无人机群的网络构建与协同工作机制研究

姚远

摘 要 近年来无人机研究热度深度不断增加，无人机群应用范围越来越广，引起行业的大量重视。文章对现有无人机群网络技术和无人机协同工作机制展开研究，分析技术特点及其关键技术，为日后对无人机网络构建和协同工作机制的进一步深入研究打下基础。

关键词 无人机；自组织网络；无线移动网络；工作机制

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）231-0135-02

无人机用途广泛，十分灵活，成本较低，在各领域得到越来越多的关注与发展。而无人机群，即多无人机系统，相比单个无人机具有更强的扩展性，更好的生存能力，弥补了目前无人机智能化水平尚显不足的弱势，能在更加恶劣的条件下出色地完成任务。无人机任务复杂，动态环境的工作特性使其对网络通信有很高要求，而无人机群中，高效、顺应需求的多无人机协同通信网络与高智能自主化集群编队则显得更为重要。本文从当前无人机群网络技术的现状出发，基于当前成熟的通信技术，对无人机的协同工作机制进行深入研究探讨，并结合实际应用对无人机群协同工作的关键技术展开分析与总结。

1 无人机群网络构建方式

1.1 无人机移动自组织网络

1.1.1 无人机移动自组网

即无人机网络，多无人机间的通信不完全依赖于基础通信设施（如卫星通信、地面控制站），而是以无人机作为网络节点，各节点能够相互转发控制指令、交换感知态势、机体状况和各类情报等数据，自动连接建立一个动态自组织无线移动网络。该网络中，每个节点兼有路由器和收发器功能，以多跳的方式将数据转发至更远的节点。

1.1.2 移动自组网技术特点

1）动态变化的拓扑网络。无人机节点高速移动可达620km/h，造成网络拓扑的高动态变化，从而影响网络的连通性及协议性能。此外，无人机通信链路的不稳定性，通信失效也会造成链路中断和网络拓扑的更新。

2）网络的不确定性和节点的差异性。一定空域内，无人机节点的散布密度较低，飞行存在不确定性，因而网络有较强的临时性。针对不同任务，无人机群中还可能存在各种类型的无人机节点，节点间存在差异性；有时节点采用分层的分布结构，无人机网络还需与地面、卫星等通信平台进行通信连接，网络结构也存在很大差异。

3）高智能化網络与强抗毁能力。基于以上两个特点，无人机节点一般要求有较好的通信和计算能力。而无人机网络在无预设网络设施的情况下也可快速展开实现自动组网。自动组网必须借助高效的路由协议实现对网络变化的及时感知，且各个节点具备网络参数自动配置、网络拓扑自动重构，确保自组织网络数据链的高效连通，体现出很好的适应性和抗毁能力。网络的智能化还表现在各节点可以通过网络共享数据，处理信息并作出决策。

4）功能众多，对网络要求独特。无人机自组网使各无人机间分工明确，优势互补，增强了整体能力和应用范围。某些在网络中担任中心节点，收集数据的无人机需要对流量汇集的支持；而无人机节点在实际使用时可能需要实时传输图像乃至音频、视频这类数据结构复杂、数据量大、高时延敏感性的业务数据，对服务质量QoS有较高要求。

1.2 无人机自组网工作机制

无人机移动自组网是动态变化的多跳拓扑网络，多跳即无人机节点需要通过范围内的其他节点传数据给远处目标节点。各无人机节点间的通信由无线信道完成，正如2.1所述的，高效的自组网路由协议是移动自组网实现的前提。MAC协议控制信道的分配，决定网络性能的优劣，MAC协议通常又可以分为基于竞争性质的MAC协议和基于调度性质的MAC协议。而路由协议又可以分为基于拓扑的路由协议和基于位置的路由协议，前者又可进一步分为反应式路由协议和先应式路由协议，后者虽要求节点位置信息，但性能更有优势。由于无人机群网络的特殊性，一般的路由协议并不能完全适用，经常采用混合路由协议。此外，由于无线信道的开放性，容易受到威胁和攻击，网络安全问题对无人机群网络也尤为重要，必须设计安全协议。常用方法有加密路由协议、设计认证机制、控制系统访问等。

