[发明专利]一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法

说明书

一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法，属于无人机通信技术领域，用以解决现有集中式通信网络由于中心节点断开连接而导致无人机群通信网络崩溃的问题。本发明的技术要点包括：将无人机节点状态描述为下述三者之一：Leader、Follower和Candidate，通过动态地调整节点状态来应对复杂的网络环境，考虑了节点状态转换中可能出现的各种情况，并给出了应对策略，当通信网络中Leader不存在或断开连接，无人机机群能快速地、自主地、分布式地选取出新的Leader作为中心节点，以此建立新的集中式通信网络。本发明保证了后端的全局态势感知和决策的全局最优性，同时解决了对抗环境下集中式通信架构不鲁棒的问题。本发明可用于无人机集群的任务分配中。

技术领域

本发明涉及无人机通信技术领域，尤其涉及一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法。

背景技术

近年来，精确导航技术和5G通信技术的发展，使得无人机的集群应用越来越普遍。自组织能力和智能的提高使其广泛应用于多种任务，如火灾监测、协同搜索和协同拦截等。无人机机群自主完成任务需要建立一个稳定可靠的无人机机群通信网络，用以传输个体无人机的信息，形成对当前工作环境的态势感知，协调无人机执行相应任务。

无人机机群的通信网络架构主要有两类：集中式和分布式。每一个无人机均视为一个节点，在集中式通信网络架构中存在特定的中心节点，中心节点接收来自所有无人机的信息，形成全局态势感知；在分布式通信网络架构中，每个无人机接收部分其他无人机的信息，形成局部态势感知。集中式架构在获得全局态势的前提下，能够做出全局最优决策，然而在对抗环境下，通信链路可能受到干扰，甚至部分机群个体可能失去联系，同时信息传输也可能存在不确定的延迟，集中式架构可能因中心节点断开连接导致整个通信网络瘫痪。去中心化的分布式架构不依赖特定节点，对于上述场景是鲁棒的，但是不能保证决策的全局最优。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法，用以解决现有集中式通信网络由于中心节点断开连接而导致无人机群通信网络崩溃的问题。

一种无人机集群的分布式中心选择和通信方法，包括建立中心化的分布式通信网络；其中，所述通信网络中包括一个中心节点和多个普通节点；在通信过程中，中心节点广播中心节点状态信息且与普通节点实时通信，所述通信网络按照下述步骤实时更新中心节点：

步骤一、普通节点若在心跳超时时间内没有接收到中心节点状态信息，则启动候选中心节点选取流程，从而确定候选中心节点；其中，所述心跳超时时间为根据无人机节点间通信延时预设的时间阈值；

步骤二、候选中心节点广播候选中心节点状态信息，若在候选超时时间内接收到中心节点状态信息，则该候选中心节点状态转换为普通节点；若在候选超时时间内没有接收到中心节点状态信息，则启动中心节点选举流程，从而确定该候选中心节点状态转换为待确定中心节点或普通节点；其中，所述待确定中心节点广播中心节点状态信息，所述候选超时时间为根据无人机节点间通信延时预设的时间阈值；

步骤三、当候选中心节点状态转换为待确定中心节点后，将中心节点和所述待确定中心节点的周期数或候选超时时间进行比较，从而确定最终的中心节点；其中，周期数为节点在中心节点选举流程中历经的次数或者轮数。

进一步地，步骤一中所述候选中心节点选取流程包括：检查候选中心节点集合中是否有候选中心节点，如果有，则投票给候选中心节点集合中的第一个候选中心节点；如果没有，则该普通节点状态转换为候选中心节点。

进一步地，步骤二中所述中心节点选举流程包括：候选中心节点若赢得超过普通节点总数一半以上的选票，则状态转换为待确定中心节点；若在候选超时时间内没有赢得选举，则状态转换为普通节点。