無人機協(xié)同通信技術研究

馬鈺淇 黃業(yè)琪 郭樹冠

摘 要：隨著蜂群和編組等概念的提出，無人機的研究領域已經延伸擴展到協(xié)同執(zhí)行任務的方向。從單機到多機使得多無人機系統(tǒng)的研究難度直線上升。目前，對多無人機的研究還不太成熟，主要研究方向分為多機之間的防碰撞、無人機躲避障礙物、系統(tǒng)通信方式和通信能量的消耗情況。目前無人機的續(xù)航時間嚴重限制了整體系統(tǒng)協(xié)同執(zhí)行任務的效率，除了力求在電池能源研究上實現突破外，對無人機系統(tǒng)數據傳輸能耗的研究也迫在眉睫。本文主要針對市場上的民用小型無人機進行研究，對實現多無人機之間的數據傳輸能耗優(yōu)化，尋找最優(yōu)的無人機中繼轉發(fā)節(jié)點，使整個多無人機系統(tǒng)在傳輸數據時能量消耗代價最小，具有非常重要的現實意義。

關鍵詞：無人機；安全；對策

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目資助（項目號編：201810065010）

1 引言

多無人機協(xié)同通信的方式大到整個無人機通信框架體系，小到無人機的通信鏈路協(xié)議，都是完成一次完整通信不可缺少的前提。為方便了解和深入研究多無人機協(xié)同執(zhí)行任務的方式方法，本章首先介紹了多無人機協(xié)同執(zhí)行任務的兩種體系：集中式和分布式。其次，通信協(xié)議是正確建立數據鏈路的前提，列出了目前在小型無人機機型上最常用的通信協(xié)議。最后，描述了兩種信息傳輸能耗算法。本章主要列舉了無人機協(xié)同通信的基本知識，同時作為后續(xù)研究的前提。

2 多無人機協(xié)同任務體系

由于無人機協(xié)同執(zhí)行任務的環(huán)境是動態(tài)和復雜的，并非固定不變和容易掌握的。面對特定的任務場景或戰(zhàn)爭場景，要根據完成任務的需求，不僅需要嚴格選擇功能匹配且自主能力較強的無人機，而且無人機協(xié)同任務體系也應該根據不同的任務環(huán)境而區(qū)別對待，設計和運用最適合的協(xié)同任務控制體系。無人機協(xié)同任務體系的選取對無人機完成任務的效率和質量密切相關。無人機協(xié)同任務體系的選取考慮以下幾個因素：任務分配的合理性、任務完成的準確性、任務接收的實時性、任務分配的計算時間和計算復雜度、執(zhí)行任務的抗干擾能力等。

目前多無人機協(xié)同任務控制體系主要有兩種：集中式控制體系和分布式控制體系。二者各自適合于不同的場景需求，特點鮮明，在一些特性比如實時性、可靠性、動態(tài)性、魯棒性、全局優(yōu)化程度、安全性以及容錯性等方面上截然不同。因此需要根據具體的戰(zhàn)場環(huán)境和任務場景要求進行選擇與設計。

2.1 集中式控制體系

集中式控制體系最大特點是存在一個控制中心，能夠對整個體系中所有執(zhí)行任務的無人機進行控制。控制中心可以是地面指控站、海基平臺等，也可以是某一架有人或功能更完善的無人機。控制中心是整個系統(tǒng)的指揮控制中樞，起著任務決策與控制無人機群的作用。

在集中式控制系統(tǒng)中，無人機本身不具備決策能力，無人機的執(zhí)行任務指令和具體的飛行航路是由地面控制站或人為制定的，無人機完全按照接收的指令執(zhí)行航路規(guī)劃任務。體系中執(zhí)行任務的所有無人機將它們探測到的信息和自己的狀態(tài)發(fā)回到控制中心。

通過控制中心嚴格的處理、分析數據之后，將最終的規(guī)劃與控制決策結果發(fā)送給各個無人機，從而將任務指派給無人機執(zhí)行。因此無人機只需要具備任務執(zhí)行能力即可。圖 2.1為無人機集中式控制體系示意圖。

