錄下簇首的位置，所有簇首的位置構成了簇首位置矩陣P^CH；

第一個簇群C₁_MUAV的簇首，記為

第二個簇群C₂_MUAV的簇首，記為

任意一個簇群C_i_MUAV的簇首，記為

另一個任意簇群C_k_MUAV的簇首，記為

最后一個簇群C_M_MUAV的簇首，記為

步驟二：構建每個簇群的簇內信息交互的網絡拓撲結構；

任意一個簇群中的無人機記錄著一個三元組無人機狀態信息，稱為簇群的通信網絡拓撲，記為且

C_i_MUAV表示任意一個簇群；

表示屬于C_i_MUAV中無人機通信網絡拓撲的通信鏈路；

表示屬于C_i_MUAV中無人機通信網絡拓撲的通信鏈路的通信代價，用通信鏈路的長度表示；

步驟201，記錄每個簇群中無人機之間的狀態信息；

第一個簇群的通信網絡拓撲，記為且

第二個簇群的通信網絡拓撲，記為且

任意一個簇群的通信網絡拓撲，記為且

另一個任意簇群的通信網絡拓撲，記為且

最后一個簇群的通信網絡拓撲，記為且

步驟202，計算每個簇群通信網絡拓撲的最小生成樹；

采用Kruskal算法計算通信網絡拓撲的最小生成樹，稱為簇群的信息交互拓撲，記為且

C_i_MUAV表示任意一個簇群；

表示屬于C_i_MUAV中無人機信息交互拓撲的通信鏈路；

表示屬于C_i_MUAV中無人機信息交互拓撲的通信鏈路的通信代價，用通信鏈路的長度表示；

第一個簇群的信息交互拓撲，記為且

第二個簇群的信息交互拓撲，記為且

任意一個簇群的信息交互拓撲，記為且

另一個任意簇群的信息交互拓撲，記為且

最后一個簇群的信息交互拓撲，記為且

信息交互拓撲的總通信代價記為且為所述中的所有元素之和；

信息交互拓撲的總通信代價記為且為所述中的所有元素之和；

信息交互拓撲的總通信代價記為且為所述中的所有元素之和；

信息交互拓撲的總通信代價記為且為所述中的所有元素之和；

信息交互拓撲的總通信代價記為且為所述中的所有元素之和；

步驟三：構建簇間信息交互的網絡拓撲結構；

步驟301，記錄每個簇群所執行任務的任務高度；

根據層次任務模型，確定每個簇群執行任務的任務高度，記為值；所有簇群MC＝{C₁,C₂,…,C_i,…,C_k,…,C_M}執行完成所有任務TASK＝{task₁,task₂,…,task_b,…,task_l,…,task_B}后，得到了任務高度矩陣，記為H_TASK，且

步驟302，計算簇首無人機之間的交互引力矩陣；

依據空間中兩點的距離計算公式計算簇首無人機之間的距離矩陣，記為D^CH，且

根據步驟301得到任務高度矩陣

記錄M個簇群的規模矩陣，記為N^MC，且

表示第一個簇群C₁的規模；

表示第二個簇群C₂的規模；

表示任意一個簇群C_i的規模；

表示另一個任意簇群C_k的規模；

表示最后一個簇群C_M的規模；

依據交互引力計算公式計算簇首無人機之間的交互引力矩陣F^CH，且

任意一個簇群C_i的任務高度記為表示簇群C_i執行任務task₁；另一個任意簇群C_k的任務高度記為表示簇群C_k執行任務task_l；

步驟303，構建簇首與簇首之間的簇間通信網絡拓撲；

任意一個簇首無人機記錄著一個三元組無人機狀態信息，稱為簇間通信網絡拓撲，記為AE^CH，且AE^CH＝{CH_MC,hop^CH,NS^CH}；

CH_MC表示簇首集合；

hop^CH表示屬于CH_MC中無人機通信網絡拓撲的通信鏈路；

NS^CH表示屬于CH_MC中無人機通信網絡拓撲的通信鏈路的通信代價，用簇首之間交互引力的倒數表示；

步驟304，計算簇間通信網絡拓撲的最小生成樹；

利用Kruskal算法計算通信網絡拓撲AE^CH的最小生成樹，稱為簇間信息交互拓撲，記為TE^CH，且TE^CH＝{CH_MC,lin^CH,WE^CH}；

CH_MC表示簇首集合；

lin^CH表示屬于CH_MC中無人機信息交互拓撲的通信鏈路；

WE^CH表示屬于CH_MC中無人機信息交互拓撲的通信鏈路的通信代價，用簇首之間交互引力的倒數表示；

信息交互拓撲TE^CH的總通信代價記為COST^CH，且COST^CH為矩陣WE^CH中的所有元素之和；

步驟四：生成多任務無人機集群信息交互的網絡拓撲結構；

步驟401，合并簇內與簇間信息交互拓撲；

將各個簇群的簇內信息交互拓撲與簇間信息交互拓撲進行合并，得到多任務無人機集群的信息交互拓撲，記為MTE，且MTE＝{MUAV,Mlin,MWE}；

MUAV表示無人機集合；

Mlin表示屬于MUAV中無人機信息交互拓撲的通信鏈路，且

MWE表示屬于MUAV中無人機信息交互拓撲的通信鏈路的通信代價，且

步驟402，計算多任務無人機集群信息交互拓撲的總通信代價；

信息交互拓撲MTE的總通信代價記為MCOST，且MCOST為矩陣MWE中的所有元素之和，即

2.根據權利要求1所述的基于多任務無人機集群信息交互的分層分簇網絡拓撲結構生成方法，其特征在于：簇間和簇內的信息交互構成了分層分簇網絡拓撲結構，即SCH拓撲。