一种基于改进簇头选取权重的无人机分簇方法

技术领域

本发明涉及无人机集群通信技术领域，具体地涉及一种基于改进簇头选取权重的无人机分簇方法。

背景技术

近年来，纳米技术等高科技材料以及通信计算机等软硬件的发展和综合投入使用，使得机器人的功能和种类更加丰富多样，如今的机器人具有感知、决策、执行等能力，可以替代人类在复杂多变甚至危险的环境中完成诸多工作，极大地拓展和延伸了人们的活动范围。机器人可以按照形状、用途、移动方式等划分为多种类型，其中最广泛使用的代表之一便是无人机（UAV），无人机也可分为民用和军用两种，正如其名字和特点所言，无人机既摆脱了有人舱位驾驶操控、同时具有飞行能力可以无视地形飞往指定目标地点，无人机因而被大量应用在航拍、灾难救援、测绘等领域。然而，单架无人机所能承载的通信负荷以及所能提供的通信资源能力和通信范围有限，倘若派出一个无人机群则相应的通信能力和通信范围将大大加强，但无人机群组面临着管理和特定区域内频谱资源有限而可能干扰主用户等问题。针对这些问题，无人机分簇方法应运而生。

传统的无人机分簇方法借鉴目前研究较多的传感器网络领域中的LEACH、K-means等分簇方法。然而，无人机网络与传感器网络并不相同，无人机由于具有飞行运动能力，因此其网络拓扑变化较大，并且飞行运动能耗相比通信能耗占比更大；而传感器网络拓扑相对静止，通信能耗占主要部分，所以传感器网络中的分簇方法并不适用于无人机网络。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一个基于改进簇头选取权重的无人机分簇方法，所述方法可以结合无人机实际工作场景，从与目标点之间的距离、邻居无人机之间的公共信道和当前无人机剩余能耗三个因素构成簇头选取权重，所述方法构建的簇更贴合无人机实际工作，后续的数据传输共享和无人机簇更新维护环节进一步确保了通信的公平和质量，并提高了无人机的数据收集效率。

为实现上述目的，本发明提供一种基于改进簇头选取权重的无人机分簇方法，包括以下步骤：

S1.设计构建无人机飞行场景，所有无人机初始位置随机分布在场景范围中，并随机挑选一个方向飞行；

S2.设计无人机簇头选取权重计算公式，其中包括当前无人机与目标点的相对距离因子、当前无人机与所有邻居无人机之间的公共信道占比因子和当前无人机剩余能耗因子；

S3.根据无人机簇头选取权重计算公式对搜索范围内出现目标点的所有无人机进行权重计算，选取出簇头无人机，并与通信范围内的其它邻居无人机建立无人机簇；

S4.根据飞行情况进行无人机簇更新维护。

进一步，步骤S1中，当无人机飞行到场景边界时，需要调整飞行方向，按照镜面反射原理，以当前边界为边并将反射角的方向作为调整后的飞行方向，以此确保无人机始终工作在规定的飞行场景中。

进一步，步骤S2中，所述当前无人机与目标点的相对距离因子计算方式如下：

其中

进一步，步骤S2中，所述当前无人机与所有邻居无人机之间的公共信道占比因子计算方式如下：

其中

进一步，步骤S2中，所述当前无人机剩余能耗因子计算方式如下：

其中，

进一步，步骤S2中，所述无人机簇头选取权重计算公式为：

其中，

进一步，步骤S3中，构建无人机簇的具体流程为：

S301.当前无人机发现其搜索范围内存在一个目标点时，它检测当前自身可用的信道，并通知给周围的邻居无人机；

S302.当前无人机接收到来自邻居无人机发来的可用信道消息后，它计算自身的权重，并将计算得到的自身权重通知给周围邻居无人机；

S303.当前无人机收到所有邻居无人机的权重信息后，连同自己的权重，当前无人机挑选出这些权重中最大的那个无人机，若权重最大的无人机为自身则向外界发送宣告消息自己成为簇头；若权重最大的无人机为一个邻居无人机，则当前无人机向所述邻居无人机发出入簇请求；

S304.若当前无人机拥有最大权重即自身为一个簇头，则接收来自邻居无人机发来的入簇请求，并回答成功入簇回复；若当前无人机不为簇头，则拒绝邻居无人机的入簇请求；

S305.若当前无人机成功接收来自邻居无人机发来的入簇回复，则成功入簇；若当前无人机收到拒绝入簇请求，则当前无人机按降序搜索下一个最大权重的无人机，直到成功找到一个簇头入簇，或者按降序到当前无人机的权重时，当前无人机成为一个簇头，并发出成为簇头的宣告信息。

进一步，步骤S4中，无人机簇的更新维护方式如下：

首先，所有无人机保持不断飞行，当簇成员无人机与簇头无人机之间超过可通信距离时，簇成员无人机与簇头无人机通信连接断开，簇成员无人机脱离当前无人机簇恢复普通无人机身份，当簇成员无人机脱离数量程度超过设定变动阈值时，当前无人机簇分解，各成员无人机按照原有方向和速度继续向前飞行；

