基于网络连通性的无人机集群自组网拓扑控制技术研究

作     者：程程 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张钦宇

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 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：无人机 网络拓扑控制 网络连通性 网络容错性 

摘      要：无人机集群自组网相比于地面MANET网络,在三维空间中具有更大的灵活性,在军事和救灾场景下具有重要的应用意义,与此同时,由于无人机之间距离远,无人机集群网络更加稀疏,无人机飞行速度较大,通信链路容易中断失效,进行三维空间网络拓扑控制要考虑更多的因素,而现有的二维平面网络拓扑控制技术应用在无人机集群自组网具有很大的局限性,因此,研究基于三维空间的有效拓扑控制是有必要的。为了构建具有一定容错性和抗毁能力的无人机集群自组网,本课题基于网络的连通性研究了三维空间中的拓扑控制算法。算法能够有效实现网络的1-连通,进而在1-连通基础上实现2-连通,保证无人机集群自组网的可靠通信。具体研究内容如下:第一,无人机集群自组网模型构建及分析。本文首先对无人机集群网络的节点模型、网络拓扑模型及无线通信信道模型进行了建模分析,并简要分析了对于飞行自组织网络的拓扑移动控制的思路。第二,无人机集群自组网1-连通拓扑移动控制。拓扑网络要具有容错性,首先要保证网络的连通,即保证网络的1-连通。本课题基于Boid算法,提出了一种基于移动缓冲的网络拓扑移动控制算法,并通过仿真比较验证了该算法在收敛速度及稳定性上具有的明显优势。第三,无人机集群自组网2-连通拓扑移动控制。在这部分内容中,本文首先提出了一种基于k-跳网络的割点检测算法,并通过仿真验证了该算法具有优良的全局割点正检率。然后,提出了一种基于k-跳网络的局部容错控制算法,并进行仿真试验,将该算法与局部块移动控制算法以及全局移动控制算法进行比较,验证了该算法在平均调整时间、割点消除成功率以及平均偏移距离和节点偏移比例等方面的优势。本课题所提出的拓扑移动控制算法对于容错性网络拓扑控制具有很好的借鉴意义。