基于动态组网和计算卸载的多无人机协作平台的设计与实现

作     者：朱文捷 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：东方;王小鹏

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：多无人机组网通信 协同计算 4G LTE OLSR 任务卸载 

摘      要：随着物联网相关技术的不断进步与成熟,基于无人机的应用正被各行各业所广泛关注。但由于单无人机负载和续航能力有限,无法单独完成诸如摄像与视频处理等相结合的复杂任务。因此,多无人机搭载异构设备相互协作完成复杂任务已成为当前新的应用趋势。然而,高效地进行多无人机协作还存在两个亟需解决的问题:首先,针对无人机快速飞行呈现的高动态性,如何实现无人机之间、地面站与机群之间的组网通信,完成多机之间高效传递协作信息和地面站实时远距离控制机群,是一大挑战;其次,针对无人机搭载设备呈现的异构性,如何实现不同无人机间的计算卸载与协同,在资源有限的前提下有效地完成复杂任务,是另一大挑战。为了解决上述挑战,本文针对多无人机组网通信和多无人机协同计算两个关键技术进行了相关的研究,为多无人机协作提供了组网通信基础并突破单无人机处理能力对复杂任务计算需求的制约。具体地,本文从以下三个方面开展研究工作。（1）根据机群外部控制和内部协作对通信环境的不同需求,将多无人机组网通信分为内部通信和外部通信两部分实现。采用Ad hoc网络以及OLSR自组网技术实现机群内部非中心化通信,突破了机群控制数量、带宽的制约。采用4G LTE等技术来实现无人机机群外部通信,突破机群飞行距离的制约。（2）设计了在搭载不同设备的无人机之间进行多机协同计算的框架。搭载摄像设备的无人机产生图像分析任务,任务经过内部网络传输至搭载计算设备的无人机并由其进行处理,最后结果被反馈至摄像无人机。为此,本文设计了基于流水线的任务卸载机制,提出了集中式资源分配机制,提出了以最大化利用无人机机群的计算资源为目标的分配策略。（3）基于上述研究成果,设计并开发多无人机协作平台。平台包括地面站对机群的飞行控制子系统以及无人机之间的协同计算子系统。实验结果表明,本文提出的多无人机组网通信架构提供高效的机群内部通信,同时可以实现超视距的大规模无人机机群控制。无人机之间的协同计算可以为单无人机提供显著的附加处理能力,使机群可以完成更加复杂的处理任务。本文的研究成果能为超远距离控制大规模无人机机群提供一定的理论支持和技术借鉴,同时对于探索无人机之间的协作模式具有积极的参考价值。