無人機群的網絡構建與協同工作機制研究

姚遠

摘 要 近年來無人機研究熱度深度不斷增加，無人機群應用范圍越來越廣，引起行業的大量重視。文章對現有無人機群網絡技術和無人機協同工作機制展開研究，分析技術特點及其關鍵技術，為日后對無人機網絡構建和協同工作機制的進一步深入研究打下基礎。

關鍵詞 無人機；自組織網絡；無線移動網絡；工作機制

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）231-0135-02

無人機用途廣泛，十分靈活，成本較低，在各領域得到越來越多的關注與發展。而無人機群，即多無人機系統，相比單個無人機具有更強的擴展性，更好的生存能力，彌補了目前無人機智能化水平尚顯不足的弱勢，能在更加惡劣的條件下出色地完成任務。無人機任務復雜，動態環境的工作特性使其對網絡通信有很高要求，而無人機群中，高效、順應需求的多無人機協同通信網絡與高智能自主化集群編隊則顯得更為重要。本文從當前無人機群網絡技術的現狀出發，基于當前成熟的通信技術，對無人機的協同工作機制進行深入研究探討，并結合實際應用對無人機群協同工作的關鍵技術展開分析與總結。

1 無人機群網絡構建方式

1.1 無人機移動自組織網絡

1.1.1 無人機移動自組網

即無人機網絡，多無人機間的通信不完全依賴于基礎通信設施（如衛星通信、地面控制站），而是以無人機作為網絡節點，各節點能夠相互轉發控制指令、交換感知態勢、機體狀況和各類情報等數據，自動連接建立一個動態自組織無線移動網絡。該網絡中，每個節點兼有路由器和收發器功能，以多跳的方式將數據轉發至更遠的節點。

1.1.2 移動自組網技術特點

1）動態變化的拓撲網絡。無人機節點高速移動可達620km/h，造成網絡拓撲的高動態變化，從而影響網絡的連通性及協議性能。此外，無人機通信鏈路的不穩定性，通信失效也會造成鏈路中斷和網絡拓撲的更新。

2）網絡的不確定性和節點的差異性。一定空域內，無人機節點的散布密度較低，飛行存在不確定性，因而網絡有較強的臨時性。針對不同任務，無人機群中還可能存在各種類型的無人機節點，節點間存在差異性；有時節點采用分層的分布結構，無人機網絡還需與地面、衛星等通信平臺進行通信連接，網絡結構也存在很大差異。

3）高智能化網絡與強抗毀能力。基于以上兩個特點，無人機節點一般要求有較好的通信和計算能力。而無人機網絡在無預設網絡設施的情況下也可快速展開實現自動組網。自動組網必須借助高效的路由協議實現對網絡變化的及時感知，且各個節點具備網絡參數自動配置、網絡拓撲自動重構，確保自組織網絡數據鏈的高效連通，體現出很好的適應性和抗毀能力。網絡的智能化還表現在各節點可以通過網絡共享數據，處理信息并作出決策。

4）功能眾多，對網絡要求獨特。無人機自組網使各無人機間分工明確，優勢互補，增強了整體能力和應用范圍。某些在網絡中擔任中心節點，收集數據的無人機需要對流量匯集的支持；而無人機節點在實際使用時可能需要實時傳輸圖像乃至音頻、視頻這類數據結構復雜、數據量大、高時延敏感性的業務數據，對服務質量QoS有較高要求。

1.2 無人機自組網工作機制

無人機移動自組網是動態變化的多跳拓撲網絡，多跳即無人機節點需要通過范圍內的其他節點傳數據給遠處目標節點。各無人機節點間的通信由無線信道完成，正如2.1所述的，高效的自組網路由協議是移動自組網實現的前提。MAC協議控制信道的分配，決定網絡性能的優劣，MAC協議通常又可以分為基于競爭性質的MAC協議和基于調度性質的MAC協議。而路由協議又可以分為基于拓撲的路由協議和基于位置的路由協議，前者又可進一步分為反應式路由協議和先應式路由協議，后者雖要求節點位置信息，但性能更有優勢。由于無人機群網絡的特殊性，一般的路由協議并不能完全適用，經常采用混合路由協議。此外，由于無線信道的開放性，容易受到威脅和攻擊，網絡安全問題對無人機群網絡也尤為重要，必須設計安全協議。常用方法有加密路由協議、設計認證機制、控制系統訪問等。

