一種飛行器自主編隊支撐網(wǎng)絡(luò)的分布式邊界決策協(xié)議的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種飛行器自主編隊支撐網(wǎng)絡(luò)的分布式邊界決策協(xié)議，屬于網(wǎng)絡(luò)邊界的一種網(wǎng)絡(luò)特征認知協(xié)議【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明考慮到編隊的可擴展性、實時性和編隊網(wǎng)絡(luò)的Ad?hoc特點，本發(fā)明中的邊界決策協(xié)議的設(shè)計是分布式的，并且有合理判斷凹邊界的能力，并未假設(shè)較高的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度和節(jié)點均勻性，網(wǎng)絡(luò)邊界的確定取決于連接認定距離。本發(fā)明在確定凸邊界的基礎(chǔ)上，基于擴展消息擴展得到凹邊界，充分考慮了實現(xiàn)擴展過程中節(jié)點間各式各樣的連接的復(fù)雜情況：擴展共線現(xiàn)象、擴展交叉現(xiàn)象和擴展共點現(xiàn)象。本發(fā)明使每個節(jié)點分布式地確定了自己的狀態(tài)，尤其對大規(guī)模Ad?hoc網(wǎng)絡(luò)凹邊界的分布式?jīng)Q策具有明顯的優(yōu)勢，減弱了協(xié)議對節(jié)點的要求。
【專利說明】一種飛行器自主編隊支撐網(wǎng)絡(luò)的分布式邊界決策協(xié)議
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種飛行器自主編隊支撐網(wǎng)絡(luò)的分布式邊界決策協(xié)議，屬于飛行控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種適用于飛行器在分布式自主編隊支撐網(wǎng)絡(luò)下，節(jié)點判斷自身是否屬于網(wǎng)絡(luò)邊界的一種網(wǎng)絡(luò)特征認知協(xié)議。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，許多國家投入大量的人力物力于飛行器的自主編隊飛行的研究中，高密集飛行器編隊在執(zhí)行各種飛行任務(wù)中又存在很大的優(yōu)勢，密集編隊的協(xié)同飛行和隊形變化中節(jié)點間防碰撞問題是該領(lǐng)域研究的一個重點。編隊作為一個網(wǎng)絡(luò)整體，其中的節(jié)點除了具有自身的特征(如節(jié)點的機動性能、位置、姿態(tài)角、飛行速度、機載設(shè)備重要程度等)之外，還具有網(wǎng)絡(luò)所帶來的個體相對于整體的特征，如個體在編隊中的重要性(節(jié)點的機載設(shè)備在編隊中的稀缺程度等)、個體在編隊中的相對位置等。另外網(wǎng)絡(luò)本身還具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延、信息更新率等整體特征信息，這些信息的獲取均屬于網(wǎng)絡(luò)特征認知協(xié)議的范疇，可以預(yù)見網(wǎng)絡(luò)特征認知協(xié)議在一定程度上是具有任務(wù)依賴性的，即編隊所需要的認知協(xié)議的種類和功能往往隨著編隊具體上層任務(wù)的不同而不同。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供一種飛行器自主編隊支撐網(wǎng)絡(luò)的分布式邊界決策協(xié)議，包括如下步驟:
[0004]第一步，擴展點的確定；