存在问题分析：1）针对节点。每台节点携带资源有限，较好的路由算法，重量较轻的通信设备与动力系统，更先进的能源供给方式如核能等均可以提高节点的续航。2）网络协议。竞争类MAC协议存在数据碰撞的问题，影响网络性能；而调度类MAC协议会造成信号时延，对无人机群来说难以忽视。路由协议方面，先应式路由协议收敛速度较慢，即对网络拓扑变化反应能力较差；反应式路由协议同样存在时延问题；而基于地理位置的路由协议也有其局限性。3）管理问题。管理问题分为网络管理和安全管理，其中网络管理问题的本质是无人机群网络需要更好的网络协议以优化性能；安全管理问题的本质是如何实现MAC协议终端的隐藏与避免网络数据的防窃取与攻击。

2 无人机群协同工作机制分析

2.1 无人机群自组织网络机制

多无人机协同工作，最关键的仍是无人机群自组织机制。在小编队的无人机群中，传统的集中式自组织机制，即一架或多架无人机作为指挥机，承担长机角色，其他无人机承担僚机角色，执行长机发布的命令完成相应的任务。显然，这样的模式对长机有较高要求，若长机发生问题，将影响整个无人机群。分布式自组织机制则是每台无人机都独自承担任务，对相同无人机构成的集群较为适用，但同样有较大的局限性。随着网络技术的发展以及无人机智能化的提升，多无人机间的协同愈发呈现出智能化、综合化的趋势，但要实现协同工作，需要解决一些关键技术问题。

2.2 无人机群协同工作关键技术

2.2.1 集群飞行技术

无人机集群技术起源于生物集群行为。例如，蜂群个体间有大量信息交互和明确分工。集群智能技术主要借鉴了生物学中的蜂群自组织行为模式算法。集群数学模型简单概括即个体与邻居同向移动，保持靠近但不碰撞。节点需具备障碍感知能力和决策能力规避碰撞，障碍感知可通过网络共享坐标位置，方向速度等数据实现，或在每个节点安装传感器实现完全自主感知。规避决策需融合多种数据，包括障碍物相对位置信息等。

2.2.2 无人机协同体系结构

完善的多无人机协同架构必不可少。其中典型的无人机协同体系结构如图1所示。

图1所示的典型无人机协同体系结构主要包含最底层的物理层、中间连接的功能层和最高层的管理层。其中物理层主要由一些子系统组成，如底层控制系统、传感器系统、通信系统和飞控系统等组成，实现对周围环境的感知和自身的控制与相互通信功能，是无人机系统功能的基础。而功能层主要由安全导航、碰撞规避和航迹规划等功能子块构成，实现对目标的搜索、跟踪等功能，是无人机技术的核心。管理层主要实现对功能层各子模块的信息调度，实现系统的综合管理功能，是无人机系统的顶层应用。

2.2.3 无人机协同工作机制

无人机协同工作时，协同体系中的功能层对任务完成起重要作用，功能层内有数个功能子模块。子模块接收并处理与任务相关的各种状态数据，控制无人机，调用相关资源，或共享其他子模块以完成相关性能目标。功能层中的任务协调层是特殊的功能模块，主要协同任务相关的功能子模块，共享数据、飞行控制等现有资源。任务协调层协同其他功能模块，保证指定系统性能传达至相应位置，作出控制决策。不同功能模块在任务协调层下合作，利用其他功能模块数据作为自己模块状态量，输出包括其他功能目标的状态。例如，安全導航和碰撞规避，乃至搜索功能模块，均可利用同样的传感系统作为物理层，共享数据并按照各自任务目标规划无人机航迹路线。功能层内所有任务目标依照其重要性区分，各功能模块成网状互联，从而实现无人机任务的规划。

得益于协同体系中不同模块的配合，无人机群功能更为强大。当某一无人机无法工作时，这一情报将通过自组网共享，系统重新分配任务，确保任务完成。此外，当某无人机丧失完成任务的条件，比如资源耗尽，但仍具备完成任务的能力，通过协同体系它可以指导就近无人机完成任务。例如战场上无人机已经锁定目标而无弹药，无人机可共享目标信息，自身雷达等数据指导其他无人机完成任务。

3 结论

无人机群网络作为不完全依赖于基础通信设施的移动自组织网络，具有灵活多变、智能化的技术特点和优势，也限于技术现状而存在数据传输、网络安全管理等问题，对节点也有一定要求。基于现有网络技术的无人机协同工作机制，协同体系的构建与其工作目标息息相关，协同工作令无人机群更具优势。随着技术日益成熟，无人机群性能提高，通信网络灵活、协同分工明确的无人机群在火灾救治、环境维护等方面大放光彩。相信如5G网络等高新技术在无人机群中的应用可使无人机群的综合强度和泛用程度进一步增长。

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