[发明专利]无人机编队通信能耗的周期性在线均衡方法和装置

权利要求书

1.一种无人机编队通信能耗的周期性在线均衡方法，其特征在于，所述均衡方法由计算机执行，包括以下步骤：

S1、基于无人机编队需要组成的三维队形和无人机的初始能量获取无人机编队的通信网络；

S2、基于所述通信网络获取无人机编队的信息交互拓扑；

S3、将所述无人机编队的信息交互拓扑发送给无人机，并记录初始时间；

S4、记录无人机的每一个飞行时间，基于所述初始时间和所述每一个飞行时间获取无人机的实时时间差；

S5、当所述实时时间差大于预设的调度周期时，获取每个无人机的剩余能量，并判断：每个无人机的剩余能量是否均大于维持无人机飞行的最低能量；

若满足条件，则基于所述三维队形和所述剩余能量生成当前时间的无人机编队的通信网络，基于当前时间的通信网络获取当前时间的信息交互拓扑；将所述无人机编队的信息交互拓扑更新为当前时间的信息交互拓扑，将所述初始时间更新为当前时间，并跳转到S3中，重复步骤S3-S5；

若不满足条件，则命令无人机降落；

所述S1具体包括：设定共n个UAV通过UAV之间的单向通信以形成并保持一个三维的编队队形S；该编队队形S中n个位置分别编号为{1,2,…,n}，所有无人机的位置至少包含两个高度，以构成三维队形；

此编队的通信网络D根据队形S和无人机的初始能量y₀确定；

具体的，表示为D＝(V,A,W)；

其中：O(|V|³)是无人机代表的节点的集合，其中v_i表示UAV_i，即第i架无人机；

是每两个节点构成的弧的集合，其中弧a_ij＝(v_i,v_j)表示从UAV_i到UAV_j有一个可用的通信链接，使得UAV_i能发送信息给UAV_j；

W＝{w_ij}，其中w_ij表示从无人机UAV_i到UAV_j的通信链接a_ij的权值，即从节点v_i到节点v_j的通信链接a_ij的权值，具体的，w_ij等于d_ij/y_i，其中d_ij为节点v_i到节点v_j的距离；y_i为UAV_i当前时间的剩余能量；在S2中，所述无人机编队的信息交互拓扑的获取方法包括：

S201、基于所述通信网络获取加权有向图；

S202、基于所述加权有向图获取无人机编队的信息交互拓扑；

在S201中，所述加权有向图的获取方法为：

获取所述通信网络的第一最小树形图，并将所述第一最小树形图中的弧及其反向弧从所述通信网络中删除，得到第一通信网络；

获取所述第一通信网络的第二最小树形图，并将所述第二最小树形图中的弧及其反向弧从所述第一通信网络中删除，得到第二通信网络；

合并所述第一最小树形图和所述第二最小树形图，获得所述加权有向图；

在S202中，所述无人机编队的信息交互拓扑的获取方法为：

S2021、按照权值从低到高的顺序对所述第二通信网络中的弧进行排序，获取所述第二通信网络中的第k条弧a_ij，其中，k＝1；

S2022、判断所述加权有向图对应的无向图的边数|E|和无人机的数量|V|是否满足|E|3×|V|-6，若不满足条件，则所述加权有向图即为无人机编队的信息交互拓扑；

若满足条件，则判断：所述第k条弧a_ij的终点v_j在所述加权有向图中的入度是否小于3并且所述第k条弧a_ij的反向弧a_ji是否不在所述加权有向图中；若两个条件均满足，则将所述第k条弧a_ij添加到所述加权有向图中，得到第一有向图并跳转到步骤S2023；若两个条件不能全部满足，则更新k的取值，并重复步骤S2022；

S2023、判断所述第一有向图对应的无向图的刚度矩阵的秩是否为满秩，若不满足条件，将所述第k条弧a_ij从所述第一有向图中删除，得到第二有向图；若满足条件，则保留所述第k条弧a_ij，得到第二有向图；

更新k的取值；

S2024、判断所述第二有向图对应的无向图的边数|E’|是否满足|E’|3×|V|-6，若满足条件，则将所述加权有向图中的数据更新为所述第二有向图中的数据，并跳转到步骤S2022，重复步骤S2022-S2024；若不满足条件，则所述第二有向图即为无人机编队的信息交互拓扑。

