[发明专利]一种基于蜂群无人机的最少数量领航者选取方法

说明书

本发明公开了一种基于蜂群无人机的最少数量领航者选取方法，包括步骤：采用图论中的单个节点表示蜂群中每个无人机，节点间连接权重表示无人机间通信质量，据此构建基于蜂群无人机的网络拓扑图；定义蜂群无人机间分层有向的通信方式；通过建立一个虚拟分配站节点连接网络拓扑图中的每个节点，将原非连通图转化为新的全连通图；对取得的新的全连通图，设定虚拟分配站点与网络中节点的连接权重为1，其他节点间的连接权重为0；利用朱刘‑Edmonds最小生成树算法求解上述全连通拓扑图中含有多少个生成树，然后将每个生成树的根节点所代表的无人机作为具体的领航者。本发明选取并定位最少数量领航无人机，在实现全局信息交互下，可以大大减少任务分配复杂度。

技术领域

本发明属于自动控制领域，具体涉及一种基于蜂群无人机的最少数量领航者选取方法，针对蜂群无人机编队中任意拓扑结构的通信连接，定位并选取最小数量的无人机作为领航者，实现蜂群无人机的全局通信。

背景技术

蜂群无人机是由多个无人机编队组成的协作系统，能够完成单个无人机难以胜任的高精度、高复杂度的协同探测或打击任务。无人机群为了实现信息高效交互并兼顾控制整个集群的成本，会选取一定数量的无人机作为领航者，剩余的无人机作为跟随者，整个无人机群协同完成任务。

蜂群无人机在协同执行任务时，编队保持是蜂群无人机飞控系统在大部分时间需要解决的主要问题，最常用的方法是“领导者-跟随者”方法。该方法利用图论，将蜂群无人机中每个无人机用一个节点表示，不同无人机间的通信质量作为节点之间的连接权重，从而构建一个基于蜂群无人机的网络拓扑图。在蜂群无人机网络拓扑图中选取关键有效的领航无人机，接受控制人员分配任务指令，然后以分布式方式将信息传递于随从无人机，不仅可以实现信息高效交互，同时可以减少通信能耗。蜂群无人机在网络拓扑图中选取领航无人机的策略中，冗余的领航无人机数量虽然可以加速随从无人机与领航无人机的信息交互，但必然造成过高的任务分配复杂度和控制成本。针对任意拓扑结构的蜂群无人机网络，选取最小数量的领航无人机来实现蜂群无人机间的全局信息交互，既可以减少任务分配复杂度，也可以在最小数量的领航无人机基础上增加额外有利位置的领航无人机，使整个飞控系统可以在保持低能耗同时构建更加鲁棒的编队控制。

此外，面对复杂的外部环境，蜂群无人机网络拓扑结构可能会发生改变。因此，快速构建新的无人机网络拓扑，并定位选取最少数量的领航无人机同样具备十分重要的现实意义。在动态网络拓扑中在线选取最少数量的领航无人机，不仅可以时刻确保蜂群无人机全局信息交互，而且在减少任务分配复杂度的前提下能够低成本地协同完成任务。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种基于蜂群无人机的最少数量领航者选取方法，其针对蜂群无人机协同执行一项任务时，通过定位并选取最少数量的领航无人机，以分布式方式将信息传递于跟随无人机，实现信息高效交互，减少通信能耗和任务分配的复杂度。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于蜂群无人机的最少数量领航者选取方法，包括以下步骤：

步骤1，采用图论中的单个节点表示蜂群中每个无人机，节点间连接权重表示无人机间通信质量，据此构建基于蜂群无人机的有向非连通网络拓扑图；

步骤2，定义蜂群无人机间分层有向的通信方式，即领航无人机只接受控制人员分配的任务指令，与领航无人机连接的跟随无人机能够接受领航无人机的信息，同时其它跟随无人机根据通信拓扑接受上一级跟随无人机的信息；

步骤3，定义一个虚拟分配站节点连接每一个蜂群无人机网络中的节点，将有向非连通网络拓扑图重构为新的全连通网络拓扑图；

步骤4，设置连接权重，对步骤3构建的全连通网络拓扑图，设定虚拟分配站节点与其他节点的连接权重为1，其余原属于非连通网络拓扑图的连接权重为0；