儲(chǔ)含露，陳鳴，金程皓，竇曉磊

（南京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 211106）

1 引言

基于無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)的各種應(yīng)用是一個(gè)近年來得到飛速發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域[1]。由于單架UAV存在能力受限、可靠性不高等缺點(diǎn)，由多UAV協(xié)作構(gòu)成多UAV蜂群可以更高效、更可靠、更低代價(jià)地支持完成各種任務(wù)，而支撐蜂群（Swarm）應(yīng)用的UAV網(wǎng)絡(luò)面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn)[2]。UAV網(wǎng)絡(luò)是一種發(fā)展中的新興網(wǎng)絡(luò)，人們對(duì)其技術(shù)特征莫衷一是[3]，例如它是一種空中飛行網(wǎng)絡(luò)，可以根據(jù)需求在指定地點(diǎn)迅速部署并提供服務(wù)；它是一種面向任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，可能根據(jù)任務(wù)目標(biāo)配置資源和優(yōu)化設(shè)置；它是一種節(jié)點(diǎn)間通常采用無線自組織技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)性能不夠穩(wěn)定；它是一種既受地面控制系統(tǒng)指揮，又可受UAV自身自主決策控制的網(wǎng)絡(luò)；它是一種時(shí)而連通，時(shí)而分裂的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)等。顯然，UAV網(wǎng)絡(luò)是涉及到航空、無線通信、傳感、控制、人工智能等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)，技術(shù)錯(cuò)綜復(fù)雜，研發(fā)UAV網(wǎng)絡(luò)技術(shù)難度極高[4]。需要針對(duì)UAV網(wǎng)絡(luò)的核心功能設(shè)計(jì)適合的體系結(jié)構(gòu)，以協(xié)調(diào)處理好各種主要功能之間的關(guān)系，本文的首要目標(biāo)是研究支持蜂群應(yīng)用的UAV網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。

在各種軍事、民事應(yīng)用中，UAV蜂群已經(jīng)被廣泛用于環(huán)境和自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、邊境監(jiān)視、突發(fā)事件援助、搜索和救援、貨物傳遞和建筑等任務(wù)[5]。盡管這些應(yīng)用可能對(duì)UAV網(wǎng)絡(luò)有某些特定的需求，但它們對(duì)無人機(jī)蜂群通常也具有核心的需求和一些共性的需求。通過分析這些核心需求和共性需求，能夠設(shè)計(jì)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)所具有特定的組織結(jié)構(gòu)。這是本文的第二個(gè)目標(biāo)。

2 相關(guān)工作

目前，已有文獻(xiàn)對(duì)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特性進(jìn)行了分析，?lker Bekmezci等人將無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)定義為飛行自組網(wǎng)（Flying Ad Hoc Networks，F(xiàn)ANETs），認(rèn)為FANETs是一種特殊類型的MANET和VANET，F(xiàn)ANETs與現(xiàn)有的MANET和VANET等自組織網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別主要包括移動(dòng)性更強(qiáng)、拓?fù)渥兓l率更高、需要支持用于節(jié)點(diǎn)間協(xié)作的點(diǎn)到點(diǎn)通信及節(jié)點(diǎn)與控制中心間的融合數(shù)據(jù)的通信、節(jié)點(diǎn)間距離較遠(yuǎn)、載荷多樣化等[6]。Gupta L 等人從移動(dòng)性、拓?fù)?、拓?fù)渥兓?、能源約束等方面對(duì)MANET、VANET和UAV網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了比較，認(rèn)為無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度與任務(wù)相關(guān)，其拓?fù)淇赡苁锹齽?dòng)態(tài)（緩慢變化）或動(dòng)態(tài)變化的[7]。Hayat S等認(rèn)為無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一種面向任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景的通信需求將應(yīng)用分成了搜救、覆蓋、運(yùn)輸、建造等四個(gè)領(lǐng)域，并且分析了現(xiàn)有通信技術(shù)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用及其不足[8]。下面從節(jié)點(diǎn)特性、移動(dòng)性、拓?fù)渥兓?、面向任?wù)等幾個(gè)角度分析無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特征。

