中繼式無人機自組網方案設計

王志廣，張春元，康東軒

(中北大學 機電工程學院，太原 030051)

【航空和航海工程】

中繼式無人機自組網方案設計

王志廣，張春元，康東軒

(中北大學 機電工程學院，太原 030051)

針對目前無人機的遠距通信需要依賴于現有通信網絡，提出通過在超出無人機自身通信范圍時增加通信中繼無人機延長無人機的巡航范圍。擔任中繼角色的無人機依靠前一架無人機采集到的各種環境和位置信息依據算法自動規劃路徑、自主飛行。所有無人機不僅僅是數量上面的疊加，它們是一個有機的整體，實現了一加一大于二的效果。

無人機；中繼通信；自組網

無人機(unmanned aerialvehicle,簡稱為UAV)是一種有無線控制設備或由預先設計并掛載到機體內部的程序控制的無人駕駛飛行器。它不需要駕駛人員在機艙內進行駕駛，所以無需安裝任何與飛行員有關的設備，可以增加與任務有關的機載設備。由于無人機上面沒有駕駛員，地面人員需要通過無線電等方式傳輸指令和信息流等，所以就存在一個通信距離的問題，極大的限制了無人機的應用范圍。目前針對這一問題的現有解決方案主要有三種：衛星網絡中繼、4G網絡中繼和地面基站中繼。這些方案的一個共同特點是必須依靠現有的基礎網絡，部署的靈活性較差，并且在戰爭、特大自然災害等情況發生導致基礎網絡被破壞時，無法保證無人機的遠距離通信的需求?；诖吮疚奶岢霾捎脽o人機組網的方式，中間的無人機作為中繼基站以此延長無人機的任務巡航范圍。

1 無人機自組網方案簡介

目前無人機的應用范圍及其廣泛，大體可以分為軍用和民用兩大類。其實就像很多其它新技術首先應用于軍事領域一樣，無人機同樣最先應用于第一次世界大戰。近年來大疆等公司將無人機生產成本進一步降低，使得普通民眾有機會接觸到無人機這一高新技術，尤其是在航拍領域應用最為廣泛。無人機的機載設備由于干擾和功率等原因無法依靠自身設備實現遠距離通信，目前主要的解決方案有三種：衛星網絡、4G網絡中繼和地面基站中繼。目前的解決方案均是建立在已有的基礎網絡之上。

相對于地面基站中繼式無人機自組網方案的優點有：

1) 信號發射天線處于空中，可以減少地形和地面復雜電磁波的影響，同功率下傳輸范圍更大；

2) 不需要事先部署，運用更加靈活；

3) 降低建設和維護的成本；

目前中繼無人機已經有應用的實例。它們目前的解決思路類似于地面基站，只不過是將地面基站要完成的中繼功能，通過無人機平臺放置于空中，需要人為干預控制無人機平臺進行網路部署。

本文提出的解決方案是通過將一組無人機組成一個整體的系統，彼此之間可以互相通信。根據任務的不同和通信距離的長短，系統自動進行組網協同飛行。操作人員只需要操作第一架無人機即可，隨著通信距離的逐漸增加，其余無人機自主起飛進行空中組網，無需人為干預。所以對于操作人員來說，中間的中繼無人機是“不可見”的，操作難度相當于一架無人機的難易程度。這種解決方案可以減少操作人員的數量和降低操作難度。中繼式無人機系統如如圖1所示。

