本發(fā)明屬于無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三維空間無人移動平臺群體移動部署通信與控制方法。

背景技術(shù)：

無人移動平臺群體由多個無人移動平臺構(gòu)成，這些無人平臺可以使無人車、無人機、無人艦船以及可移動機器人等。每個無人移動平臺都配備有無線通信裝置來交互必須的指令或者信息。多個無人移動平臺構(gòu)成一個群體協(xié)同行動具有單個群體無法比擬的群體優(yōu)勢，有廣闊的應(yīng)用場景，比如更快的完成對制定區(qū)域的遙感遙測和人員搜救，可以更高效的完成物資運輸，也可以更健壯的應(yīng)對可能的威脅或個體平臺故障。特別地?zé)o人移動平臺群體的移動部署，即無人移動平臺群體沿著一條既定的路線從始發(fā)地協(xié)同移動到目的地，在無人平臺的群體調(diào)度或部署、物資的運輸和針對給定路線的偵查或信息感知都有廣泛的應(yīng)用。

目前關(guān)于群體移動通信和控制方法主要可以分為三類：一類是模仿自然界中魚群或鳥群等生物群體的運動模式，并不要求有特定的移動方向；第二類方法是使沒有特定移動方向的平臺都跟隨有指定移動方向的一個或者幾個平臺，最終所有平臺都一起以相同的速度向指定方向移動；第三類群體移動控制方法是為了在某一給定區(qū)域內(nèi)完成特定的任務(wù)為目的，比如進(jìn)行目標(biāo)跟蹤、構(gòu)成某一特定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠蛘咴趧討B(tài)環(huán)境下保持平臺網(wǎng)絡(luò)間的聯(lián)通性等等。而如何分布式的控制無人移動平臺群體從某一始發(fā)地用最少的時間沿著給定路線平滑移動到目的地，要求移動過程中保持網(wǎng)絡(luò)的連通性，且任意相鄰節(jié)點間保持最大通信距離以擴大整個網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，當(dāng)前仍然是空白。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種三維空間無人移動平臺群體移動部署通信與控制方法。該方法針對無人移動平臺群體，通過分布式的通信和控制，使它們從某一始發(fā)地用最少的時間沿著給定路線平滑移動到目的地，在移動過程中保持最佳網(wǎng)絡(luò)特性，即移動過程中網(wǎng)絡(luò)保持連通性，且任意相鄰平臺間保持最大通信距離以擴大整個網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，填補目前在該問題解決方法上的空白。本發(fā)明通過每個平臺根據(jù)自己的位置、周圍鄰居節(jié)點的位置和給定的路線信息來模擬路線對平臺的牽引力、平臺相互間的吸引力或者排斥力，根據(jù)這些虛擬的力來調(diào)制自己的移動方向和移動速度，這樣平臺群體能夠平滑的沿著給定路線移動到目的地，并在移動過程中保持最佳網(wǎng)絡(luò)特性。

本發(fā)明的技術(shù)方案是，

一種三維空間無人移動平臺群體移動部署通信與控制方法，包括以下步驟：

S1無人移動平臺群體中的任一移動平臺n_i通過發(fā)送廣播包向鄰居移動平臺廣播自己的位置信息(x_i,y_i,z_i)，并通過收聽鄰居移動平臺的廣播包來獲得鄰居移動平臺節(jié)點的位置信息，設(shè)鄰居移動平臺節(jié)點n_j的位置信息為(x_j,y_j,z_j)。

S2移動平臺n_i根據(jù)其自身位置信息、鄰居平臺位置信息和給定的路線信息計算它所感受到的虛擬力。

首先，通過下式的矢量求和計算移動平臺ni受到的其所有相鄰移動平臺的虛擬吸引力

其中N(i)為移動平臺n_i的所有鄰居移動平臺節(jié)點的集合；的方向為從移動平臺n_i指向與其相鄰的移動平臺n_j。

然后，計算移動平臺n_i受到的其所有相鄰移動平臺的虛擬排斥力。

其中通過下式計算，其方向為從移動平臺n_j指向移動平臺n_i。

式(3)中R_i,j為移動平臺n_i和n_j之間的距離，R_opt為給定的移動平臺間的最大通信距離；

再次，計算給定路線對移動平臺n_i的虛擬牽引力，

其中t為當(dāng)前時刻，Δt為事先設(shè)定的移動控制時間粒度，(x(t),y(t),z(t))和(x(t+Δt),y(t+Δt),z(t+Δt))分別為每個移動平臺給定運動路線在t時刻和t+Δt時刻的坐標(biāo)；方向為從位置(x(t),y(t),z(t))指向位置(x(t+Δt),y(t+Δt),z(t+Δt))；

最后，通過下式的矢量求和來計算虛擬力合力

S3移動平臺n_i根據(jù)所感受到的虛擬力來計算自己的移動方向和移動速度，直至滿足停止條件。

首先，采用下式計算移動速度：

其中U_i為移動平臺n_i的最大移動速度；

計算得到移動速度v_i后，移動平臺n_i調(diào)整自己的移動速度為v_i，其移動方向為虛擬力合力的方向；

然后，記錄下移動平臺n_i本次移動的方向，并比較本次移動方向于上次移動方向的角度差，當(dāng)角度差小于π/2時，Cth＝0；否則，Cth＝Cth+1；

S1～S3迭代運行，直到下列停止條件得到滿足：

停止條件：Cth的值大于20即當(dāng)移動平臺ni連續(xù)移動方向夾角超過π/2的次數(shù)大于20時，移動平臺ni停止繼續(xù)移動，到達(dá)目的地。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果：