[0005]節(jié)點Si收到來自鄰居節(jié)點的擴展消息，為了確定下一個擴展節(jié)點，即向誰繼續(xù)傳遞該擴展消息，節(jié)點Si將比較角度Qj=ZEiiiOEiPje {Ν( ε db)_ ε J，選擇ε i+1=arg min{ θ,即令角度最小的節(jié)點為下一擴展節(jié)點,該最小角度Φ= Z EiiiOEi^1)稱為擴展角；然后節(jié)點Si向節(jié)點ei+1發(fā)送擴展消息并更新自己的狀態(tài)為邊界節(jié)點；
[0006]第二步，凸邊界決策；
[0007]所述的凸邊界決策是指每個節(jié)點根據(jù)連接認定距離db收集周圍節(jié)點的信息，分布式地判斷自身是否是凸節(jié)點，進而確定出由凸節(jié)點組成的凸邊界，具體為:
[0008]用N(ei，db)表 示節(jié)點的以連接認定距離db為半徑的鄰居節(jié)點的集合，SP
V Ei e N(￡i，dh)，有du ( db ;首先節(jié)點ε i收集集合Ν( ε i； db)的角度信息或位置信息；然
后任意選擇一條基準邊Ey求出以Eu為始邊、Eij為終邊的逆時針角度Θ j= Z EkEij，其中j e {Ν( ε j, db) - ε J ;最后計算決策量:
[0009]Δ Θ j = min { Θ j U 2 π | π < θ j ^ 2 π } -max { θ』U O | O < θ』< ji } (I)
[0010]如果Λ θ,π則稱節(jié)點Si是凸節(jié)點；其中在式(I)中當(dāng)Ji < Θ」≤2ji時使Θ j U 2 Ji取得最小值的節(jié)點ε j稱為節(jié)點ε j的左鄰居；當(dāng)O≤Θ j ^ Ji時使Θ ^ U O取得最大值的節(jié)點％_稱為節(jié)點Si的右鄰居；對于整個網(wǎng)絡(luò)，所有的凸節(jié)點最終形成網(wǎng)絡(luò)的凸邊界；[0011]第二步，凹邊界決策；
[0012]所述的凹邊界決策是指分布式地由每一個凸節(jié)點開始進行邊界擴展，向擴展節(jié)點發(fā)送擴展消息，使相鄰的凸節(jié)點連接成整個凹邊界，具體如下:
[0013]在擴展過程中如果某個節(jié)點收到擴展消息，那么它將決策為被擴展的邊界節(jié)點，進行邊界擴展；當(dāng)某節(jié)點斷定滿足停止條件時，該條邊界擴展結(jié)束。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0015](1)考慮到編隊的可擴展性、實時性和編隊網(wǎng)絡(luò)的Ad hoc特點，本發(fā)明中的邊界決策協(xié)議的設(shè)計是分布式的，并且有合理判斷凹邊界的能力，并未假設(shè)較高的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度和節(jié)點均勻性，網(wǎng)絡(luò)邊界的確定取決于連接認定距離。
[0016](2)本發(fā)明在確定凸邊界的基礎(chǔ)上，基于擴展消息擴展得到凹邊界，充分考慮了實現(xiàn)擴展過程中節(jié)點間各式各樣的連接的復(fù)雜情況:擴展共線現(xiàn)象、擴展交叉現(xiàn)象和擴展共點現(xiàn)象。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1A和圖1B為本發(fā)明中連接認定距離的大小與邊界的形成示意圖；
[0018]圖2A~D:本發(fā)明中分布式邊界決策協(xié)議總體流程示意圖；
[0019]圖3:本發(fā)明中邊界擴展總流程示意圖；
[0020]圖4:本發(fā)明中擴展共線現(xiàn)象和擴展停止條件示意圖；
[0021]圖5A~C:本發(fā)明中擴展共點現(xiàn)象和擴展停止條件示意圖；
[0022]圖6:本發(fā)明中擴展交叉現(xiàn)象及其分解示意圖；
[0023]圖7:本發(fā)明中分布式邊界決策協(xié)議仿真圖；