（1）節(jié)點(diǎn)特性。無人機(jī)是一種能力受限的低成本、小型化無人機(jī)。無人機(jī)通常可分為固定翼和旋翼兩種類型，固定翼無人機(jī)通常具有較高的速度和更大的載荷，但不能懸停，不適合靜態(tài)應(yīng)用。與之相對(duì)的，旋翼無人機(jī)的移動(dòng)性和載荷有限，但具有更強(qiáng)的靈活性，可以向任意方向移動(dòng)也可在空中懸停[9]。根據(jù)應(yīng)用需求，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中可能存在不同類型的無人機(jī)，通過相互協(xié)作來完成任務(wù)目標(biāo)。協(xié)作是多無人機(jī)系統(tǒng)工作良好的前提，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間協(xié)作的信息量較大，因此節(jié)點(diǎn)間通常選擇WiFi或4G等寬帶通信技術(shù)進(jìn)行互聯(lián)。由于無人機(jī)的載荷和續(xù)航時(shí)間之間成反比關(guān)系[10]，因此每架無人機(jī)攜帶的載荷種類和數(shù)量有限。而根據(jù)任務(wù)的不同，網(wǎng)絡(luò)中可能存在攜帶不同載荷的無人機(jī)。無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的資源不僅包括TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的通信、計(jì)算、存儲(chǔ)等傳統(tǒng)資源，而且包括支持面向任務(wù)的機(jī)動(dòng)性、應(yīng)用服務(wù)等所需的軟硬件資源。總體來說，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)具有能力受限、異構(gòu)、資源多樣化等特點(diǎn)。無人機(jī)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作、節(jié)能、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、無人機(jī)節(jié)點(diǎn)失效的檢測(cè)和響應(yīng)等是無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)所必須考慮要的問題。

（2）移動(dòng)性。無人機(jī)具有良好的機(jī)動(dòng)性，在很多場(chǎng)景中，無人機(jī)的高移動(dòng)性可以顯著提升時(shí)效性[11]。高移動(dòng)性也是VANET的特征，然而VANET節(jié)點(diǎn)只能在二維空間內(nèi)移動(dòng)。而無人機(jī)可以靈活的在三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，適應(yīng)地形的變化、避障等需求。隨著無人機(jī)的飛行高度的升高，無人機(jī)的視野隨之變大，但無人機(jī)所搭載的傳感器對(duì)地面的感知精度會(huì)隨之下降，因此無人機(jī)通常會(huì)有飛行高度的限制。無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)與MANET、VANET等自組織網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)重要區(qū)別在于無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可控移動(dòng)性。MANET中的節(jié)點(diǎn)通常是隨機(jī)移動(dòng)，熱門區(qū)域的節(jié)點(diǎn)密度較高。VANET節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)受限于道路布局、車流量及交通規(guī)則。無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅可以在三維空間移動(dòng)，而且可以根據(jù)任務(wù)需求預(yù)先規(guī)劃無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。因此靈活、可控的移動(dòng)是設(shè)計(jì)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要考慮的一個(gè)重要因素。

（3）拓?fù)渥兓?。無人機(jī)的高移動(dòng)性是無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓闹匾颍鴳?yīng)用需求是決定無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l率的關(guān)鍵因素。如在災(zāi)害救援應(yīng)用中，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)用于提供臨時(shí)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋時(shí)，無人機(jī)需要懸停在作業(yè)區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔３窒鄬?duì)穩(wěn)定。而在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)根據(jù)不同的作戰(zhàn)目標(biāo)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行不斷的重組，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也可能隨時(shí)被擊毀，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn)高動(dòng)態(tài)性。無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓煞譃槁齽?dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)變化兩種情形[3]。懸停的多架旋翼無人機(jī)或多個(gè)并行高速飛行的固定翼無人機(jī)均可形成相對(duì)靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，但鏈路性能會(huì)因障礙物遮擋、天線位置、能源大小、距離漂移甚至溫度濕度變化而發(fā)生緩慢變化（慢動(dòng)態(tài)）。由于任務(wù)再分配、節(jié)點(diǎn)失效或設(shè)備故障等原因，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)子集之間會(huì)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩嘧兓?、通信鏈路時(shí)通時(shí)斷的情形（動(dòng)態(tài)）。

