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特刊文章 机械工程的进展
无人机-无人水面艇编队 机械工程进展
协同通信框架设计 2018,Vol.10(5)19
copy;The Author(s) 2018
DOI:10.1177/1687814018773668
马勇，赵玉娇，齐鑫，郑元洲，甘阮泽
摘要：
随着无人机、无人水面艇等无人驾驶技术的发展，无人水面艇在海洋管理和巡航活动中发挥着举足轻重的作用。同时，大量的证据表明，单一的无人驾驶交通工具不具备在复杂环境下作业的能力，而无人机-无人水面艇编队由多个无人机和无人水面艇组成，可以显著提高无人驾驶交通工具的性能。然而，无人机-无人水面艇编队的协同作战性能受到其通信能力的制约。为此，设计了一种无人飞行器-无人水面艇编队协同通信框架。为实现无人飞行器-无人水面艇编队的有效通信，构建了一个分布式动态网络拓扑。利用已建成的无人机-无人水面艇编队平台进行了试验研究。结果验证了所设计的协同通信框架在无人机-无人水面艇编队中的优越性。
关键词：
无人水面艇，无人机、编队、协同通信框架
接收时间：2018年1月4日；被接受时间：2018年4月5日
经办人:李志雄
引言：
在过去的二十年里，随着人工智能技术的快速发展，船舶工业和其他领域的无人驾驶飞机，包括无人机(UAVs)和无人水面艇(USVs)，在水监测、海洋科学研究和海上巡航等诸多领域发挥着越来越重要的作用。USVs是灵活的，以其长时间的耐力而闻名。此外，USVs还可以为UAVs提供高速、宽视角、高效工作的充值服务，满足无人机执行空中任务的要求。USVs和UAVs执行的任务类型变得更加复杂，单架无人机受到操作水平的限制，无法胜任复杂操作环境下的任务。因此，USVs-UAVs的协同编队受到大量研究人员和从业人员的高度重视。
UAV - USV编队具有单架UAV和单架USV所具有的灵活性和机动性，并且能够在系统内部进行信息交互和协作。不可否认，UAV-USV编队通过合作将有效提升其安全水平，显著提高其工作效率。对于UAV-USV编队而言，如何设计其内部通信系统是其最重要的方面之一。通过采用协同通信系统，可以有效地保证系统的稳健性和UAV、USV等各通信单元的工作效率。
在此基础上，本文旨在建立UAV- USV编队协同通信框架，提高其安全性，实现有效通信。在通信框架中，每个通信节点，包括UAVs和USVs，都可以流畅地共享数据，其他通信节点可以快速地加入到自己的通信网络中。然后，命令这些节点利用通信链路在编队中发送动态指令。
因此，有必要设计一个科学合理的UAVs- USVs编队协同通信框架。如前所述，ad hoc是一种多跳、非中心、自组织的无线网络，也被称为多跳网络、无基础设施网络或自组织网络。在ad hoc网络中，不需要固定的基础设施，网络中的每个节点都是可移动的，可以实时与其他节点进行通信。利用ad hoc网络可以保证UAVs- USV编队在移动过程中的通信需求。Ad hoc网络广泛应用于地面和UAV网络中。同时，USVs和UAVs具有快速、高效、灵活的特点，它们的合作将克服单一USV或UAV的缺点。因此，通过使用ad hoc网络，UAV-USV编队可以在不需要基础设施的情况下实现多种网络模式，并被用于许多领域，包括边界监测、交通监测和灾害监测。
本文的重点如下: (1)利用ad hoc网络设计了UAV-USV编队协同通信框架; (2)阐述了其网络结构和通信设计; (3)搭建了UAV-USV编队平台，实验验证了所设计的协同通信框架方案的有效性。
1、武汉理工大学航海学院，中国武汉。
2、内河航运技术湖北省重点实验室，中国武汉。