圖 2.1 集中式控制體系圖

集中式控制體系的控制中心可以掌控全局，通過對所有接收到的數據資源整合、處理、優(yōu)化之后，將結果下發(fā)至各無人機設備。控制層面的集中化有助于管理和配置網絡布局，合理的調動網絡資源，優(yōu)化分配任務，提高網絡的有效利用率。因其全局特性容易獲得全局最優(yōu)解，具有較好的適用性，較多的應用于簡單網絡中。

但是集中式控制中心在處理無人機協(xié)同任務規(guī)劃過程中也存在很多問題。主要有以下幾點：

（1） 計算量大，復雜度高。

集中式控制體系，地面控制中心收集到所有的無人機信息都集中在任務控制站中。數據信息進行分析復雜度高，總結數量大，導致任務分配時間過長。如果無人機群數量龐大，或有多類型多任務的無人機編隊，或涉及大量復雜強耦合任務的分配問題時，更凸顯了這個問題的嚴重性。

（2） 安全性和穩(wěn)定性差。

通常，集中式控制體系的地面控制站只有一個，如果在具體任務執(zhí)行過程中，地面控制中心受到敵機的攻擊而破壞甚至毀滅，或者由于數據量過大而造成處理器癱瘓，或者敵方通過對控制中心的入侵而控制整個無人機網絡，則整個網絡將被直接摧毀，造成的損失是巨大的。

（3） 實時性差。

集中式中的無人機群本身不具備決策能力，所以地面控制中心要根據返回的無人機狀態(tài)信息和整體的環(huán)境信息向無人機分配任務。無人機編隊與地面控制站保持著緊密聯系，如果返回控制中心的有效數據量較大，則需要花費一定的時間處理數據。當把處理結果和分配任務返回到無人機時，環(huán)境可能已經發(fā)生變換。無人機收到的任務指示對當前的環(huán)境的處理未必準確，由此導致決策錯誤。

2.2 分布式控制體系

分布式控制體系與集中式最大的不同是體系中不存在控制中心。系統(tǒng)成員之間是平等的，是具有獨自決策能力、很強的協(xié)同能力和自治性的智能體。整個無人機系統(tǒng)則構成一個多智能體系統(tǒng)，它們采用自治協(xié)商的方式共同完成全局任務。分布式控制體系如同人類社會的合作方式與分工模式，各節(jié)點間分工明確，所有節(jié)點都為一個共同目標而努力。無人機之間以數據鏈技術為支撐，對無人機狀態(tài)信息、無人機環(huán)境信息、任務目標信息綜合進行交互，將復雜的任務問題分解成各個成員能協(xié)商解決的子問題，如果系統(tǒng)中有成員的解決方案與問題達成一致，則問題解決。

分布式控制體系的優(yōu)缺點，正好與集中式的優(yōu)缺點相反。分布式控制體系設計更加靈活多變。個體無人機在分布式控制方法下具有較強的實時性和抗干擾能力，魯棒性與容錯性好、計算代價小、復雜度低等優(yōu)點。但是，多無人機在分布式協(xié)商過程容易陷入局部優(yōu)化而造成全局性不強，很大概率下只能獲得次優(yōu)解。所以，分布式控制體系比較適合處理實時性要求高、動態(tài)特性強的協(xié)同任務場景。分布式控制體系可分為兩種：完全分布式控制體系和部分分布式控制體系。

（1） 完全分布式控制體系

在完全分布式控制體系中，無人機編隊內各無人機僅僅依靠相互之間的協(xié)同合作，不存在任何控制站。圖 2.2 為完全分布式控制體系示意圖。體系中每一架無人機既是數據發(fā)送端，也是數據接收端和處理端。在這種協(xié)同體系中，各無人機自主性很強，通過數據鏈技術實現任務數據的傳輸和共享，不僅能夠將自身的任務集信息分析并決策，同時能與其它無人機進行數據交互，協(xié)作完成所需執(zhí)行的任務。這種方式提高了任務決策和實施的實時性。但是，實時處理的共享數據量總是有限的，編隊內無人機數量增加會嚴重影響實時處理的速度，降低網絡鏈路的性能。

（2） 部分分布式控制體系

比較集中式和分布式協(xié)同控制體系可知，分布式控制實時性較強，但是容易陷入局部最優(yōu)解而不能得到局部最優(yōu)解。因此，結合集中式和完全分布式的優(yōu)點，一種更新型更合理的部分分布式協(xié)同控制體系應用而生。該種控制體系一般包含了靜態(tài)地面控制站和動態(tài)無人機網絡，但又不同于集中式控制體系。