（4）面向任務(wù)。無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的流量類型、時(shí)延敏感性、通信半徑、拓?fù)渥兓l率、節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作需求、網(wǎng)絡(luò)密度、能量限制等因素與應(yīng)用密切相關(guān)[5]。如搜救應(yīng)用中，無人機(jī)需要搜索和檢測(cè)單個(gè)或多個(gè)靜止或移動(dòng)的目標(biāo)，并且跟蹤目標(biāo)的狀態(tài)從而使得救援人員可以快速的到達(dá)目標(biāo)位置[12]。時(shí)間和空間約束是搜救應(yīng)用的重要約束[13]。搜救應(yīng)用中需要盡可能快的找到生命正在受到威脅的受害者，同時(shí)需要在飛行中盡可能有效地?cái)U(kuò)大搜索區(qū)域，這將影響無人機(jī)類型及數(shù)量的選擇，同時(shí)要求設(shè)計(jì)的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)具有低的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和大的通信范圍。此外，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的任務(wù)可能是動(dòng)態(tài)變化的。如搜救應(yīng)用中，無人機(jī)在定位到目標(biāo)位置后，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)將從搜索受害者轉(zhuǎn)為建立救援人員和受害者之間的通信。無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的面向任務(wù)的特征使得不能僅將其視為一種通信網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)針對(duì)特定任務(wù)的需求，在節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、關(guān)系和資源配置以及應(yīng)用支持等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分考慮應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)特征和通信需求的約束。

綜上所述，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)定義為無人機(jī)節(jié)點(diǎn)能夠自然形成穩(wěn)定的群體結(jié)構(gòu)，如果因擾動(dòng)破壞了原結(jié)構(gòu)，新群體能夠自適應(yīng)的形成新的穩(wěn)定優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

3 無人機(jī)蜂群體系結(jié)構(gòu)

本文將無人機(jī)蜂群定義為：一種基于開放式體系架構(gòu)綜合集成覆蓋有限區(qū)域、執(zhí)行特定任務(wù)的大量自主節(jié)點(diǎn)的集合。它以高速運(yùn)動(dòng)的無人機(jī)為載體，能夠迅速將節(jié)點(diǎn)部署到優(yōu)勢(shì)位置。以無線寬帶自組織網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以節(jié)點(diǎn)協(xié)同交互為支撐，自適應(yīng)地形成體系生存率高、效費(fèi)交換比高、功能分布、具有規(guī)模優(yōu)勢(shì)的支撐體系，以高效支撐完成應(yīng)用任務(wù)。由此，認(rèn)識(shí)到無人機(jī)蜂群具有三個(gè)主要功能。

（1）特定的蜂群應(yīng)用是無人機(jī)蜂群存在的目的。

（2）蜂群應(yīng)用需要UAV網(wǎng)絡(luò)提供節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同支持，而在動(dòng)態(tài)、高速運(yùn)動(dòng)環(huán)境下使無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供有服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)。

（3）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常承載在無人機(jī)之上。借鑒互聯(lián)網(wǎng)的研究經(jīng)驗(yàn)，定義了如圖1所示的無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的層次結(jié)構(gòu)，將各主要功能組織成為其他功能提供服務(wù)的形式并通過層間接口加以提供，以屏蔽層內(nèi)的技術(shù)細(xì)節(jié)。

圖1 UAV節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)

該UAV節(jié)點(diǎn)自下而上分為三個(gè)層次：飛行層、智能體層和應(yīng)用層。其中，飛行層具有傳統(tǒng)UAV所具有的功能（如飛行、控制和傳感等）；智能體層具有Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)群集控制等功能；應(yīng)用層則包括支持蜂群應(yīng)用功能的設(shè)備和程序。