其次，非簇头无人机剩余能量低于设定阈值时，所述非簇头无人机停止工作并退出当前无人机网络，簇头无人机剩余能量低于设定簇头阈值时，解除簇头无人机角色，当前无人机簇分解，簇成员无人机恢复普通无人机身份并按照原有方向和速度继续向前飞行；

然后，当前无人机簇所使用的通信信道出现主用户时，簇头无人机进行通信信道切换，将无人机簇内通信信道切换至其它备用公共信道；

最后，无人机簇在目标点周围形成后，随着所有无人机的不断飞行，无人机簇的位置也在实时发生变动，在无人机簇的整个生命周期中遇到未入簇无人机，当前无人机簇邀请所述未入簇无人机加入所述无人机簇，并相互共享已获取的数据。

附图说明

本发明的优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的基于改进簇头选取权重的无人机分簇方法流程图；

图2为根据本发明实施例的步骤S1设计构建的无人机飞行仿真场景图；

图3为根据本发明实施例的步骤S3中有关构建无人机簇的具体流程图；

图4为根据本发明实施例的步骤S4中有关簇更新维护的具体流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实际生活中无人机往往是在执行某个具体任务的背景下启动飞行，因此，若无人机集群的分簇围绕着目标点进行，可以避免盲目分簇，并将当前区域可利用的公共信道情况和结合无人机实际飞行运动的剩余能量作为簇头选取权重的一部分，进而选取出符合无人机实际情况的簇头并构建无人机簇，这对于无人机分簇来说十分重要。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于改进簇头选取权重的无人机分簇方法。

图1为根据本发明实施例的基于改进簇头选取权重的无人机分簇方法流程图。

如图1所示，所述基于改进簇头选取权重的无人机分簇方法包括以下步骤：

步骤S1，设计构建无人机飞行场景，所有无人机初始位置随机分布在场景范围中、随机挑选一个方向飞行。无人机在未知目标点位置的情况下进行初始化，无人机初始位置随机分布在设计的场景范围中，随机挑选一个方向并以恒定的速度飞行，飞行到场景边界时进行方向调整，保持无人机的整个飞行过程在当前场景中进行；

具体地，当无人机飞行到场景边界时，需要调整飞行方向，按照镜面反射原理，以当前边界为边并将反射角的方向作为调整后的飞行方向，以此确保无人机始终工作在规定的飞行场景中。如图2所示，图2展示了所述步骤所设计的无人机飞行仿真场景，其中圆圈代表无人机，五角星代表目标点。所有无人机依照各自飞行过程中搜索到的目标点计算簇头选取权重，并在目标点附近开始组建无人机簇；整个任务过程中，无人机飞行运动耗能较大，持续飞行一段时间后，当无人机剩余能量低于预定最低阈值时，所述无人机即停止工作；最后一个无人机停止工作时，整个无人机网络即停止，当前任务结束。

步骤S2，设计无人机簇头选取权重，各权重组成因素具体还包括：首先，对于与目标点之间的距离因素，所述部分适用于无人机搜索范围中发现目标点的情况，即无人机在目标点周围时开始计算当前无人机权重因子并开始建立无人机簇，符合无人机探索未知区域数据的实际情况、避免盲目分簇；其次，对于无人机间的公共信道因素，所述部分需要先进行感知各无人机可利用的信道，并在邻居无人机之间计算公共的信道占比情况；然后，对于剩余能量因素，无人机飞行和通信均产生能耗，根据无人机飞行和组簇过程实时更新剩余能量情况；最后，将以上三部分权重组成因素进行归一化并依据实际需求赋以不同部分权重因子进行加权求和。由此在当前区域中，挑选出权重最大的无人机作为簇头。其中，所述权重的三个计算因子分别是：

（1）当前无人机与目标点的相对距离因子。在此考虑当前无人机关于目标点的搜索优势，可以通过当前无人机与其搜索范围内检测到的目标点之间的距离进行衡量，假设当前无人机距离搜索范围内的目标点越近，则当前无人机与目标点的相对距离因子越小，当前无人机的目标搜索和数据收集能力越强，成为簇头的可能性越大；

为了统一衡量不同无人机距离目标点的距离比例，设当前无人机的搜索范围为

当前无人机距离目标点越近时，当前无人机与目标点的相对距离因子越小，越接近于0，为了方便簇头权重的选取，将所述当前无人机与目标点的相对距离因子计算公式转换为下式：

转换后的当前无人机与目标点的相对距离因子

（2）当前无人机与所有邻居无人机之间的公共信道占比因子。为了能够充分利用当前区域的信道以及当出现主用户时可以进行通信信道切换避免干扰主用户（其中，主用户为当前区域中可以使用信道的授权用户。无人机通信时不能干扰到这些主用户，因为无人机只是临时借用空闲的公共信道，所以当出现主用户在使用某个信道时，无人机应该切换到其它空闲的可利用信道）。在此，考虑当前无人机与邻居之间的公共信道状况，若当前无人机与周围邻居无人机所拥有的公共信道越多，则当前无人机作为簇头协调利用信道的优势越大，设