存在問題分析：1）針對節點。每臺節點攜帶資源有限，較好的路由算法，重量較輕的通信設備與動力系統，更先進的能源供給方式如核能等均可以提高節點的續航。2）網絡協議。競爭類MAC協議存在數據碰撞的問題，影響網絡性能；而調度類MAC協議會造成信號時延，對無人機群來說難以忽視。路由協議方面，先應式路由協議收斂速度較慢，即對網絡拓撲變化反應能力較差；反應式路由協議同樣存在時延問題；而基于地理位置的路由協議也有其局限性。3）管理問題。管理問題分為網絡管理和安全管理，其中網絡管理問題的本質是無人機群網絡需要更好的網絡協議以優化性能；安全管理問題的本質是如何實現MAC協議終端的隱藏與避免網絡數據的防竊取與攻擊。

2 無人機群協同工作機制分析

2.1 無人機群自組織網絡機制

多無人機協同工作，最關鍵的仍是無人機群自組織機制。在小編隊的無人機群中，傳統的集中式自組織機制，即一架或多架無人機作為指揮機，承擔長機角色，其他無人機承擔僚機角色，執行長機發布的命令完成相應的任務。顯然，這樣的模式對長機有較高要求，若長機發生問題，將影響整個無人機群。分布式自組織機制則是每臺無人機都獨自承擔任務，對相同無人機構成的集群較為適用，但同樣有較大的局限性。隨著網絡技術的發展以及無人機智能化的提升，多無人機間的協同愈發呈現出智能化、綜合化的趨勢，但要實現協同工作，需要解決一些關鍵技術問題。

2.2 無人機群協同工作關鍵技術

2.2.1 集群飛行技術

無人機集群技術起源于生物集群行為。例如，蜂群個體間有大量信息交互和明確分工。集群智能技術主要借鑒了生物學中的蜂群自組織行為模式算法。集群數學模型簡單概括即個體與鄰居同向移動，保持靠近但不碰撞。節點需具備障礙感知能力和決策能力規避碰撞，障礙感知可通過網絡共享坐標位置，方向速度等數據實現，或在每個節點安裝傳感器實現完全自主感知。規避決策需融合多種數據，包括障礙物相對位置信息等。

2.2.2 無人機協同體系結構

完善的多無人機協同架構必不可少。其中典型的無人機協同體系結構如圖1所示。

圖1所示的典型無人機協同體系結構主要包含最底層的物理層、中間連接的功能層和最高層的管理層。其中物理層主要由一些子系統組成，如底層控制系統、傳感器系統、通信系統和飛控系統等組成，實現對周圍環境的感知和自身的控制與相互通信功能，是無人機系統功能的基礎。而功能層主要由安全導航、碰撞規避和航跡規劃等功能子塊構成，實現對目標的搜索、跟蹤等功能，是無人機技術的核心。管理層主要實現對功能層各子模塊的信息調度，實現系統的綜合管理功能，是無人機系統的頂層應用。

2.2.3 無人機協同工作機制

無人機協同工作時，協同體系中的功能層對任務完成起重要作用，功能層內有數個功能子模塊。子模塊接收并處理與任務相關的各種狀態數據，控制無人機，調用相關資源，或共享其他子模塊以完成相關性能目標。功能層中的任務協調層是特殊的功能模塊，主要協同任務相關的功能子模塊，共享數據、飛行控制等現有資源。任務協調層協同其他功能模塊，保證指定系統性能傳達至相應位置，作出控制決策。不同功能模塊在任務協調層下合作，利用其他功能模塊數據作為自己模塊狀態量，輸出包括其他功能目標的狀態。例如，安全導航和碰撞規避，乃至搜索功能模塊，均可利用同樣的傳感系統作為物理層，共享數據并按照各自任務目標規劃無人機航跡路線。功能層內所有任務目標依照其重要性區分，各功能模塊成網狀互聯，從而實現無人機任務的規劃。

得益于協同體系中不同模塊的配合，無人機群功能更為強大。當某一無人機無法工作時，這一情報將通過自組網共享，系統重新分配任務，確保任務完成。此外，當某無人機喪失完成任務的條件，比如資源耗盡，但仍具備完成任務的能力，通過協同體系它可以指導就近無人機完成任務。例如戰場上無人機已經鎖定目標而無彈藥，無人機可共享目標信息，自身雷達等數據指導其他無人機完成任務。

3 結論

無人機群網絡作為不完全依賴于基礎通信設施的移動自組織網絡，具有靈活多變、智能化的技術特點和優勢，也限于技術現狀而存在數據傳輸、網絡安全管理等問題，對節點也有一定要求。基于現有網絡技術的無人機協同工作機制，協同體系的構建與其工作目標息息相關，協同工作令無人機群更具優勢。隨著技術日益成熟，無人機群性能提高，通信網絡靈活、協同分工明確的無人機群在火災救治、環境維護等方面大放光彩。相信如5G網絡等高新技術在無人機群中的應用可使無人機群的綜合強度和泛用程度進一步增長。

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