無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)與智能體層功能有關(guān)，其Ad Hoc通信功能利用自組織協(xié)議將無線通信半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)自主成網(wǎng)，群集控制功能利用群集技術(shù)[14]，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分布式地計(jì)算并通過南向接口與飛行層通信，以控制自身位于網(wǎng)絡(luò)中的位置，使得無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)具有Boid三原則。（1）聚合：試圖與鄰居保持聯(lián)系；（2）分離：與鄰居實(shí)體保持距離；（3）對(duì)齊：試圖保持與鄰居相同的速度的整體行為。群集控制功能通過與飛行層通信既可以實(shí)時(shí)獲取本機(jī)的飛行狀態(tài)、位置和傳感等信息，又能夠根據(jù)自主智能決策或協(xié)同智能決策控制UAV的飛行。

圖2 一種UAV蜂群的體系結(jié)構(gòu)

應(yīng)用層通過北向接口與智能體層通信，使得各種UAV應(yīng)用可根據(jù)各自任務(wù)需求調(diào)用智能體層提供的功能接口。應(yīng)用層主節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化決策程序依據(jù)應(yīng)用任務(wù)和全局資源進(jìn)行優(yōu)化，并發(fā)布給各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分布式實(shí)施。UAV節(jié)點(diǎn)之間通過UAV網(wǎng)絡(luò)的東西向接口進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用協(xié)同操作。

如圖2所示，定義了一種無人機(jī)蜂群的體系結(jié)構(gòu)，其中位于UAV節(jié)點(diǎn)之上的分布式軟件系統(tǒng)形成了虛擬覆蓋網(wǎng)絡(luò)。協(xié)同應(yīng)用都是運(yùn)行在該邏輯網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用軟件及其相應(yīng)的機(jī)載應(yīng)用設(shè)備，它們通過API與UAV分布式軟件系統(tǒng)進(jìn)行交互，并且屏蔽了下層無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)細(xì)節(jié)。

4 無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)

假定UAV蜂群具有如下特點(diǎn)：數(shù)以百計(jì)（數(shù)量≤100），低成本（每節(jié)點(diǎn)價(jià)格≤$1萬），密集排列（節(jié)點(diǎn)間距≤100m），協(xié)作信息量大（通信帶寬>20Mbps），自組織聯(lián)網(wǎng)。

為滿足上述要求，設(shè)計(jì)的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)包括1個(gè)地面控制站（GCS）和多個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)。位于地面的GCS可以與蜂群采用WiFi或4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，使無人機(jī)蜂群即可受地面人員的遙控，也可用系統(tǒng)程序控制。其中包括三種網(wǎng)絡(luò)通信方式。

（1）空地通信：GCS與空中無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的某無人機(jī)通過4G技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)通信。例如，UAV1具有4G LTE通信功能，它能夠與地面GCS進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

（2）空空通信：無人機(jī)蜂群基于WiFi Ad Hoc模式通信，為蜂群應(yīng)用提供寬帶、短時(shí)延。

圖3 一種支持蜂群應(yīng)用的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)

（3）中轉(zhuǎn)通信：某節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有4G LTE和WiFi功能，CGS能夠通過該節(jié)點(diǎn)與蜂群其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

4.2 無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的安全設(shè)計(jì)

無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)是由許多U A V節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，UAV自身面臨著許多安全威脅。例如，UAV飛行控制系統(tǒng)具有大量復(fù)雜功能，存在著許多已知或未知的安全隱患；控制UAV所使用的無線通信鏈路是一個(gè)易于入侵的薄弱環(huán)節(jié)；UAV涉及大量機(jī)械、機(jī)電結(jié)合、電子、通信等器件，系統(tǒng)可靠性較低；U A V是新應(yīng)用領(lǐng)域，管理水平亟待提高。因此，與其他形式的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)面臨著更為嚴(yán)峻的安全威脅。除了要提升UAV的安全性外，還需要為無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置如下安全機(jī)制。

（1）身份鑒別。這是一種某個(gè)UAV經(jīng)過無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)向另一個(gè)無人機(jī)證明其身份的機(jī)制。每個(gè)UAV進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，都需要用該機(jī)制來驗(yàn)證其身份的真實(shí)可信。系統(tǒng)采用公開秘鑰密碼來鑒別每個(gè)UAV的真實(shí)可信，每個(gè)UAV可以利用自己唯一具備的私鑰來表明自己的身份，并用對(duì)方的公鑰來加密此后用于與對(duì)方會(huì)話所用的對(duì)稱秘鑰。

