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假设编队中共有几架无人机，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，

V={vpv2,#〃}代表具有几架无人机节点的集合，石={(匕，匕)wVxV/wJ}代表边的

集合，4=［为］“*“代表邻接矩阵，/代表节点i到/的权值系数。容易推出他=0,并且

ay=«7(.>0o定义岛=(匕,匕)wJ,若存在岛03,则该图为无向图。定义某

节点匕的邻居集N={«.eV,(«;,«.)eE}。图G(V,E,A)的Laplacian矩阵为L=

(的值如式(2.1)。

Q沙口(2.1)

-ai于j

ly;;"

对于无向图，显然有乙=L，。(/，?)4生，/)(勾吗)，。Je［L〃］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,PointtoMultipoint)和点对点

(PTP,PointtoPoint)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2.3Mesh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,SecondaryCoordinator)o

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,StandbyCoordinator)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。

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

备用协调员

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，架无人机携带无线传输模块的编号为4和4。图中4,A，$采用PMP

通信模式，地面端"作为主节点，机载端4,4,A为从节点。所有的数据都要经过主节点

4。旦,82，用采用Mesh网络通信，其中用的角色为主协调员，为为备用协调员。设计

4,A，4,&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。

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。

PMP模式通信通信仅监视通信仅监视PMP模式通信

设置队形-力依次自动起飞—航线飞行一开始编队指令

依次自动降落「编队协同飞行(队形变化—编队协同飞行

通信仅监视Mesh模式与PMP模式通信Mesh模式与

PMP模式PMP模式

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个从节点与主节点机的通信质量为功o其计算方法如式(2.2)。

乙F乙jfiqjXljXTj)

外一根一(2.2)

Jj

式中。表示当前时刻，7；代表时间间隔，”代表从节点i与主节点机之间共有几个数

据包，为代表第/个数据包的字节数，4代表在时间间隔匕4+7；］段，该包字节是否需

要发送，如果需要乙=1,否则4=0。力为该包字节的发送频率，5代表在时间间隔

［*4+7；］段，从节点是否接受到对应的数据包，若接收到。=1,否则。=0。显然有

^me[0,l]o

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N={%wV,(4，%)wE}的通信质量为。其计算

方法如式(2.3)。

、0xpxl

c_Jt=tc--=1k-s_C(CC、LZ/O

其中。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，(代表这

包数据的发送频率，/代表该包数据是否被接收到，若接收到/=1,否则/=0。左代表该

节点的邻居节点Ni的个数。显然9cM2°。

以无人机1为例,设计切换逻辑。在PMP模式中，记节点A与4的通信质量为。

在Mesh网络模式中，接节点片与邻居节点的通信质量为彳耳一以。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)M