圖1 中繼無人機系統示意圖

具體的實現過程為：

1) 首先，第一架無人機由操作人員控制起飛，通過機載設備獲取實時的空間位置和環境信息并傳遞到后方；

2) 當第一架無人機傳遞的信號降低到預先設定的閾值時，第二架無人機自主起飛充當中繼作用；

3) 第二架無人機根據前一架無人機傳遞回來的坐標等信息規劃飛行路徑自主飛行；

根據通信距離的長短和任務的不同要求，無人機編隊自動調整中繼無人機的位置和數量以保證通信暢通。

2 無人機自組網系統設計

根據設想的中繼式無人機自組網的方案，將整體系統劃分為三大系統進行同步設計縮短時間：環境感知系統、通信系統和路徑自主規劃系統。

環境感知系統負責無人機的空間位置等信息的采集任務，主要包括：經緯度、高度以及障礙物等信息。這些信息及其重要，不僅作為飛行任務需要采集的信息，而且要為后面的中繼無人機路徑規劃提供原始的數據資料。通信系統是自組網無人機系統的基礎，沒有通信系統也就無從談起無人機自組網；通信系統設計中的重點和難點主要體現在整個系統的無人機的數量和位置的不確定性和移動性。路徑自主規劃系統需要完成中繼無人機的導航問題，即要解決“我在哪兒？”和“要去哪兒？”的問題。路徑規劃是建立在前面兩個系統之上的，只有環境感知系統和通信系統工作正常，路徑規劃才可能實現。在路徑規劃之后，通過將指令傳遞給無人機的飛控系統，便可以實現對無人機姿態和軌跡的調節與控制。這3個系統不是孤立的，而是一個有機的整體，只有3個分系統才能夠實現整體設計的目標。

2.1 環境感知系統

無人機要實現自主組網首先要能夠獲得每一架無人機的經緯度坐標和高度等信息。目前獲取經緯度的主要手段有：GPS定位、慣性制導定位北斗系統定位等。優先使用衛星導航系統進行經緯度的獲取。當衛星系統出現故障或由于外部原因無法導航時可以采用慣性制導的方式。

無人機的高度數據通過氣壓計傳感器獲取。無人機周邊的障礙物情況可以通過影像識別和超聲波測距傳感器獲取。

當采集到需要的環境信息后，無人機通過通信系統將數據實時傳輸到其它無人機，并以此作為無人機編隊的原始數據通過算法計算中繼無人機的飛行軌跡。

2.2 通信系統

通信系統作為無人機編隊的基礎，承擔著及其重要的任務。對于通信系統來說首先要確定通信協議；目前常見的通信協議有：TCP/IP、NETBUI和IPX/SPX三種，每種不同的協議還有其所適用的環境。除此之外還有適用于空間環境的SCPS協議等。對于安全性較高的場所，甚至會有專用的通信協議。

由于電磁環境、地形和距離等因素，通信系統的傳輸有效距離也是不同的。在選定通信協議之后，我們要選擇合適的通信技術。當兩者確定后通信系統的框架基本建立完整。

為了增加無人信號的有效傳輸距離，可以采取兩種方法[1-2]：

1) 增加信號發射的功率；

2) 采取定向天線，使得信號在一定的范圍內有效距離延長。

2.3 路徑自主規劃系統

中繼無人機的任務是保障信息傳遞的暢通，而路徑規劃是為了確定部署中繼無人機的位置。無人機路徑規劃是解決無人機自組網系統的關鍵問題，目的是根據任務的要求由預先設定的方案實現中繼無人機的自主飛行路徑規劃，在復雜的外界環境中尋求從起點到達終點的路徑。作為中繼作用的無人機首先要保證與前一架需要中繼通信的無人機的信號連接強度；其次保證前后兩架無人機之間的信號連接強度，如圖2所示。

圖2 無人機信息傳遞

其中無人機 B 為目標無人機，即需要將信息回傳到后方。系統運行過程中，優先保證無人機A和無人機B之間的通信，

如果出現無人機A和操作人員之間的信號強度不足時，可以通過增加兩者之間無人機的數量來加以解決。在實現了無人機飛行狀態信息的采集以及與目標點之間的數據交換以后，無人機路徑規劃是解決無人機自組網系統的關鍵問題；目的是根據任務的要求由預先設定的方案實現中繼無人機的自主飛行路徑規，在復雜的外界環境中尋求從起點到達終點的路徑，該路徑必須保證滿足以下2個條件：

1) 無人機在飛行過程中必須保證自身的安全，避免接觸到障礙物；

2) 設計的路徑在滿足條件1的前提條件下，路程要盡可能的縮短。

由于第一架無人機是人為操縱的，機載設備會將其飛過的區域視為安全區域并將其位置信息實時傳遞回來。為后面的中繼無人機提供安全空間環境信息，并以此作路徑規劃的原始輸入數據。

中繼無人機的飛行中的導航數據主要有：高度、經緯度和距離。中繼無人機以與前一架無人機之間的距離作為參考標準，并以得到的安全區域位置信息作為優先考慮的路徑。當安全區域不滿足要求時，依靠中繼無人機的自身的距離傳感器等在飛行過程中自主避障。