（2）報(bào)文加密。這是一種保證僅有發(fā)送UAV和接收UAV能夠理解傳輸報(bào)文內(nèi)容的機(jī)制。所有報(bào)文在經(jīng)過無線通信鏈路傳輸前，發(fā)送方采用對(duì)稱秘鑰密碼進(jìn)行加密，而接收方利用只有雙方知道的對(duì)稱秘鑰對(duì)報(bào)文解密，以保證無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信內(nèi)容的機(jī)密性。

（3）報(bào)文完整性。這是一種確保UAV通信內(nèi)容在傳輸過程中未被改變，或惡意篡改或者意外改動(dòng)的機(jī)制。系統(tǒng)采用數(shù)字簽名技術(shù)利用發(fā)送UAV的私鑰對(duì)通信報(bào)文的指紋進(jìn)行簽名，而接收UAV只要能夠用對(duì)方的公鑰解開報(bào)文指紋的簽名，就表明該報(bào)文是完整的。

（4）反重放攻擊。重放攻擊是防止攻擊者通過竊聽發(fā)送方并記錄下報(bào)文的拷貝，并向接收方回放該拷貝，假冒它是發(fā)送方的一種攻擊方法。系統(tǒng)在發(fā)送報(bào)文加上一個(gè)不重?cái)?shù)，使得每次發(fā)送的報(bào)文都是唯一的。

5 無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)

根據(jù)本文定義的無人機(jī)蜂群和無人機(jī)節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)以及無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)。

5.1 無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的物理組成

無人機(jī)節(jié)點(diǎn)包括：大疆M100無人機(jī)，一塊具有WiFi Ad Hoc模式、AP模式和4G LTE功能的嵌入式網(wǎng)絡(luò)板卡以及一塊嵌入式計(jì)算機(jī)，此外還有其他傳感器單元、供電單元以及天線單元等，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如圖4所示。

圖4 蜂群無人機(jī)節(jié)點(diǎn)

5.2 無人機(jī)節(jié)點(diǎn)功能模塊

無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)功能主要位于智能體層中，如圖5所示給出了支持蜂群應(yīng)用的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。具體而言，它的網(wǎng)絡(luò)通信功能由嵌入式網(wǎng)絡(luò)板及其相關(guān)軟件提供。群集控制功能運(yùn)行在嵌入式計(jì)算機(jī)上，其根據(jù)群集控制模型和多種傳感器信息進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算得到的指令經(jīng)串口輸出至無人機(jī)飛控系統(tǒng)，以控制無人機(jī)實(shí)際飛行航線。

圖5 支持蜂群應(yīng)用的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信功能由基于高通QCA9563+QCA9880芯片的無線主板提供，集成了2.4/5GHz WiFi和4G LTE網(wǎng)絡(luò)通信模塊，嵌入128MB的內(nèi)存以及16MB的閃存，能夠?yàn)槎嗄Ｊ綗o線通信提供平臺(tái)。4G LTE網(wǎng)絡(luò)通信功能主要用于支持地空通信，地面控制站可以利用電信公司的4G基礎(chǔ)設(shè)施與任何具有4G通信功能的無人機(jī)進(jìn)行通信，并且該無人機(jī)能夠?qū)⑼ㄐ判畔⒅修D(zhuǎn)給空中網(wǎng)絡(luò)的其他無人機(jī)節(jié)點(diǎn)。

分布式群集控制功能可以分為群集控制程序和驅(qū)動(dòng)程序兩個(gè)部分。所謂群集是指具有鳥群或魚群那樣群體性行為的特性，這里指無人機(jī)自主跟隨一臺(tái)領(lǐng)航無人機(jī)（Leader）飛行的行為。具有群集特征的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)將不會(huì)出現(xiàn)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的失聯(lián)、碰撞或混亂等現(xiàn)象，使得網(wǎng)絡(luò)通信QoS有保證。如圖6所示，給出了Leader節(jié)點(diǎn)與普通節(jié)點(diǎn)ni(i=1,2,…)間的關(guān)系模型。