2.一种无人机编队通信能耗的周期性在线均衡装置，其特征在于，所述装置包括计算机，所述计算机包括：

至少一个存储单元；

至少一个处理单元；

其中，所述至少一个存储单元中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述至少一个处理单元加载并执行以实现以下步骤：

S1、基于无人机编队需要组成的三维队形和无人机的初始能量获取无人机编队的通信网络；

S2、基于所述通信网络获取无人机编队的信息交互拓扑；

S3、将所述无人机编队的信息交互拓扑发送给无人机，并记录初始时间；

S4、记录无人机的每一个飞行时间，基于所述初始时间和所述每一个飞行时间获取无人机的实时时间差；

S5、当所述实时时间差大于预设的调度周期时，获取每个无人机的剩余能量，并判断：每个无人机的剩余能量是否均大于维持无人机飞行的最低能量；

若满足条件，则基于所述三维队形和所述剩余能量生成当前时间的无人机编队的通信网络，基于当前时间的通信网络获取当前时间的信息交互拓扑；将所述无人机编队的信息交互拓扑更新为当前时间的信息交互拓扑，将所述初始时间更新为当前时间，并跳转到S3中，重复步骤S3-S5；

若不满足条件，则命令无人机降落；

所述S1具体包括：设定共n个UAV通过UAV之间的单向通信以形成并保持一个三维的编队队形S；该编队队形S中n个位置分别编号为{1,2,…,n}，所有无人机的位置至少包含两个高度，以构成三维队形；

此编队的通信网络D根据队形S和无人机的初始能量y₀确定；

具体的，表示为D＝(V,A,W)；

其中：O(|V|³)是无人机代表的节点的集合，其中v_i表示UAV_i，即第i架无人机；

是每两个节点构成的弧的集合，其中弧a_ij＝(v_i,v_j)表示从UAV_i到UAV_j有一个可用的通信链接，使得UAV_i能发送信息给UAV_j；

W＝{w_ij}，其中w_ij表示从无人机UAV_i到UAV_j的通信链接a_ij的权值，即从节点v_i到节点v_j的通信链接a_ij的权值，具体的，w_ij等于d_ij/y_i，其中d_ij为节点v_i到节点v_j的距离；y_i为UAV_i当前时间的剩余能量；

在S2中，所述无人机编队的信息交互拓扑的获取方法包括：

S201、基于所述通信网络获取加权有向图；

S202、基于所述加权有向图获取无人机编队的信息交互拓扑；

在S201中，所述加权有向图的获取方法为：

获取所述通信网络的第一最小树形图，并将所述第一最小树形图中的弧及其反向弧从所述通信网络中删除，得到第一通信网络；

获取所述第一通信网络的第二最小树形图，并将所述第二最小树形图中的弧及其反向弧从所述第一通信网络中删除，得到第二通信网络；

合并所述第一最小树形图和所述第二最小树形图，获得所述加权有向图；

在S202中，所述无人机编队的信息交互拓扑的获取方法为：

S2021、按照权值从低到高的顺序对所述第二通信网络中的弧进行排序，获取所述第二通信网络中的第k条弧a_ij，其中，k＝1；

S2022、判断所述加权有向图对应的无向图的边数|E|和无人机的数量|V|是否满足|E|3×|V|-6，若不满足条件，则所述加权有向图即为无人机编队的信息交互拓扑；

若满足条件，则判断：所述第k条弧a_ij的终点v_j在所述加权有向图中的入度是否小于3并且所述第k条弧a_ij的反向弧a_ji是否不在所述加权有向图中；若两个条件均满足，则将所述第k条弧a_ij添加到所述加权有向图中，得到第一有向图并跳转到步骤S2023；若两个条件不能全部满足，则更新k的取值，并重复步骤S2022；

S2023、判断所述第一有向图对应的无向图的刚度矩阵的秩是否为满秩，若不满足条件，将所述第k条弧a_ij从所述第一有向图中删除，得到第二有向图；若满足条件，则保留所述第k条弧a_ij，得到第二有向图；

更新k的取值；

S2024、判断所述第二有向图对应的无向图的边数|E’|是否满足|E’|3×|V|-6，若满足条件，则将所述加权有向图中的数据更新为所述第二有向图中的数据，并跳转到步骤S2022，重复步骤S2022-S2024；若不满足条件，则所述第二有向图即为无人机编队的信息交互拓扑。