一种飞行器自主编队支撑网络的分布式边界决策协议制造技术

本发明专利技术公开了一种飞行器自主编队支撑网络的分布式边界决策协议，属于网络边界的一种网络特征认知协议技术领域。本发明专利技术考虑到编队的可扩展性、实时性和编队网络的Ad?hoc特点，本发明专利技术中的边界决策协议的设计是分布式的，并且有合理判断凹边界的能力，并未假设较高的网络节点密度和节点均匀性，网络边界的确定取决于连接认定距离。本发明专利技术在确定凸边界的基础上，基于扩展消息扩展得到凹边界，充分考虑了实现扩展过程中节点间各式各样的连接的复杂情况：扩展共线现象、扩展交叉现象和扩展共点现象。本发明专利技术使每个节点分布式地确定了自己的状态，尤其对大规模Ad?hoc网络凹边界的分布式决策具有明显的优势，减弱了协议对节点的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种飞行器自主编队支撑网络的分布式边界决策协议
本专利技术涉及一种飞行器自主编队支撑网络的分布式边界决策协议，属于飞行控制
，具体涉及一种适用于飞行器在分布式自主编队支撑网络下，节点判断自身是否属于网络边界的一种网络特征认知协议。
技术介绍
近年来，许多国家投入大量的人力物力于飞行器的自主编队飞行的研究中，高密集飞行器编队在执行各种飞行任务中又存在很大的优势，密集编队的协同飞行和队形变化中节点间防碰撞问题是该领域研究的一个重点。编队作为一个网络整体，其中的节点除了具有自身的特征（如节点的机动性能、位置、姿态角、飞行速度、机载设备重要程度等）之外，还具有网络所带来的个体相对于整体的特征，如个体在编队中的重要性（节点的机载设备在编队中的稀缺程度等）、个体在编队中的相对位置等。另外网络本身还具有网络诱导时延、信息更新率等整体特征信息，这些信息的获取均属于网络特征认知协议的范畴，可以预见网络特征认知协议在一定程度上是具有任务依赖性的，即编队所需要的认知协议的种类和功能往往随着编队具体上层任务的不同而不同。
技术实现思路
本专利技术提供一种飞行器自主编队支撑网络的分布式边界决策协议，包括如下步骤：第一步，扩展点的确定；节点εi收到来自邻居节点εi-1的扩展消息，为了确定下一个扩展节点，即向谁继续传递该扩展消息，节点εi将比较角度θj=∠Ei(i-1)Eij，j∈{N(εi,db)-εr}，选择εi+1=argmin{θj}，即令角度最小的节点为下一扩展节点，该最小角度Ф=∠Ei(i-1)Ei(i+1)称为扩展角；然后节点εi向节点εi+1发送扩展消息并更新自己的状态为边界节点；第二步，凸边界决策；所述的凸边界决策是指每个节点根据连接认定距离db收集周围节点的信息，分布式地判断自身是否是凸节点，进而确定出由凸节点组成的凸边界，具体为：用N(εi,db)表示节点εi的以连接认定距离db为半径的邻居节点的集合，即有dij≤db；首先节点εi收集集合N(εi,db)的角度信息或位置信息；然后任意选择一条基准边Eir，求出以Eir为始边、Eij为终边的逆时针角度θj=∠EirEij，其中j∈{N(εi,db)-εr}；最后计算决策量：Δθi＝min{θj∪2π|π＜θj≤2π}-max{θj∪0|0≤θj≤π}(1)如果Δθi>π则称节点εi是凸节点；其中在式(1)中当π＜θj≤2π时使θj∪2π取得最小值的节点εj称为节点εi的左邻居；当0≤θj≤π时使θj∪0取得最大值的节点εj称为节点εi的右邻居；对于整个网络，所有的凸节点最终形成网络的凸边界；第三步，凹边界决策；所述的凹边界决策是指分布式地由每一个凸节点开始进行边界扩展，向扩展节点发送扩展消息，使相邻的凸节点连接成整个凹边界，具体如下：在扩展过程中如果某个节点收到扩展消息，那么它将决策为被扩展的边界节点，进行边界扩展；当某节点断定满足停止条件时，该条边界扩展结束。本专利技术的优点在于：(1)考虑到编队的可扩展性、实时性和编队网络的Adhoc特点，本专利技术中的边界决策协议的设计是分布式的，并且有合理判断凹边界的能力，并未假设较高的网络节点密度和节点均匀性，网络边界的确定取决于连接认定距离。(2)本专利技术在确定凸边界的基础上，基于扩展消息扩展得到凹边界，充分考虑了实现扩展过程中节点间各式各样的连接的复杂情况：扩展共线现象、扩展交叉现象和扩展共点现象。附图说明图1A和图1B为本专利技术中连接认定距离的大小与边界的形成示意图；图2A～D：本专利技术中分布式边界决策协议总体流程示意图；图3：本专利技术中边界扩展总流程示意图；图4：本专利技术中扩展共线现象和扩展停止条件示意图；图5A～C：本专利技术中扩展共点现象和扩展停止条件示意图；图6：本专利技术中扩展交叉现象及其分解示意图；图7：本专利技术中分布式边界决策协议仿真图；具体实施方式下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术首先给出几个定义：1、网络特征认知协议，是指通过网络使网络中的个体对整体的特征、参数、自身在整体中的地位等信息具有统一认识的一簇协议。