多无人机编队通信方案设计

1.1 多无人机编队通信方案设计1.1.1 基于图论的无人机通信问题描述如果将单个无人机看成节点，那么多无人机的行为可以利用图论进行描述，无人机之间的信息交流可以表示为拓扑图形式[40]。

假设编队中共有n 架无人机，则图中的边可以表示为无人机之间的通信联系，定义无人机编队的通信连结图为(),,G V E A ，式中，12{,,,}n V v v v =代表具有n 架无人机节点的集合，{(,),}i j E v v V V i j =∈⨯≠代表边的集合，[]ij n n A a ⨯=代表邻接矩阵，ij a 代表节点i 到j 的权值系数。

容易推出0ii a =，并且0ij ji a a =≥。

定义(,),ij i j e v v V V i j =∈⨯≠，若存在ij ji e e ⇔，则该图为无向图。

定义某节点i v 的邻居集{,(,)}i j i j N a V a a E =∈∈。

图(),,G V E A 的Laplacian 矩阵为[]ij n n L l ⨯=。

ij l 的值如式(2.1)。

nij j ij ij a i jl a i j⎧=⎪=⎨-≠⎪⎩∑ (2.1) 对于无向图，显然有TL L =。

1223(,)(,)(,),[1,]i j a a a a a a i j n ∈，，代表图中的路，路是由边构成的序列。

1.1.2 基于Mesh 网络通信结构的设计在Mesh 网络拓扑中，无线数传可以无需通过主节点直接互相通信，或者在需要时借由另一Mesh 节点中继进行通信，这不同于传统的点对多点(PMP, Point to Multipoint)和点对点(PTP, Point to Point)通信结构。

Mesh 网络具有如下特点：从源节点到目标节点的数据传输具有多条冗余路径；可以自动发现未知路径。

如果路径由于某个Mesh 突然下线或者移动(如无人机Mesh 节点)而发生更改，Mesh 网络可以生成新的路径来自我修复，从而大大的消除了单点故障的风险。

图2.3为一Mesh 网络的拓扑示意图。

如图所示，数据可以通过多条路径到达Mesh 网络中的每个目的地。

图2.3 Mesh 网络拓扑示意图包括Mesh 网络在内的任何跳频网络都需要至少一个节点承担主协调员(P.C, Primary Coordinator)，以确保网络中的所有节点都在同一频率上同时跳频。

这是通过给所有设备发送同步信号方式来实现的。

如果网络需要覆盖更大的范围，还可以给其他节点分发同步任务，此时该节点称为辅助协调员(S.C, Secondary Coordinator)。

在Mesh 网络中，有四种可用的节点类型或者节点任务模式：主协调员、辅助协调员、备用协调员(S.B, Standby Coordinator)和遥控员(Rem, Remote)。

我们可以将任何节点配置成这些角色。

下面分别介绍这些角色。

主协调员的角色是为系统提供网络同步信号，以确保所有单元都处于活跃状态并能够根据需要进行通信。

在任何网状网络中，只能有一个主协调员。

可以部署其他协调器以实现冗余或将网络覆盖范围扩展到主协调器服务区域以外。

对于任何能够在Mesh网络中进行通信的节点，它们必须要能够接收到来自协调员的同步信号。

图2.4为主协调员工作示意图。

图中深色部分代表该Mesh网络通信覆盖范围。

图2.4 主协调员工作示意图辅助协调员用于扩展主协调员的覆盖范围，多个辅助协调员可用于提供冗余或者确保充分的网络覆盖，辅助协调员必须要与主协调员或者其他的辅助协调员进行通信，以确保其服务的各节点之间正确同步。