【具體實施方式】
[0024]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0025]本發(fā)明首先給出幾個定義:
[0026]1、網(wǎng)絡(luò)特征認知協(xié)議，是指通過網(wǎng)絡(luò)使網(wǎng)絡(luò)中的個體對整體的特征、參數(shù)、自身在整體中的地位等信息具有統(tǒng)一認識的一簇協(xié)議。例如網(wǎng)絡(luò)健康狀態(tài)(連通性、丟包率、時延和更新率等)在線估計協(xié)議。
[0027]2、分布式邊界決策協(xié)議，飛行器自主編隊時，節(jié)點間的防碰撞問題需要節(jié)點作邊界決策，邊界決策協(xié)議即編隊中的節(jié)點判斷自身是否屬于網(wǎng)絡(luò)邊界的一種網(wǎng)絡(luò)特征認知協(xié)議。
[0028]在二維平面內(nèi)，以圖G=(E，ε )表示網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，E為邊集，Eij表示節(jié)點^與節(jié)點ε j的邊；ε為節(jié)點集Mij表示節(jié)點ε ^與節(jié)點ε」的距離；db是節(jié)點ε ^與節(jié)點ε j的連接認定距離；當(dāng)Clij≤db時，Eij=I,表示節(jié)點ε j與節(jié)點ε」之間有邊；當(dāng)(IijMb時，Eij=O時表示節(jié)點Si與節(jié)點^之間沒有邊。網(wǎng)絡(luò)的邊界是圖G的邊界點的集合B (G，db)，它具有這樣的性質(zhì):所有屬于B(G，db)的點的邊圍成一個封閉多邊形，使其余的點都在該多邊形內(nèi)。此處連接認定距離是指兩節(jié)點之間可以連接成邊所要求的最小距離，顯然網(wǎng)絡(luò)的邊界與網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和連接認定距離的選擇有關(guān)，如圖1A，較大的連接認定距離db使邊界的邊數(shù)較小，并傾向于凸邊界；如圖1B，較小的連接認定距離db使邊界的邊數(shù)較多，并傾向于凹邊界。連接認定距離db的選擇取決于具體上層應(yīng)用對邊界特性的需求，如在研究網(wǎng)絡(luò)通信的時候可以取為通信半徑。
[0029]由以上的分析并考慮到編隊的可擴展性、實時性和編隊網(wǎng)絡(luò)的Ad hoc特點，邊界決策協(xié)議的設(shè)計應(yīng)該是分布式的，并且有判斷凹邊界的能力。現(xiàn)階段凹邊界決策(或叫凹邊界搜索、凹邊界識別)大部分研究成果是集中式的，另外有一些文獻雖然提出了分布式的凹邊界決策算法，但是它們都假設(shè)較高的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度和節(jié)點均勻性，而本發(fā)明研究的網(wǎng)絡(luò)邊界取決于連接認定距離db，連接認定距離db是一個可變參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度和節(jié)點均勻性都是相對的，所以這些假設(shè)是不適用的。針對這個問題，本發(fā)明提出一種基于擴展消息的分布式邊界決策協(xié)議，能很好的根據(jù)連接認定距離db分布式地決策出飛行器自主編隊支撐網(wǎng)絡(luò)的凹邊界。
[0030]本發(fā)明提出的一種飛行器自主編隊支撐網(wǎng)絡(luò)的分布式邊界決策協(xié)議，總體流程如圖2A~2D所示，包括以下幾個步驟:
[0031]步驟一:凸邊界決策。
[0032]每個節(jié)點根據(jù)連接認定距離db收集周圍節(jié)點的信息，分布式地判斷自身是否是凸節(jié)點(圖2A)，進而確定出由凸節(jié)點組成的凸邊界(圖2B)。