在部分分布式控制體系中，首先地面控制站給群組內每架無人機都預設初始任務分配方案。當無人機完成設定的初始任務后，群組中的單架無人機將發(fā)揮自主特性，重新對任務目標信息采集和分析，完成與其它無人機信息的交互和共享。地面控制站只是在極少特定的時候對無人機群組發(fā)送任務指令，多數還是由無人機自身協(xié)同分析和分配。部分分布式控制體系的設計既提高了實時性和安全性，又減小了地面控制站處理任務的數據量，得到合理可行的任務分配方案，具有極強的實際應用價值。部分分布式控制體系結構如圖 2.3 所示。

圖 2.3 部分分布式控制體系圖

3 多無人機信息傳輸能耗算法

3.1 信息傳輸能耗平衡算法

傳統(tǒng)分簇算法找尋中繼點的思想是如果簇內某些節(jié)點的能量高于該簇整體的平均能量，則這些節(jié)點將被當作是該簇的候選中繼節(jié)點。然后，估計候選中繼節(jié)點的目標函數值，選擇目標函數值最大的節(jié)點作為簇首，實現數據的收發(fā)。分簇算法也用于多無人機的中繼節(jié)點選擇中。但是，這種選擇簇首的方式容易使得簇首處出現負載。針對這種不足，提出了合理選擇非固定簇首和能量感知的協(xié)同中繼算法，使整個無人機編隊的平均能量消耗最少。

由于無人機數據傳輸鏈路存在受到干擾影響的可能性，因此，數據傳輸前首先需要對鏈路的穩(wěn)定性進行評估。在單鏈路中，如果無人機i向 j 發(fā)送Lbits 的信息，Q次傳輸后鏈路可靠性R i j（L）表示為

無人機i的發(fā)射功率是根據接收端的最小接收信號強度調節(jié)的。當接收端接收到的信號功率

Prij大于最小信號接收功率Prmin時，無人機 j 可以正常接收無人機 i 傳輸的信息。Prij可表示為

其中，G ij是無人機 i 和 j 之間的總天線增益，PiLj是無人機 i 和j 之間的路徑衰落。在這種情況下，當接收端接收到的信號功率Pirj小于或等于最小信號接收功率P rmin時，不滿足最小接收信號強度Prmin的限制條件。Pr i j可表示為

3.2 能耗參量的擁塞控制算法

無人機通信采用無線通信的方式，信道容量有限且信道中存在衰減和噪聲。隨著時間增加，信道中數據量加大，數據分組到達接收節(jié)點時容易發(fā)生緩沖區(qū)不夠用的情況，產生擁塞從而導致吞吐率下降。因此，有必要在數據鏈路中加入擁塞檢測函數 ρ 實時探測節(jié)點的擁塞情況：

設源節(jié)點的發(fā)送速率為V0，且有 ，其中V min和V max分別代表源節(jié)點發(fā)送的最小速率和最大速率。在源節(jié)點處，根據擁塞檢測函數 ρ合理調整發(fā)送速率V 0。

由于 MAC 層可以獲取分組隊列長度，加入擁塞控制檢測函數 ρ 后，就能夠合理準確地調節(jié)發(fā)送速率，提高網絡性能。目的節(jié)點接收功率P r可表示為：

參考文獻

[1] 陶于金，李沛峰. 無人機系統(tǒng)發(fā)展與關鍵技術綜述[J].航空制造技術，2014，464（20）：34-39.

[3] 蘇新兵，王建平，華江濤. 無人駕駛飛機綜述[J].航空制造技術，2003，（9）：28-30.

[4] 張學明，張書啟. 解讀美國空軍新版小型無人機發(fā)展路線圖[J].國防科技，2016，37（4）：81-84.

[6] 李文，陳建. 有人機/無人機混合編隊協(xié)同作戰(zhàn)研究綜述與展望[J].航天控制，2017，（3）：90-96.

[7] 趙明，李濤，蘇小紅，等. 三維多無人機系統(tǒng)協(xié)同任務規(guī)劃關鍵問題綜述[J].智能計算機與應用，2016，6（1）：31-35.