图2.5为辅助协调员的工作示意图。

图2.5 辅助协调员工作示意图备用协调员用于监视网络中的同步程度，当其检测到主协调员下线或者由于其他原因未执行其网络同步职责时，备用协调员就可以接管。

图2.6为备用协调员工作示意图。

主协调员图2.6 备用协调员工作示意图遥控员节点不是协调员角色，遥控员通常连接到终端设备，但也可以部署为提供冗余以到达网络中的其他设备。

尽管所有节点都可以配置为提供路由服务，但是这样做效率不高，因为这会消耗大量网络带宽。

图2.7为遥控员工作示意图。

主协调员图2.7 遥控员工作示意图1.1.3 无线传输模块的编队通信网络设计本文设计的通信拓扑图如图2.8所示。

由于本文实际试飞的无人机数量只有三架，所以选择了一种全向强连接方式的拓扑图。

为提供更多的冗余，每个无人机节点携带两个无线传输模块，定义第i 架无人机携带无线传输模块的编号为i A 和i B 。

图中0123,,,A A A A 采用PMP 通信模式，地面端0A 作为主节点，机载端123,,A A A 为从节点。

所有的数据都要经过主节点0A 。

123,,B B B 采用Mesh 网络通信，其中1B 的角色为主协调员，2B 为备用协调员。

设计0123,,,A A A A 通信集合的目的有两个：(1)发送编队整体指令，如开始编队、队形变化等；(2)用于地面实时监视各个无人机的飞行数据信息。

USB无人机3无人机1无人机21A 0A 2A3A 1B 2B 3B图2.8 通信拓扑图为充分发挥各个无线传输模块节点的通信能力，本文将PMP 通信节点与Mesh 网络通信节点相结合。

一次完整的编队全自主飞行流程如图2.9所示。

其中编队协同飞行时，编队系统内的数据交互量最大，通信的压力也是最大。

在设置队形、发送开始编队指令和发送队形变化指令阶段属于地面人员的操作，这时必须使用PMP 通信模式，但其通信量极小，不同于编队协同飞行阶段，其只需单次发送即可，不需要实时更新指令。

设置队形依次自动起飞航线飞行开始编队指令编队协同飞行队形变化依次自动降落编队协同飞行PMP 模式通信通信仅监视通信仅监视Mesh 模式与PMP 模式通信仅监视PMP 模式通信Mesh 模式与PMP 模式PMP 模式通信图2.9 编队全自主飞行流程现在设计PMP 通信模式与Mesh 网络通信模式的切换算法，对于PMP 通信模式，定义第i 个从节点与主节点m 的通信质量为i m q ↔。

其计算方法如式(2.2)。

11()=()c s ct t T n j j j t t j i mnsj j j jq I r q T q I f =+==↔=⨯⨯⨯⨯∑∑∑ (2.2)式中c t 表示当前时刻，s T 代表时间间隔，n 代表从节点i 与主节点m 之间共有n 个数据包，j q 代表第j 个数据包的字节数，j I 代表在时间间隔[,]c c s t t T +段，该包字节是否需要发送，如果需要 =1j I ，否则=0j I 。

j f 为该包字节的发送频率，j r 代表在时间间隔[,]c c s t t T +段，从节点是否接受到对应的数据包，若接收到=1j r ，否则=0j r 。

显然有[0,1]i m q ↔∈。

在Mesh 网络通信模式，其网络拓扑图中无中心主节点，当前节点只需要与邻居进行通信。

定义第i 个节点与邻居节点集合{,(,)}i j i j N a V a a E =∈∈的通信质量为i i N q ↔。

其计算方法如式(2.3)。

1=,(,)c s cit t T k k t t m i N k ij i j i spn p Iq n a a a N Tp f =+==↔⨯⨯=→∈⨯∑∑(2.3)其中p 代表在编队协同飞行阶段，无人机节点协同控制需要接到的数据包，p f 代表这包数据的发送频率，I 代表该包数据是否被接收到，若接收到=1I ，否则=0I 。

k 代表该节点的邻居节点i N 的个数。

显然0i i N q ↔≥。

以无人机1为例，设计切换逻辑。

在PMP 模式中，记节点1A 与0A 的通信质量为10A A q ↔。

在Mesh 网络模式中，接节点1B 与邻居节点的通信质量为11B B N q ↔。

图2.10为两种通信切换逻辑图。

图2.10 两种通信切换逻辑图经过多组测试结果表明，当3机编队整体距离地面站小于5公里时，有79%的时间是选择Mesh 组网通信模式，仅21%的时间为PMP 通信模式。

当距离大于5公里时，几乎所有的时间都是选择Mesh 组网通信模式。

分析其原因主要有：(1) Mesh 通信模式主要为编队协同服务，不需要额外的监视数据，其数据包字节相对比PMP 的要少。

(2) Mesh 通信模式可以依赖邻居节点结合，并且具有多条传输路径，三机编队间的间距一般在100米至200米之间，远小于与地面站之间的距离。

PMP 模式中的从节点不仅可以用于切换，还可以设计成备用Mesh 节点。

同样以无人机1举例，当11=0B B N q 时，即节点1B 与其他邻居节点全部断开，可以推断节点1B 出现故障，此时将1A 节点切换到Mesh 模式，并且将1B 节点在Mesh 网络拓扑中的角色赋予1A 。