一种分布式无人机编队状态信息共享与通信故障检测方法

摘要

本发明公开了一种分布式无人机编队状态信息共享与通信故障检测方法，涉及无人机飞行技术领域，针对分布式无人机编队场景，解决状态信息共享可靠性受限问题和通信故障检测问题，增强分布式无人机编队飞行安全性，具体方案为：包括以下步骤：S1：所有无人机均设有编队控制模块，控制模块用于存储本地状态表的信息和维护本地状态表的功能，任意两架无人机均可通过机载通信设备进行通信；S2：本地状态表中包含所有无人机的状态信息，状态信息包括无人机序列号和心跳计数；S3：在编队飞行过程中，每架无人机将自身的实时状态信息和本地状态表通过机载通信设备向其他无人机进行广播发送。本发明有效增强编队中信息共享的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及无人机飞行技术领域，更具体地说，它涉及一种分布式无人机编队状态信息共享与通信故障检测方法。

背景技术

目前无人机编队控制系统主要分为两类：集中式编队控制和分布式编队控制。集中式编队控制系统在地面或空中存在一个编队状态信息备份转发节点，编队状态信息备份转发节点获取所有无人机编队状态信息，生成每架无人机的制导指令，并通过通信链路周期性向编队中每架无人机发送相应的制导指令。与集中式编队控制系统不同，分布式编队控制系统不存在一个状态信息备份转发节点，每架无人机可自主生成制导指令。

相对于集中式，分布式无人机编队不依赖状态信息备份转发节点，具有更好的抗毁能力，可有效提升无人机编队的生存能力。因此，分布式无人机编队在军事、应急抢险等领域受到越来越广泛的关注。然而，相比于集中式无人机编队，分布式无人机编队相关实用化研究尚处于起步、甚至是空白状态。

在分布式无人机编队系统中，为了满足队形形成、队形保持、无人机之间避碰等功能需求，分布式无人机编队中每架无人机需要通过无线通信设备获取其他无人机的状态信息。

为实现编队内无人机之间状态信息共享，现有技术中无人机通常仅广播发送自身状态信息，由于无线通信信道衰落特性、地形因素、通信设备故障等原因，无法确保其他无人机均可以在一次广播通信过程中收到该架无人机的状态信息。如果部分无人机无法获取所有无人机状态信息，则可能导致无人机编队无法正常飞行或相互碰撞。与此同时，在分布式无人机编队中，由于没有控制中心，编队中无人机难以判断自身是否存在通信故障，若出现通信故障，无人机无法自主检测，同样可能引起飞行事故。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种分布式无人机编队状态信息共享与通信故障检测方法，着力解决分布式无人机编队中可靠状态信息共享和通信故障检测问题，针对分布式无人机编队场景，解决状态信息共享可靠性受限问题和通信故障检测问题，增强分布式无人机编队飞行安全性。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种分布式无人机编队状态信息共享与通信故障检测方法，包括以下步骤：

S1：所有无人机均设有编队控制模块，控制模块用于存储本地状态表的信息和维护本地状态表的功能，任意两架无人机均可通过机载通信设备进行通信；

S2：本地状态表中包含所有无人机的状态信息，状态信息包括无人机序列号和心跳计数；

S3：在编队飞行过程中，每架无人机将自身的实时状态信息和本地状态表通过机载通信设备向其他无人机进行广播发送；

S4：每架无人机接收到其他无人机的实时状态信息和本地状态表信息，并判断是否进行更新该无人机的本地状态表，判断过程如下：

假定无人机p接收到无人机q的实时状态信息，首先根据无人机q的实时信息更新无人机p本地的状态信息表中无人机q的信息；然后，无人机p本地的状态信息中无人机n的心跳计数为x(p,n)，无人机q状态表中无人机n的心跳计数为y(q,n)；如果x(p,n)＜y(q,n)，则用无人机q本地的状态表中关于无人机n的所有信息更新无人机p本地状态表中无人机n的状态信息，反之，无人机p本地状态表信息保持不变；

S5：预设故障判断时间门限τ，无人机q通过比较本地状态表中无人机q的心跳计数停止更新时间为t(q,q)，如果t(q,q)＞τ，则判定无人机q自身出现通信故障。

作为一种优选方案，无人机的状态信息还包括经纬高和地速。

作为一种优选方案，另设有状态信息备份转发节点，状态信息备份转发节点用于接收和转发所有无人机的状态信息。

作为一种优选方案，无人机获取本地状态表中的所有无人机状态信息的读取频率为f

作为一种优选方案，每架无人机广播发送本机状态信息的同时，还辅助转发本机收到的其他无人机状态信息。

作为一种优选方案，每架无人机与其余任意一架无人机为双向信息传送、单向信息传送或无信息传送。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

