[发明专利]面向多无人艇协同控制的混合通信网络架构、管理方法及通信质量评价

说明书

本发明公开了一种面向多无人艇协同控制的混合通信网络架构、管理方法及通信质量评价方法，本发明提出了一种远程移动通信与无线自组网相结合的混合式网络架构以满足多无人艇协同控制时的通信需求，并在组网管理方面提出一种结合节点度、剩余能量等修正因子的改进LEACH分簇算法，实现多无人艇之间组网通信，该组网方法可以更灵活、更进一步地延长网络的生存周期。本发明建立的多无人艇组网通信网络信道模型以及QoS评价机制，可以评估无人艇协同控制期间网络的时延、丢包率、连通率等指标，可以在满足协同控制需要的通信质量保障下，为提高多无人艇的协同作业效率提供一定的依据和约束，以达到通信质量保障与多无人艇作业效率之间的平衡。

技术领域

本发明属于无人艇协同控制通信领域，更具体地，涉及一种面向分布范围广、位置动态变化的多无人艇协同控制场景需求的通信网络架构设计，组网方法及其通信质量评价问题。

背景技术

近年来，人工智能领域的研究热度空前，随着对海洋开发的重视程度提高，各种新型海洋勘探技术应运而生，海洋环境开发、海洋工程领域与人工智能的结合越来越紧密。在此背景下，智能化、无人化的机器人研究取得了越来越多的重视，其中很多智能化机器人产品已经在实际的生产生活中得到了运用。然而相比于单独的智能化机器人，多机器人集群、编队控制可以实现许多单机器人无法完成的任务，提高作业效率。因此，协同控制技术也越来越受到重视。对于机器人的协同控制而言，有多种如虚拟领航、领航跟随、基于行为、基于图等控制策略。然而无论哪种策略，其控制对信息交互的有效性，可靠性与实时性都是具有一定需求的，以领航-跟随策略为例，领航节点与跟随节点的信息交互需要实时、准确。多无人艇协同队形的形成、保持过程中如没有及时准确地更新位置或是得到错误的位置信息可能会导致协同控制的失效，因此发明一种满足多无人艇协同控制场景需求的通信网络架构及其管理方法对多无人艇的实时控制具有重要意义，评价多无人艇组网通信中对协同控制有重要影响的延时、丢包率等QoS指标对于指导多无人艇协同规划具有重要意义。

在研究现状方面，对协同控制来讲，无人机编队的研究最为成熟，近年来国内多地报道过多次无人机编队表演，数量庞大的无人机可以在三维空间中形成稳定的形状并能快速切换队形。在无人艇编队方面国内以珠海云州集团为代表，云洲智能81艘无人艇编队亮相2018年央视春晚，随后56艘无人艇在珠海海域成功进行了集群自主协同演练，场面宏大，引起了广泛关注。国外方面，美国海军研究院重点研究无人艇之间的协作能力，早在14年曾报道其无人艇集群有能力以编队的形式在舰只的周边航行，产生保护母船的作用。另外，在母船遇上海上敌人之时，无人艇编队更懂得驶往敌人船只周边包围，以收封锁之用。可见无人艇编队系统在军事、民事领域都有着广阔的应用场景与研究意义，受到了国内外的广泛关注与研究。组网方面，在无人机、无人车以及无线传感器网络领域，其组网策略以及路由的策略研究较为丰富，对移动自组网的特点、要求以及路由协议等有广泛和深入的研究。然而国内外有关面向大规模无人艇协同控制场景下的组网通信研究较少。在当前5G通信繁荣发展的大背景下，结合远程通信高可靠、抗干扰、距离不受限的特点与无线自组网灵活性强、安全性好、高效率的优势，研究具有节点分布范围广、位置动态变化等特点的大规模无人艇编队或集群网络具有重要价值与意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向大规模水面无人艇的组网通信硬件架构，实现不受地域限制的无人艇高效通信，并面向多无人艇编队节点情形设计组网管理策略，提高网络生存周期，并在前述基础上，分析了多无人艇协同控制过程中的时延、丢包率等QoS指标评价机制，可为保障多无人艇协同控制的实时性通信需求与协同队形保持过程中的覆盖效率问题平衡提供了依据。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括如下内容。