[0033]用Ν( ε ” db)表示節(jié)點ε i的以連接認定距離db為半徑的鄰居節(jié)點的集合，即
VHjG N丨q，db)，有Clij≤db。凸邊界的決策，如圖2中A~B所示，首先節(jié)點81收集集合
Ν( ε ” db)的角度信息或位置信息(位置信息在本協(xié)議中并不是必要的，但在無法獲得角度信息的時候，角度可以由位置解算);然后任意選擇一條基準邊Eu(節(jié)點Si與節(jié)點L形成的邊)，求出以Eir為始邊、Eij為終邊的逆時針角度Qj= z EirEij，其中j e {Ν( ε i； db) - ε r}；最后計算決策量:
[0034]Δ Θ j = min { Θ j U 2 π | π < Θ j ^ 2 π } -max { θ』U O | O < θ』< ji } (I) [0035]如果Λ θ P Ji則稱節(jié)點ε ,是凸節(jié)點。其中在式⑴中當(dāng)Ji < Θ」≤2 Ji時使Θ j U 2 Ji取得最小值的節(jié)點ε j稱為節(jié)點ε j的左鄰居；當(dāng)O≤Θ j ^ Ji時使Θ ^ U O取得最大值的節(jié)點％_稱為節(jié)點^的右鄰居。對于整個網(wǎng)絡(luò)，所有的凸節(jié)點最終形成網(wǎng)絡(luò)的凸邊界。
[0036]步驟二:凹邊界決策。
[0037]分布式地由每一個凸節(jié)點開始進行邊界擴展，向特定節(jié)點發(fā)送擴展消息(圖2D)，使相鄰的凸節(jié)點連接成整個凹邊界(圖2C)。
[0038]凸邊界并不是完整的網(wǎng)絡(luò)邊界，為了獲得期望的凹邊界，本協(xié)議以凸節(jié)點為基礎(chǔ)，分別令其向左(右)鄰居分布式地發(fā)送左(右)擴展消息并依次傳遞，這個過程稱為左(右)邊界擴展，以下在沒有特殊說明時均以左擴展為例，右擴展同理，如圖2D~2C，在擴展過程中如果某個節(jié)點收到擴展消息，那么它將決策為被擴展的邊界節(jié)點。當(dāng)某節(jié)點斷定滿足停止條件時，該條擴展結(jié)束。邊界擴展這個看似簡單的過程在實際的實現(xiàn)過程中由于節(jié)點間各式各樣的連接情況而變得十分復(fù)雜，主要表現(xiàn)為:擴展共線現(xiàn)象、擴展交叉現(xiàn)象和擴展共點現(xiàn)象。
[0039]其中邊界擴展總流程如圖3所示，具體方法如下:
[0040](I)擴展點的確定；
[0041]如圖2D，節(jié)點Si收到來自鄰居節(jié)點ε η的擴展消息，為了確定下一個擴展節(jié)點，即向誰繼續(xù)傳遞該擴展消息，節(jié)點ε j將比較角度Θ j= Z Ei(H)Eij, j e {Ν( ε db)_ ε J，選擇ε i+1=arg min{ θ,即令角度最小的節(jié)點為下一擴展節(jié)點,該最小角度Φ= Z:Ei(H)Eiiw)稱為擴展角。然后節(jié)點Si向節(jié)點ei+1發(fā)送擴展消息并更新自己的狀態(tài)為邊界節(jié)點。最終所有的凸邊界節(jié)點和被擴展邊界節(jié)點形成完整的網(wǎng)絡(luò)邊界。
[0042]如圖3所示，如果收到擴展消息的節(jié)點有共線現(xiàn)象，則找出退出擴展節(jié)點使其退出擴展；否則判斷是否為遺棄點，如果是遺棄點，則繼續(xù)進行擴展交叉判斷，如果有交叉，則交換擴展點和被擴展點后更新并傳遞擴展消息；否則，計算擴展點和擴展角并更新狀態(tài)，判斷停止條件，選擇停止擴展或者更新并傳遞擴展消息。
[0043]所述的擴展共線現(xiàn)象:
[0044]擴展共線現(xiàn)象如圖4所示，圖中A、B、C、D、E均為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點，當(dāng)某一邊界節(jié)點(凸節(jié)點或被擴展邊界節(jié)點)在計算下一擴展節(jié)點的時候，有多個節(jié)點的擴展角同時獲得最小值，如圖4中節(jié)點C和節(jié)點B的擴展角相同且均最小，但是如果向節(jié)點C傳遞擴展消息則會得到不期望的結(jié)果，因此當(dāng)節(jié)點A可以獲知節(jié)點C、節(jié)點B的位置信息的時候?qū)⑦x擇距離最近的節(jié)點B為擴展節(jié)點，當(dāng)節(jié)點A只有角度信息的時候?qū)⑼瑫r給節(jié)點C、節(jié)點B發(fā)送擴展消息并把決定權(quán)留給節(jié)點C、節(jié)點B，因為共線的節(jié)點C (B)可以僅依據(jù)角度信息判斷自身是否僅在邊界節(jié)點A和另一擴展節(jié)點B (C)之間，最終節(jié)點B將繼續(xù)傳遞擴展消息，節(jié)點C則退出擴展(不更新狀態(tài))。
[0045]所述的擴展共點現(xiàn)象:
[0046]擴展共點現(xiàn)象如圖5A~4C所示，包括內(nèi)邊界共點(圖5A)和內(nèi)外邊界共點(圖5B)，此時會有兩條擴展經(jīng)過公共點，如果終止條件簡單的設(shè)計為(a)某節(jié)點在一個通信周期內(nèi)收到左右兩條擴展消息；(b)收到擴展消息的節(jié)點是邊界節(jié)點。那么在公共點處擴展有可能意外停止。為了解決這個現(xiàn)象，在終止條件的設(shè)計上引入了擴展角Φ，得邊界擴展的終止條件為:
[0047]條件1:如果節(jié)點ε i是邊界節(jié)點且節(jié)點ε i的擴展角Φ> π，則擴展停止。(圖5C中的節(jié)點Α)?？紤]到擴展是從左右兩個方向進行的，并且在公共點處不同的左(右)擴展方向是相反的，因此有:
[0048]條件2:如果節(jié)點Ei (如圖5C中的節(jié)點I)的左(右)擴展點是ε i+1 (如圖5C中的節(jié)點H)，并且節(jié)點Si收到了來自ei+1的右(左)擴展消息，那么節(jié)點的擴展停止。
[0049]所述的擴展交叉現(xiàn)象:
[0050]擴展交叉現(xiàn)象是當(dāng)一條擴展路徑在擴展的過程中與其之前擴展過的路徑相交時所引起的不期望擴展現(xiàn)象。如圖6A是一個復(fù)雜的擴展交叉現(xiàn)象，當(dāng)節(jié)點A進行擴展時，按照擴展點的選擇原則，將是A-B-E--F-D (其中的虛線代表經(jīng)過一系列擴展點)，即BE和FD發(fā)生了交叉。
[0051 ] 這種交叉現(xiàn)象可以提取出一個基本模式，如圖6B，擴展過程中CA和DB相交于一個虛擬點S，節(jié)點C和節(jié)點D沒有連接(否則節(jié)點C將擴展節(jié)點D)，節(jié)點A和節(jié)點D之間的擴展節(jié)點數(shù)不定，下面考察節(jié)點A和節(jié)點B、節(jié)點B和節(jié)點C之間的連接情況:
[0052]...CS+DS>CD>db 且 AC+BD ( 2db
[0053]...AS+BS〈db
[0054]...AS+BS>AB[0055]...AB〈db
[0056]因此有(a)節(jié)點A和節(jié)點B肯定有連接；(b)同理，如果節(jié)點B和節(jié)點C沒有連接，那么節(jié)點A和節(jié)點D肯定有連接(即節(jié)點A和節(jié)點D之間沒有其它擴展節(jié)點)。所以可以把基本的交叉模式分解為兩種子模式:模式-1和模式_2，如圖6C和圖6 D，模式-1是A和D之間沒有連接而B和C之間有連接的情況，模式-2為A和D之間有連接而B和C之間沒
有連接的情況，這兩種模式的判斷算法設(shè)計如下:
[0057]
【權(quán)利要求】