本發(fā)明每個移動平臺根據(jù)自己的位置、周圍鄰居節(jié)點的位置和給定的路線信息來模擬相互間的吸引力或者排斥力，根據(jù)這些虛擬的力來調(diào)制自己的移動方向和移動速度，這樣移動平臺群體能夠平滑的沿著給定路線移動到目的地，并在移動過程中保持最佳網(wǎng)絡(luò)特性。本發(fā)明解決了無人移動平臺群體從始發(fā)地沿著給定路線到達(dá)目的地的控制問題，基于本發(fā)明的移動控制，在移動過程中保持最佳網(wǎng)絡(luò)特性，即移動過程中網(wǎng)絡(luò)保持連通性，且任意相鄰平臺間保持最大通信距離以擴大整個網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積。本發(fā)明通過每個平臺根據(jù)自己的位置、周圍鄰居節(jié)點的位置和給定的路線信息來模擬相互間的吸引力或者排斥力，根據(jù)這些虛擬的力來調(diào)制自己的移動方向和移動速度，這樣平臺群體能夠平滑的沿著給定路線移動到目的地，并在移動過程中保持最佳網(wǎng)絡(luò)特性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程示意圖；

圖2是在實驗室利用Matlab仿真軟件對本發(fā)明有效性的驗證；

圖3是在不同形狀的移動路線下本發(fā)明的群體移動部署消耗時間和群體中平臺平均移動距離的對比圖

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

圖1是本發(fā)明的流程圖。每個移動平臺在初始化過程中設(shè)置Cth＝0，然后開始進(jìn)入迭代循環(huán)。在迭代循環(huán)過程中，首先，每個移動平臺都向鄰居移動平臺(即處于通信距離內(nèi)的平臺)廣播自己的位置信息；然后，每個移動平臺根據(jù)事先給定路線、收到的鄰居移動平臺位置和自身位置三方面的信息來計算自己的所受到的虛擬力；最后，每個移動平臺將計算得到的虛擬力轉(zhuǎn)換為自己的移動方向和移動速度，并調(diào)整移動。上述三個步驟迭代進(jìn)行，直到平臺滿足停止條件便停止運動。在這個過程中，移動平臺群體能夠平滑的沿著給定路線移動到目的地，并在移動過程中保持最佳網(wǎng)絡(luò)特性。

圖2是在實驗室利用Matlab仿真軟件對本發(fā)明的有效性進(jìn)行驗證的結(jié)果，為了清楚表示，本實驗中設(shè)置所有移動平臺的z坐標(biāo)為0。網(wǎng)絡(luò)中包含50個移動平臺(用圓圈表示)，始發(fā)地用方塊表示，目的地用五角星表示，事先給定路線為一條波浪形狀曲線(用虛線表示)，路線總長度為10000米，每個移動平臺的最大移動速度為20米/秒，平臺之間有連線表示它們之間保持連接，即可直接通信。其中圖(a)是群體的初始狀態(tài)：所有移動平臺隨機的分布在始發(fā)地周圍。圖(b)為發(fā)明方法運行200s后的狀態(tài)，所有移動平臺構(gòu)成了規(guī)則的群體(保持相互連接，且平臺間的距離保持在最大的通信距離上)一起沿著給定的路線平滑移動。圖(c)為最終狀態(tài)(即835s后的狀態(tài))，所有移動平臺按照規(guī)則的群體到達(dá)目的地。

圖3是通過Matlab仿真軟件對在不同形狀的移動路線下本發(fā)明的群體移動部署消耗時間和群體中移動平臺平均移動距離隨著群體移動平臺個數(shù)的變化的對比。圖(a)是移動時間的對比圖，其中加○的曲線表示移動路線為直線時的情況，加◇的曲線表示路線為圓圈的情況，加+的曲線為正弦形狀是的情況。在仿真中設(shè)置三種形狀路線的總長度相同，都為1萬米?？梢园l(fā)現(xiàn)無論是何種路線，移動消耗的總時間都有隨著平臺數(shù)增多而上升的趨勢，其中路線為直線時平臺移動的時間最少，而圓圈和正弦路線消耗的時間相差不大。圖(b)是移動距離的對比圖，其中虛線表示實際的路線長度，可以發(fā)現(xiàn)群體移動的距離都要長于實際的路線，這是由于平臺間的相互作用使它們保持了良好的連接性，但并不能完全按照給定的路線移動。同樣的，當(dāng)路線為直線時，節(jié)點需要移動的距離最少，而路徑為正弦形狀時需要移動的距離最大，路徑為圓圈時，需要移動的距離居中。

以上包含了本發(fā)明優(yōu)選實施例的說明，這是為了詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)特征，并不是想要將發(fā)明內(nèi)容限制在實施例所描述的具體形式中，依據(jù)本發(fā)明內(nèi)容主旨進(jìn)行的其他修改和變型也受本專利保護(hù)。本發(fā)明內(nèi)容的主旨是由權(quán)利要求書所界定，而非由實施例的具體描述所界定。