無人機編隊信息傳輸能耗平衡協同設計與研究①

張義麗

(77228部隊 云南大理 100142)

根據無人機編隊自組織網絡拓撲結構的動態特性，導致多無人機編隊執行任務時出現多無人機的信息傳輸能量消耗不均勻，直接影響多無人機編隊執行任務的質量和效率。而根據現有的信息技術以及能耗平衡理論，本文提出了一種新的無人機編隊信息傳輸能耗平衡協同設計方法，通過采用新的能量消耗模型，實現無人機編隊內部的能量感知系統，實現對自身能量剩余情況的感知，展開無人機內部之間的信息傳輸，通過鄰近的無人機中繼后將能量消耗情況傳輸給地面基站，通過協同中繼算法下，其能夠將能耗降低到1/5左右，從而延長無人機編隊的工作時效。

1 無人機編隊的信息傳輸能耗平衡協同設計系統的發展現狀

1.1 無人機編隊的信息傳輸能耗平衡協同設計問題提出的前提

圖1 通信拓撲結構

編隊中的無人機通過各自的自動駕駛儀完成飛行動作，但是編隊之間的無人機也要能夠協同其他無人機，實現彼此之間的信息傳遞、共享，保證飛行控制的一致性，使得整個編隊無人機的任務執行更具智能性特點。當然要想實現編隊的整體構型以及彼此之間的相關信息，其前提條件在于掌握其他編隊成員的一些狀態信息，并且同地下的基地進行信息傳輸，接受相關執行，而無人機飛行器才會根據控制系統所發出的指令，做好細節調整，保證無人機編隊的一致性。但是在無人機編隊飛行過程中，由于每一個無人機都是獨立的飛行控制駕駛系統，且在執行任務過程中，受到的外界干擾因素太多，使得無人機編隊之間的通信出現時滯性。對此研究無人機通信時滯性，提出新的算法解決該問題具有現實意義。

1.2 無人機編隊的信息傳輸能耗平衡協同設計系統的現狀

上述提到了在無人機編隊飛行控制系統中展開對信息傳輸能耗平衡協同設計系統的創新研發的重要前提。而這一問題也并不是至今才凸顯出來的，當前已經有較多的無人機飛行關鍵技術的研究學者和科研基地展開了該問題的探索。由此本文的研究是基于對無人機編隊的現有關鍵技術基礎上所展開的。(1)關于一致性的無人機編隊飛行控制策略。無人機編隊執行任務的根本保障在于無人機能夠一直保持某種合理的隊形，如此才能夠真正地發揮無人機在偵查、監測等領域的作用。同時實現對無人機編隊的一致性控制也是無人機編隊展開編隊內信息傳輸的根本保障。當前關于無人機編隊的控制問題，國內外的學者進行了大量的研究。從傳統提出的長機-僚機法，通過設置僚機輔助無人長機，確保能夠讓所有的無人機長機都能夠實現一致性。該方法原理簡單，但是能耗較高，且逐漸往后誤差性會越來越大，之后影響無人機編隊中的整體信息共享的精準度。既往還采用了虛擬結構法，其能夠抑制長機-僚機所帶來的干擾問題，但是需要進行較高的計算能力，對于整個無人機編隊的動作、任務進行計算控制。這種編隊方式下導致編隊內部的通信性不高。在這些研究基礎之上，有學者提出了基于一致性的編隊控制系統來確定無人機編隊內部的各個成員的空間位置、信息共享等控制算法，通過協同變量的方式使得各無人機的目標、狀態達到一致性。可以說這一理論以及虛擬算法為無人機編隊中的信息傳輸能耗平衡協同設計奠定了良好的基礎。(2)對于無人機編隊通信時滯的控制策略研究。在確保無人機編隊基本飛行控制的一致性算法探索之后，如何加強無人機編隊內部的信息共享性，提高無人機的智能化特點是無人機編隊中飛行控制中的又一大問題。同時無人機駁岸對中的通信時滯也制約著無人機編隊內部信息傳輸能耗不平衡不協同情況的出現。當前基于數學圖論的基礎上，基于多智能體一體化的理論，提出了一種具有抑制通信時滯的一致性控制算法。無人機編隊內各個單機相互通信關系同數量關系具有一定的關聯性，其正是通過兩兩之間的關系來確定的兩者之間的關系性。具體通信拓撲結構如圖1所示。在無人機編隊信息的一致性理論中，通過借助傳感器來感知外部環境信息，通過分布配置的大量自治子系統的網絡群集、蜂擁等協同控制方式實現網絡鏈接，從而完成大規模的一致性系統的設計。