1.一種飛行器自主編隊支撐網(wǎng)絡(luò)的分布式邊界決策協(xié)議，其特征在于:所述的分布式邊界決策協(xié)議包括如下步驟: 第一步，擴展點的確定； 節(jié)點Si收到來自 鄰居節(jié)點Sp1的擴展消息，為了確定下一個擴展節(jié)點，即向誰繼續(xù)傳遞該擴展消息，節(jié)點ε j將比較角度Θ j= Z Ei(^1)Eij, j e {Ν( ε j, db)_ ε r}，選擇ε i+1=argmin{ Θ j}，即令角度最小的節(jié)點為下一擴展節(jié)點，該最小角度Φ= Z Ei(^1)Ei(i+1)稱為擴展角；然后節(jié)點Si向節(jié)點ei+1發(fā)送擴展消息并更新自己的狀態(tài)為邊界節(jié)點； 第二步，凸邊界決策； 所述的凸邊界決策是指每個節(jié)點根據(jù)連接認定距離db收集周圍節(jié)點的信息，分布式地判斷自身是否是凸節(jié)點，進而確定出由凸節(jié)點組成的凸邊界，具體為: 用N(ei，db)表示節(jié)點的以連接認定距離db為半徑的鄰居節(jié)點的集合，即VsjGN(Ei5Cib)jW Clij ( db ;首先節(jié)點ε i收集集合Ν( ε i； db)的角度信息或位置信息；然后任意選擇一條基準邊Ey求出以Eu為始邊、Eij為終邊的逆時針角度Θ j= Z EkEij，其中j e {Ν( ε j, db) - ε J ;最后計算決策量:
Δ Θ j = min { Θ j U 2 π | π < θ j ^ 2 π } -max { θ』U O | O < θ』< ji }(I) 如果Λ θ 則稱節(jié)點^是凸節(jié)點；其中在式(I)中當(dāng)時使Θ」υ2π取得最小值的節(jié)點ε j稱為節(jié)點ε i的左鄰居；當(dāng)O < Θ ^ < Ji時使叫U O取得最大值的節(jié)點ε j稱為節(jié)點ε i的右鄰居；對于整個網(wǎng)絡(luò)，所有的凸節(jié)點最終形成網(wǎng)絡(luò)的凸邊界；第三步，凹邊界決策； 所述的凹邊界決策是指分布式地由每一個凸節(jié)點開始進行邊界擴展，向擴展節(jié)點發(fā)送擴展消息，使相鄰的凸節(jié)點連接成整個凹邊界，具體如下: 在擴展過程中如果某個節(jié)點收到擴展消息，那么它將決策為被擴展的邊界節(jié)點，進行邊界擴展；當(dāng)某節(jié)點斷定滿足停止條件時，該條邊界擴展結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛行器自主編隊支撐網(wǎng)絡(luò)的分布式邊界決策協(xié)議，其特征在于:所述的邊界擴展，當(dāng)某一邊界節(jié)點A在計算下一擴展節(jié)點B的時候,有多個節(jié)點的擴展角同時獲得最小值，稱為擴展共線現(xiàn)象，共線的節(jié)點依據(jù)角度信息判斷自身是否僅在邊界節(jié)點A和另一節(jié)點C之間，最終擴展節(jié)點B將繼續(xù)傳遞擴展消息，節(jié)點C則退出擴展； 當(dāng)兩條擴展經(jīng)過公共點，稱為擴展共點現(xiàn)象，邊界擴展的終止條件為: 條件1:如果節(jié)點ε i是邊界節(jié)點且節(jié)點ε i的擴展角Φ> π，則擴展停止； 條件2:如果節(jié)點Si的左擴展點是ei+1，并且節(jié)點Si收到了來自ei+1的右擴展消息，那么節(jié)點ε i的擴展停止； 當(dāng)一條擴展路徑在擴展的過程中與其之前擴展過的路徑相交時所引起的不期望擴展現(xiàn)象稱為擴展交叉現(xiàn)象。
【文檔編號】H04W80/00GK103763723SQ201410008459
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月8日
【發(fā)明者】吳森堂, 賈翔, 杜陽 申請人:北京航空航天大學(xué)