圖6 Leader與普通節(jié)點(diǎn)的關(guān)系模型

為了避免Leader與附近普通節(jié)點(diǎn)ni(i=1,2,…)發(fā)生碰撞沖突，每個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該有一個(gè)安全距離r3。當(dāng)節(jié)點(diǎn)和Leader之間的距離小于r2時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以具有較高的通信質(zhì)量，而如果該距離大于r1，則節(jié)點(diǎn)間將中斷通信。根據(jù)圖6中Leader與節(jié)點(diǎn)的關(guān)系模型，需要遵循的Boid三原則可具體化：（1）分離：節(jié)點(diǎn)與Leader以及與其他節(jié)點(diǎn)之間的距離應(yīng)大于安全半徑r3，以防止相互碰撞；（2）聚合：節(jié)點(diǎn)與Leader之間的距離應(yīng)小于等于理想通信半徑r2；當(dāng)節(jié)點(diǎn)與Leader之間的距離大于r1，會(huì)因信號(hào)太弱而中斷通信；（3）對(duì)齊：節(jié)點(diǎn)應(yīng)與Leader運(yùn)動(dòng)的方向和速度一致。

設(shè)節(jié)點(diǎn)ni距Leader的距離為ri，則對(duì)于ni有三種情況：

（1）當(dāng)r2≤ri≤r1時(shí)，它必須迅速調(diào)整速度和方向，使其迅速向Leader靠攏，以防它落入大于r1的區(qū)域而失聯(lián)；

（2）當(dāng)ri≤r3時(shí)，它必須迅速調(diào)整速度和方向，使其迅速遠(yuǎn)離Leader，以防它與Leader之間發(fā)生碰撞；

（3）節(jié)點(diǎn)需周期性的調(diào)整其速度和方向以保持與Leader一致。

群集控制功能根據(jù)本文模型和傳感器感知的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，該模塊運(yùn)行在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，這些節(jié)點(diǎn)只需經(jīng)過自主計(jì)算就能決定無人機(jī)自身的動(dòng)作，無需進(jìn)行復(fù)雜的集中式優(yōu)化，就能實(shí)施高效地驅(qū)動(dòng)無人機(jī)群集飛行。

為了使上述群集控制功能能夠適用于不同類型的無人機(jī)如大疆飛控DJI、Pixhawk、APM等，本文在群集控制模塊之間設(shè)計(jì)了一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，用于進(jìn)行群集控制行為與無人機(jī)飛控指令之間的轉(zhuǎn)換。群集控制程序傳達(dá)指令后，該驅(qū)動(dòng)程序通過檢測(cè)當(dāng)前無人機(jī)對(duì)應(yīng)的平臺(tái)，將集群控制程序的統(tǒng)一指令轉(zhuǎn)換為無人機(jī)飛控自身的控制指令。

5.3 網(wǎng)絡(luò)配置及其性能測(cè)試

為了驗(yàn)證上述無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)與通信過程，搭建了一個(gè)原型系統(tǒng)。如圖7所示，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)包括1個(gè)GCS（節(jié)點(diǎn)D）和3個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)A、B、C）組成。其中，GCS是1臺(tái)運(yùn)行地面控制程序的便攜機(jī)，它可以通過電信公司的4G網(wǎng)絡(luò)與具有4G LTE通信功能無人機(jī)節(jié)點(diǎn)或通過WiFi系統(tǒng)進(jìn)行空地之間通信。無人機(jī)節(jié)點(diǎn)之間采用基于OLSR的Ad Hoc模式通信。

（1）原型系統(tǒng)配置

圖7 無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)組成

由于嵌入式網(wǎng)絡(luò)板具有Openwrt（一種嵌入式Linux發(fā)行版），便于用戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)板配置過程可以包括編譯openwrt系統(tǒng)、將系統(tǒng)刷入網(wǎng)絡(luò)板、在圖形界面設(shè)置網(wǎng)絡(luò)板參數(shù)和配置OLSR等四步。某些關(guān)鍵的步驟包括：1）在編譯OpenWrt時(shí)加入Ad Hoc路由選擇協(xié)議OLSR的相關(guān)包；2）將編譯好的刷入網(wǎng)絡(luò)板；3）為每個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)設(shè)置IP地址，要求各WLAN地址設(shè)置在同一網(wǎng)段，LAN的地址與WLAN不在同一網(wǎng)段；所有節(jié)點(diǎn)的Mode、Channel、Width以及Transmit Power和ESSID保持一致，Mode選擇Ad Hoc；4）OLSR組網(wǎng)：Interface的Network選擇WLAN，HNA選擇LAN口的網(wǎng)段，比如192.168.2.0。