圖2 傳輸模型

2 無人機編隊信息傳輸能耗平衡協同設計

無人機編隊的信息傳輸能耗平衡協同設計正是基于上述的基于一致性的編隊無人機飛行控制設計以及在消除通信時滯的無人機編隊控制算法的基礎上，展開無人機編隊內部的信息傳輸，讓編隊內的無人機能夠彼此感受到對方的能量消耗情況，并且基于協同中繼算法實現對能量優化分配，全面把握無人機編隊內的各個無人機的平均能量消耗情況，最終達到平衡能耗，節約能量的目的。提高無人機編隊的工作效率。

現有的無人機編隊信息傳輸能耗平衡方式主要是基于分簇算法所展開的，其通過簇內的節點計算出整個編隊簇內的平均能量，當有的無人機的能量消耗低于平均能量時，它就會被當作是候選節點，通過目標確定，將這一候選節點的能量情況進行目標函數計算，得出最佳的簇首情況，繼而無人機將能量消耗信息傳輸給這一個簇首，實現編隊內的能量消耗平衡。但是事實上，這種信息傳輸能耗平衡系統容易導致簇首處出現信息負載的情況，引發無人機編隊內的整體系統重構，帶來更嚴重的能量消耗和浪費。因此實現分簇算法的無人機編隊此心傳輸能耗平衡設計逐漸的不在實踐中應用。而協同中繼的思路正是在分簇算法結構的基礎上，實現優化設計的，其沒有固定的簇首限制，各編隊內的無人機都能夠成為簇首，進行信息能量的接收和感知，并且因時制宜選擇最佳的傳輸方式和能量節約方式，將這一信息傳遞給地下基站，而之后通過Gps信息傳輸方式來完成能量感知。具體傳輸模式如圖2所示。

3 無人機編隊信息傳輸能耗平衡協同設計的仿真

通過Matlab系統軟件對無人機編隊的信息傳輸方式進行仿真，通過對比分簇算法結構和協同中繼式傳輸方式用于信息傳輸的能量消耗情況。通過仿真數據可知，隨著地面基站接收到的無人機傳輸的信息次數越來也多，協同中繼式算法比原有的分簇算法結構更緩慢的消耗完總能量。這主要是因為協同中繼算法式下的無人機信息傳輸能夠自主的選擇信息傳輸的方式，其能夠優先選擇一種能耗最小的方式。而不是像分簇算法一樣，一定要把信息先傳輸給簇首，將簇首當作是“傳話人”，簇首能量的無限制消耗，直接帶動整個無人機編隊信息傳輸能耗較大。

4 結語

綜上所述，未來社會正朝著網絡化、信息化、機械化、智能化的方向發展，無人機作為未來發展環境下的一種數據驅動的空中移動智能體，逐漸在社會建設的諸多領域中得到應用和發展。其中以無人機遙感為例，其成為當前無人機運用的引領性的產業，在無人機遙感應用中，為了提高無人機工作獲取信息的全面性、多樣性，在建立具有信息獲取能力的無人機組網觀測系統的同時，采用無人機編隊更是最直接而有效的方式。因此可以看到在農業信息化發展，軍事信息化建設的過程中多無人機編隊飛行控制形式，編隊內無人機通信的時滯性帶來編隊內的無人機信息傳遞能耗的增加。當前在完成對無人機編隊一致性以及尋求具有通信時滯新的算法的基礎上，本文展開關于無人機編隊信息傳輸的相關問題的探究也能夠為其發展提供相關參考，當前采用的無人機編隊信息傳輸能耗平衡協同設計可以有分簇算法結構和協同中繼式兩種，通過仿真試驗可知，協同中繼式能夠提高信息傳輸的自主性和智能化，讓信息傳輸實現“面對面”，由此大大減少信息傳輸中轉后帶來的能量消耗問題。