邻居集合指的是当前无人机通信范围内有哪些无人机，

例如若无人机1的邻居集合

（3）当前无人机剩余能耗因子。设当前无人机每传输1bit耗能

为了便于统一衡量，假设所有无人机初始能量均为

当前无人机剩余能耗因子

综合以上三个因子，可以得出本发明中所设计的簇头选取权重计算公式为：

步骤S3，簇头无人机选取权重设计完成后，对搜索范围内出现目标点的所有无人机进行权重计算并与通信范围内的其它邻居无人机建立无人机簇，根据S2中权重选取出的簇头无人机对附近邻居无人机进行分簇，无人机簇形成后，簇头无人机依据预定通信规则在不同的时间点与各个簇成员无人机之间进行数据传输共享；具体的通信规则可按照TDMA时隙分配思想，簇头无人机与簇成员无人机之间依照各自预定的时间点依次进行数据传输共享，保证通信的公平和效率。如图3所示，构建无人机簇的具体流程可以描述为：

S301.当前无人机发现其搜索范围内存在一个目标点时，它检测当前自身可用的信道，并通知给周围的邻居无人机；

S302.当前无人机接收到来自邻居无人机发来的可用信道消息后，它计算自身的权重信息，并将计算得到的自身权重结果通知给周围邻居无人机；

S303.当前无人机收到所有邻居无人机的权重信息后，连同自己的权重，当前无人机挑选出这些权重中最大的那个无人机，若权重最大的无人机为自身则向外界发送消息宣告自己成为簇头；若权重最大的无人机为一个邻居无人机，则当前无人机向所述邻居无人机发出入簇请求；

S304.若当前无人机拥有最大权重即自身为一个簇头，则接收来自邻居无人机发来的入簇请求，并回答成功入簇回复；若当前无人机不为簇头，则拒绝邻居无人机的入簇请求；

S305.若当前无人机成功接收来自邻居无人机发来的入簇回复，则成功入簇；若当前无人机收到拒绝入簇请求，则当前无人机按降序搜索下一个最大权重，直到成功找到一个簇头入簇，或者到它自己的权重时，自己成为一个簇头无人机，并发出成为簇头无人机的宣告信息。

进一步地，在无人机簇组建完成后，按照TDMA规则，簇头与簇内其他无人机在不同的时间点依次进行数据传输共享。

步骤S4，由于无人机的实时飞行会导致网络拓扑不断发生变化，无人机与簇内其他成员距离超过最大通信范围时会导致通信连接断开，此外，无人机的剩余能量和可用信道情况以及遇到尚未入簇的其他无人机时都会影响到当前簇的正常运行，此时，需要对簇做出实时更新，以维护无人机簇的稳定性。如图4所示，无人机簇的更新维护具体情况可以描述为：

（1）当簇头无人机与簇成员无人机之间的距离超过无人机最大通信范围时，簇成员无人机与簇头无人机之间的通信连接断开，簇成员无人机脱离当前簇并恢复普通无人机身份；当簇成员无人机脱离簇的数量变动超过初始簇成员无人机的一半时，当前簇分解，内部的所有无人机均恢复普通无人机身份，并继续按照之前各自的方向飞行；

（2）当非簇头无人机能量低于最低能量阈值时，所述非簇头无人机终止工作、退出当前无人机网络；当簇头无人机能量低于最低簇头无人机角色能量阈值时，所述簇头无人机所在的簇分解，内部所有成员无人机均恢复普通无人机身份，并继续按照之前各自的方向飞行；

（3）当使用的通信信道出现主用户时，簇头无人机协调簇成员无人机统一切换到备用的其它可用公共信道，避免干扰主用户、提高频谱利用率；

（4）当簇周围发现新的未入簇无人机时，当前簇邀请所述未入簇无人机加入当前簇，当前簇向新入簇无人机传输共享当前簇已收集的目标点数据、新入簇无人机向当前簇传输共享当前簇尚未获取到的目标点数据，进而提高无人机数据收集效率、缓解无人机簇成员只减不增的现象。

场景中可能只有一个目标点，也可能有多个目标点。图2中实施例虽然具有四个目标点，但由于场景较大以及无人机搜索范围有限，一般只会发现一个目标点。首先，无人机有搜索范围限制，所以无人机可发现的目标点数量有限，不可能发现所有目标点，其次，无人机距离各个目标点的距离不一样，所以在簇头选取权重中计算出的结果也各不相同，对于特殊情况如果当前无人机既能发现多个目标点，同时与其中某两个及以上的目标点距离相同，此时可以按照目标点顺序优先，进行簇头权重计算。例如设置为目标点1和目标点2，则无人机优先考虑目标点1。

此外，本发明还提供一种基于改进簇头选取权重的无人机分簇系统，包括若干无人机，所述无人机具有通信装置，并使用本发明所述的方法进行分簇。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，本领域的技术人员可以在不产生矛盾的情况下，将本说明书中描述的不同实施例或示例以及其中的特征进行结合或组合。

上述内容虽然已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型等更新操作。