節(jié)點(diǎn)A、B、C和D所配置的地址參數(shù)如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)IP地址設(shè)置

配置成功后，通過查看OLSR viz能夠出現(xiàn)如圖8所示無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。其中，節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)了原型系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)板，節(jié)點(diǎn)間連線代表兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)板間的無線鏈路，連線上的數(shù)字表示了該鏈路的開銷。

圖8 基于OLSR的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)原型路由

（2）無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試

如圖7所示的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)中，需要測(cè)試這些節(jié)點(diǎn)之間的通信質(zhì)量。

作為GCS的節(jié)點(diǎn)D通過電信公司的4G信道與節(jié)點(diǎn)A相連。為此，節(jié)點(diǎn)D通過4G芯片將信號(hào)發(fā)送給電信公司的4G基站，再進(jìn)入因特網(wǎng)中的FRP服務(wù)器（該服務(wù)器運(yùn)行在阿里云服務(wù)器上），借助于FRP服務(wù)器的內(nèi)網(wǎng)穿透功能，再與無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)A通信。在節(jié)點(diǎn)D與節(jié)點(diǎn)A之間分別運(yùn)行Iperf程序。如圖9所示，為基于4G網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)D與節(jié)點(diǎn)A之間測(cè)量到的TCP通信帶寬。

圖9 節(jié)點(diǎn)D與節(jié)點(diǎn)A之間的4G通信帶寬

節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B、C利用OLSR路由協(xié)議建立了Ad Hoc模式的WiFi網(wǎng)絡(luò)。為了測(cè)量這幾個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的帶寬，在節(jié)點(diǎn)D通過Putty軟件SSH遠(yuǎn)程登錄A節(jié)點(diǎn)上，以Server模式啟動(dòng)Iperf程序，端口為5001。登錄節(jié)點(diǎn)C，以Client模式啟動(dòng)Iperf程序，測(cè)量節(jié)點(diǎn)A與C之間的TCP帶寬如圖10所示。其中A與C之間的距離為3m，帶寬最大值為39.6Mbps，帶寬最小值為28.1Mbps。

圖10 單跳通信(AC間隔3m)

節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)C之間的距離增大為30m，測(cè)量節(jié)點(diǎn)A與C之間的TCP帶寬如圖11所示。其中，A與C之間的距離為30m，帶寬最大值為18.3Mbps，帶寬最小值為9.23Mbps。

最后，還進(jìn)行了多跳通信的試驗(yàn)。讓節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B間隔30m,節(jié)點(diǎn)B與節(jié)點(diǎn)C間隔30m。以節(jié)點(diǎn)A作為Iperf的Server端，節(jié)點(diǎn)C作為Iperf的Client端，實(shí)際測(cè)試結(jié)果如圖12所示。其中帶寬最大值為1.39Mbps，帶寬最小值為0.653Mbps。

圖11 單跳通信(AC間隔30m)

圖12 多跳通信(AB間隔30m,BC間隔30m)

6 結(jié)束語

無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)需要采用多種先進(jìn)的通信方式，才能支撐帶寬、短時(shí)延的無人機(jī)蜂群應(yīng)用。本文給出了一種無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)，將無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為基于4G技術(shù)的地空網(wǎng)絡(luò)和基于Ad Hoc的寬帶空空網(wǎng)絡(luò)兩部分。為了支持復(fù)雜的系統(tǒng)功能，提出了一種支持蜂群應(yīng)用的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)自底向上具有飛行層、智能層和應(yīng)用層三個(gè)層次。本文實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果，表明了該無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和組織結(jié)構(gòu)的可行性和有效性，下一步將優(yōu)化無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)環(huán)境下的通信性能。