例如网络健康状态（连通性、丢包率、时延和更新率等）在线估计协议。2、分布式边界决策协议，飞行器自主编队时，节点间的防碰撞问题需要节点作边界决策，边界决策协议即编队中的节点判断自身是否属于网络边界的一种网络特征认知协议。在二维平面内，以图G=(E,ε)表示网络的拓扑结构，E为边集，Eij表示节点εi与节点εj的边；ε为节点集；dij表示节点εi与节点εj的距离；db是节点εi与节点εj的连接认定距离；当dij≤db时，Eij=1，表示节点εi与节点εj之间有边；当dij>db时，Eij=0时表示节点εi与节点εj之间没有边。网络的边界是图G的边界点的集合B(G,db)，它具有这样的性质：所有属于B(G,db)的点的边围成一个封闭多边形，使其余的点都在该多边形内。此处连接认定距离是指两节点之间可以连接成边所要求的最小距离，显然网络的边界与网络的拓扑结构和连接认定距离的选择有关，如图1A，较大的连接认定距离db使边界的边数较小，并倾向于凸边界；如图1B，较小的连接认定距离db使边界的边数较多，并倾向于凹边界。连接认定距离db的选择取决于具体上层应用对边界特性的需求，如在研究网络通信的时候可以取为通信半径。由以上的分析并考虑到编队的可扩展性、实时性和编队网络的Adhoc特点，边界决策协议的设计应该是分布式的，并且有判断凹边界的能力。现阶段凹边界决策（或叫凹边界搜索、凹边界识别）大部分研究成果是集中式的，另外有一些文献虽然提出了分布式的凹边界决策算法，但是它们都假设较高的网络节点密度和节点均匀性，而本专利技术研究的网络边界取决于连接认定距离db，连接认定距离db是一个可变参数，网络节点密度和节点均匀性都是相对的，所以这些假设是不适用的。针对这个问题，本专利技术提出一种基于扩展消息的分布式边界决策协议，能很好的根据连接认定距离db分布式地决策出飞行器自主编队支撑网络的凹边界。本专利技术提出的一种飞行器自主编队支撑网络的分布式边界决策协议，总体流程如图2A～2D所示，包括以下几个步骤：步骤一：凸边界决策。每个节点根据连接认定距离db收集周围节点的信息，分布式地判断自身是否是凸节点（图2A），进而确定出由凸节点组成的凸边界（图2B）。用N(εi,db)表示节点εi的以连接认定距离db为半径的邻居节点的集合，即有dij≤db。凸边界的决策，如图2中A～B所示，首先节点εi收集集合N(εi,db)的角度信息或位置信息（位置信息在本协议中并不是必要的，但在无法获得角度信息的时候，角度可以由位置解算）；然后任意选择一条基准边Eir（节点εi与节点εr形成的边），求出以Eir为始边、Eij为终边的逆时针角度θj=∠EirEij，其中j∈{N(εi,db)-εr}；最后计算决策量：Δθi＝min{θj∪2π|π＜θj≤2π}-max{θj∪0|0≤θj≤π}(1)如果Δθi>π则称节点εi是凸节点。其中在式(1)中当π＜θj≤2π时使θj∪2π取得最小值的节点εj称为节点εi的左邻居；当0≤θj≤π时使θj∪0取得最大值的节点εj称为节点εi的右邻居。对于整个网络，所有的凸节点最终形成网络的凸边界。步骤二：凹边界决本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞行器自主编队支撑网络的分布式边界决策协议，其特征在于：所述的分布式边界决策协议包括如下步骤：第一步，扩展点的确定；节点εi收到来自邻居节点εi-1的扩展消息，为了确定下一个扩展节点，即向谁继续传递该扩展消息，节点εi将比较角度θj＝∠Ei(i-1)Eij，j∈{N(εi,db)-εr}，选择εi+1＝argmin{θj}，即令角度最小的节点为下一扩展节点，该最小角度Ф＝∠Ei(i-1)Ei(i+1)称为扩展角；然后节点εi向节点εi+1发送扩展消息并更新自己的状态为边界节点；其中，Eij表示节点εi与节点εj的边，dij表示节点εi与节点εj的距离，db是节点εi与节点εj的连接认定距离；第二步，凸边界决策；所述的凸边界决策是指每个节点根据连接认定距离db收集周围节点的信息，分布式地判断自身是否是凸节点，进而确定出由凸节点组成的凸边界，具体为：用N(εi,db)表示节点εi的以db为半径的邻居节点的集合，即有dij≤db；首先节点εi收集集合N(εi,db)的角度信息或位置信息；然后任意选择一条基准边Eir，求出以Eir为始边、Eij为终边的逆时针角度θj＝∠EirEij，其中j∈{N(εi,db)-εr}；最后计算决策量：Δθi＝min{θj∪2π|π＜θj≤2π}-max{θj∪0|0≤θj≤π}(1)其中，Eir表示节点εi与节点εr形成的边，εr为任意选取的基准边Eir的一节点；如果Δθi>π则称节点εi是凸节点；其中在式(1)中当π＜θj≤...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴森堂，贾翔，杜阳，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：