每一架無人機以前面的無人機作為參考，判斷飛行過程中要改變的參數。外部數據的優先級依次為：信號強度、兩者之間的高度差、經緯度。

設定信號強度的閾值為X1，當中繼無人機接收到的前一架無人機信號強度小于X1時，需要進行位置調節或者通過增加中繼無人機的數量用以增強信號強度。下文中用中繼無人機表示距離操作人員較近的無人機，目標無人機為距離操作人員較遠的無人機。首先需要確定無人機信號強度的影響因素。無線信號的發射功率與接收功率之間的關系

可以用下面的式(1)表示[3]：

PR=PT/rn

(1)

其中：PR為無線信號的接受功率;PT為無線信號的發射功率;r為兩者之間的距離;n為傳播因子，數值大小取決于無線信號傳播的環境。式(1)經過化簡可得式(2)：

10*nlgr=10lgPT/PR

(2)

因為中繼無人機需要接受前后的通信，假定前后無人機發射功率相同，則中繼無人機的接受的功率只與距離相關，所以中繼無人機的最合適的布置位置為需要中繼的兩架無人機的直線連接上面。當信號強度小于閾值X1時，判斷中繼無人機的高度與目標無人機的高度差，大于零降低中繼無人機的高度；小于零增加無人機的高度。觀察信號強度的變化，信號改善表明調整正確，并一直增加(或降低)到目標無人機的高度位置，高度調節完成。調節過程如圖3所示。

圖3 無人機高度調節原

若強度信號降低，則表示兩者之間存在障礙物，此時中繼無人機暫停高度調節，轉為調節經緯度。當通過高度調節無法滿足信號強度的最低要求時，需通過調節經緯度的方式增強信號。

目標無人機經緯度坐標A(x2,y2),中繼無人機的經緯坐標B(x3,y3)。中繼無人機沿AB連線的水平方向飛行，直到信號強度滿足預先設定的閾值。由前面的式(1)和式(2)可知，當中繼無人機處于其所連通的兩架無人機連線上時通信效果最好。經過分析我們認為沿著連接線的垂直線飛行是最為合適的路徑。

3 結論

中繼式無人機自組網方案是建立在現有無人機技術、通訊技術、單片機嵌入式技術、高精度傳感器等技術的基礎之上，設計出的一套能夠自主檢測、判斷并且調節的無人機自組網系統。采用無人機中繼的方式實現遠距離通信，可以不依賴于現有的基礎網絡，實現超遠距離通信。此方案可應用于突發公共事件以及地質災害救援等，在未來戰場中當衛星網絡癱瘓時可以充當戰場偵察等任務。

后續研究可在文章提出的整體方案基礎之上，細化各系統的功能，進行具體的設計。基于本文的方案增加中繼無人機的機載設備還可構成通用網絡平臺、衛星網絡中繼等，滿足更廣泛的需求。

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DesignoftheRelayUnmannedAerialVehicleSelf-OrganizingScheme

WANG Zhiguang， ZHANG Chunyuan， KANG Dongxuan

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In light of the distance of the unmanned aerial vehicle communication needs depends on the basis of the existing communication network, but this cannot work when the existing network damaged. Independent relay type unmanned aerial vehicle communication solutions are put forward. Extend unmanned aerial vehicle communication distance by increasing the relay unmanned plane. The relay unmanned plane relies on the automatic planning path and autonomous flight which get by various environment and location information collected by the previous drone All plane are not independent individuals, nor are they merely superimposed on a number of them. They are an organic whole, achieving one plus one greater than two. It can also reduce the number of operators and improve efficiency.

unmanned aerial vehicle; relay communication; Ad-hoc network

2017-09-02；

2017-09-27

王志廣(1991—)，男，碩士研究生，主要從事航空宇航制造工藝與裝備、控制系統的研究；張春元(1965—)，男，碩士，副教授，主要從事航空制造工藝與裝備、制造方面的研究。

10.11809/scbgxb2017.12.051

本文引用格式：王志廣，張春元，康東軒.中繼式無人機自組網方案設計[J].兵器裝備工程學報，2017(12):233-235,286.

formatWANG Zhiguang， ZHANG Chunyuan， KANG Dongxuan.Design of the Relay Unmanned Aerial Vehicle Self-Organizing Scheme[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):233-235,286.

TJ02

A

2096-2304(2017)12-0233-03

(責任編輯楊繼森)