(1)采用多机转发、冗余备份思想，有效增强编队中信息共享的可靠性，随着编队规模的增加，信息共享可靠性随之增加；

(2)解决分布式无人机编队每架无人机通信故障检测问题，同时无论通信设备处于“能发不能收”、“能收不能发”、“收发都不行”故障状态，均可以通过本发明所提出的方法进行检测；

(3)信息共享与通信故障检测方法可以适应多种通信网络拓扑，通信设备仅需具备广播放送与接收功能，例如图3所示，不影响信息共享和通信故障检测功能。

附图说明

图1是本发明实施例中的系统示意图；

图2是本发明实施例中的无人机q本地状态图；

图3是本发明实施例中的不同类型通信拓扑图。

具体实施方式

本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包括”为一开放式用语，故应解释成“包括但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

本说明书及权利要求的上下左右等方位名词，是结合附图以便于进一步说明，使得本申请更加方便理解，并不对本申请做出限定，在不同的场景中，上下、左右、里外均是相对而言。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

T1：考虑无人机编队系统，共包含K架无人机。以K＝3为例，系统示意图如图1所示。每架无人机配置编队控制模块，任意两架无人机均可通过本地机载通信设备进行通信。

T2：每架无人机和状态信息备份转发节点存储并维护一个的本地状态表，该表包含所有无人机的状态信息。以无人机q为例，本地状态表如图2所示。状态表包括以下信息：无人机序列号，以及相应无人机的经纬高、地速(无人机相对于大地的速度)、心跳计数。

T3：每架无人机(或状态信息备份转发节点)将该架无人机的实时状态信息(从传感器或飞控计算机获取，包括无人机序列号、经纬高、地速和心跳计数)以及本地状态表(如图2所示)，通过无线通信设备在相应通信时隙向其他无人机进行广播发送。

T4：每架无人机(或状态信息备份转发节点)根据从其他无人机获得的实时状态信息以及状态表更新该无人机的本地状态表。首先，根据其他无人机获得的实时状态信息更新本架无人机本地状态表中相应无人机的信息，若收不到其他无人机获得的实时状态信息，则不更新。然后，通过比较本地状态表、其他无人机的状态表中的心跳计数判断状态信息是否需要更新。例如无人机p收到无人机q的实时信息和状态表，首先根据无人机q的实时信息更新无人机p的本地状态表中关于无人机q的信息。然后，假设无人机p本地状态表中无人机n(n＝1,…,K)的心跳计数为x(p,n)，无人机q状态表中无人机n的心跳计数为y(q,n)。如果x(p,n)＜y(q,n)，则用无人机q状态表中关于无人机n的所有信息更新无人机p本地状态表中无人机n相关信息；反之，则保持本地状态表不变。

T5：每架无人机编队控制模块按照一定频率从该无人机本地状态表中读取所需数据(包括自身状态数据)，本地无人机根据从本地状态表获得的所有无人机状态信息生成本地无人机的制导指令，读取频率设为f

T6：设置故障判断时间门限τ，每架无人机通过比较本地状态表中的心跳计数停止更新时间与时间门限τ大小关系判断本架无人机是否处于通信故障状态。例如，对于无人机q，其本地状态表中无人机q的心跳停止更新时间为t(q,q)，若t(q,q)＞τ，则无人机q判断自身出现通信故障。

1)T2中每架无人机和状态信息备份转发节点存储并维护一个本地状态表，该表包含所有无人机的状态信息；

2)T3中每架无人机不仅广播发送本机状态信息，同时辅助转发本机收到的其他无人机状态信息；

3)T4中根据从其他无人机获得的实时状态信息以及状态表更新该无人机的本地状态表。

4)T5中每架无人机编队控制模块按照一定频率从该无人机本地状态表中读取所需数据(包括自身状态数据)，本地无人机根据从本地状态表获得的所有无人机状态信息生成本地无人机的制导指令。

5)T6中每架无人机通过比较本地状态表中的心跳计数停止更新时间与时间门限的大小关系，判断本架无人机是否处于通信故障状态。主要创新点：

1)采用多机转发、冗余备份思想，每架无人机不仅发送自身状态信息，同时辅助发送本机收到的其他无人机状态信息，可有效增强编队中状态信息共享的可靠性。

2)采用其他无人机辅助判决的思想，每架无人机根据其他无人机转发的本机心跳计数停更时间，判断本机是否存在通信故障，从而解决分布式无人机编队通信故障判断难题。

3)通信故障判断与编队飞行状态信息共享机制相结合，无需增加额外开销。

上述标记T只是为方便对实施步骤进行说明，并不对本申请做限定。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。