[发明专利]一种适用于无人机蜂群自组织网络的快速分布式相对定位方法

摘要

本发明提出了一种适用于无人机蜂群自组织网络的快速分布式相对定位方法，该方法在无人机节点间测距信息已知的基础上，采用分布式竞争广播信标帧的方法，依次随机产生四个定位基准无人机节点，并保证网络中的其余无人机节点均正确收到四个定位基准无人机节点的坐标，实现相对定位。同时，采用马尔可夫链建模的方法，分析了分布式竞争广播信标帧时竞争窗口的取值与相对定位完成时间之间的关系，确定了一定网络规模条件下最优分布式竞争窗口的取值。仿真结果证明了方法的有效性和建模分析的正确性。

主权项

一种适用于无人机蜂群自组织网络的快速分布式相对定位方法，所采用的步骤是：步骤1：初始定位阶段，在给定网络条件下，无人机节点根据当前网络中参与竞争的网络节点数，通过二维马尔科夫链模型确定最佳竞争窗口W_opt的取值，并以该窗口值广播信标帧竞争成为首个定位基准无人机节点，具体实现方法如下：(1)网络中的无人机节点首先在区间[0，W_opt‑1]内随机选择一个整数作为退避计数器的初始值；(2)如果无人机节点检测到信道持续空闲一个退避时隙长度的时间，则将退避计数器的值递减1；如果无人机节点检测到信道变忙，则将当前退避计数器的值挂起；无人机节点退避计数器的值递减至0后，广播信标帧；(3)无人机节点广播信标帧结束后，在W_opt个时隙长度的时间内持续监听信道，如果在上述侦听时间内侦听到信道变忙，则判定自身信标帧广播失败，并尝试接收其他无人机节点广播的信标帧；如果侦听时间内信道保持空闲，则判定自身信标帧广播成功，本无人机节点即为网络中的首个基准无人机节点，并将自身标记为坐标原点，坐标为(0，0，0)；(4)如果无人机节点成功接收到其他无人机节点广播的信标帧，则在W_opt个时隙长度内继续侦听信道，如果在上述侦听时间内侦听到信道变忙，则表明信标帧接收失败，无人机节点则恢复退避计数器的挂起值，并按照(2)中的法则广播自身的信标帧；如果上述侦听时间内信道持续空闲，则表明信标帧接收成功，当前广播信标帧的节点即为首个基准无人机节点，无人机节点根据与基准无人机节点之间的距离更新自身当前的坐标；步骤2：首个定位基准无人机节点确定后，网络中的其它无人机节点根据与首个定位基准无人机节点之间的距离更新自身的坐标，并继续通过分布式竞争广播信标帧的方式产生第二个定位基准无人机节点，具体方法如下：对于首个定位基准无人机节点外的任一无人机节点g，其坐标为(x_g，y_g，z_g)，与首个定位基准无人机节点之间的距离为d_g1，则无人机节点g的坐标更新为(d_g1，0，0)；首个定位基准无人机节点外的其他无人机节点完成坐标更新后，根据当前网络中参与竞争的网络节点数，通过二维马尔科夫链模型确定最佳竞争窗口的取值，并以该窗口值广播信标帧竞争成为第二个定位基准无人机节点，无人机节点在广播信标帧时，将自身的坐标信息捎带广播告知网络中的其他无人机节点；步骤3：第二个定位基准无人机节点确定后，网络中定位基准无人机节点外的其它无人机节点根据与第一个和第二个定位基准无人机节点之间的距离更新自身的坐标，并继续通过分布式竞争广播信标帧的方式产生第三个定位基准无人机节点，具体方法如下：不失一般性，用(x₂，0，0)表示第二个基准无人机节点的坐标，对于定位基准无人机节点外的任一无人机节点h，其坐标为(x_h，y_h，z_h)，与第一个和第二个定位基准无人机节点之间的距离分别为d_h1和d_h2，则无人机节点h根据下式更新坐标$\left\{\begin{array}{c}{x}_h^2+y_h^2+z_h^2=d_{h1}^2\\ {(x_h-x_2)}^2+y_h^2+z_h^2=d_{h2}^2\\ z_h=0\end{array}\right.---\left(1\right)$定位基准无人机节点外的其他无人机节点完成坐标更新后，根据当前网络中参与竞争的网络节点数，通过二维马尔科夫链模型确定最佳竞争窗口的取值，并以该窗口值广播信标帧竞争成为第三个定位基准无人机节点；同样，无人机节点在广播信标帧时，将自身的坐标信息捎带广播告知网络中的其他无人机节点；此外，只有y_h不为0的无人机节点，即与第一个和第二个定位基准无人机节点不在一条直线上的无人机节点才能广播信标帧竞争成为第三个定位基准无人机节点；步骤4：第三个定位基准无人机节点确定后，网络中定位基准无人机节点外的其它无人机节点根据与第一个、第二个和第三个定位基准无人机节点之间的距离更新自身的坐标，并继续通过分布式竞争广播信标帧的方式产生第四个定位基准无人机节点，具体方法如下：不失一般性，用(x₃，y₃，0)表示第三个基准无人机节点的坐标，对于定位基准无人机节点外的任一无人机节点l，其坐标为(x_l，y_l，z_l)，与第一个、第二个和第三个定位基准无人机节点之间的距离分别为d_l1、d_l2和d_l3，则无人机节点l根据下式更新坐标

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