3、武汉理工大学计算机科学与技术学院，中国武汉。
4、电子，电气和系统工程，伯明翰大学，伯明翰，英国。
5、华中科技大学电气与电子工程学院，中国武汉。
作者通讯：
郑元洲，武汉理工大学航海学院，中国武汉430063。
电子邮箱：zhengyuanzhou0909@163.com
UAV- USV编队协同通信网络的设计要求
协同网络通信的需求分析
图1展示了UAV-USV编队协同平台的结构。协同平台主要由地面控制中心、UAVs和USVs构成。
地面控制中心的功能是数据处理、应急指挥和对UAV-USV编队协同系统的实时监控。地面控制中心可以对数据进行采集和处理，向USVs和UAVs发出紧急指令，并实时监控USVs和UAVs的状态。USVs的能力包括感知海洋环境、数据共享和无人机供应平台。利用USVs对海洋环境进行动态探测，实现USVs之间的数据共享，实现UAVs在USV平台上的充电。不可否认，在USVs的帮助下，UAVs可以实现远程巡航。UAVs主要用于实现空中环境感知、数据处理和远程巡航。所有的节点，包括地面控制中心、UAVs和USVs都是无区别的、独立的，其他节点发送的信息可以被任何其他节点顺利接收。
图2展示了UAV-USV编队的示意图。该编队由3架USV和1架UAV组成，在风浪环境下协同执行任务。一般情况下，当事故发生时，USVs和UAV会尽快到达现场，然后使用携带的救生设备没有遗漏的进行搜救活动。参照UAV-USV编队的核心通信内容，可以是以下任何一种:
1、地面控制中心向UAVs和USVs发送控制信号;
2、从UAVs和USVs收集信息，包括环境的视频和图片，到地面控制中心;
3、UAV系统或USV系统内传输的位置数据。
UAV- USV编队通信链路
的特点如下：
图1所示,UAV-USV合作编队平台的结构。
图2，UAV-USV编队示意图。
1、由于UAVs和USVs良好机动性，网络的拓扑正在迅速改变;
2、由于通信距离的限制，需要多跳通信;
3、如果网络拓扑结构发生变化，路由成本应该较低;
4、由于UAVs和USVs收集的信息过多，它们的节点更容易出现拥塞;
5、显著的时间效率;
6、设备受电源阻碍;
7、为了提高链路生存时间，需要考虑UAVs和USVs的通信负载均衡。
在地面控制中心和无人机、越野车的网关之间，通信链路是大数据、固定链路及其路由协议可以提供足够的带宽来支持信息传输，如图像、视频、语音和控制命令。
因此，当涉及到UAV-USV编队合作通信框架的要求时，应满足以下标准:
1、UAV网络与USV网络之间的通信链路应具有较小的路由时延和较低的网络负载。
2、UAVs和USVs的集群网络能够抵抗强破坏。
3、为了延长UAVs和USVs的续航距离，通信节点之间数据传输的电量成本应该尽可能的低。
4、UAV和USV的门与地面控制中心之间的通信链路应具有链路带宽大、无线信号稳定、误码率小、路由时延小的特点。
UAV-USV编队的路由协议
参照UAV-USV编队中使用的ad hoc网络，它是由UAV和USV在没有中心站的情况下形成的动态多自组织网。ad hoc网络的网络结构是一个多节点的点对点网络。每个节点都可以根据需求访问或退出当前网络。与传统网络相比，它具有自组织和多跳通信的特点。ad hoc网络中的每个节点都可以接收和转发信息，任意两个节点都可以形成一对源目标节点。网络中的节点，包括UAVs和USVs，都配备了无线发射器和接收器。同时，节点间的数据通信通常需要其他节点通过多跳传输进行辅助。因此，在UAV-USV编队通信网络的设计过程中，路由协议是必不可少的。
传统上，通信网络的路由器通常是静态的，在通信过程中很少加入或离开网络。显然，由于拓扑结构的动态变化，一般的路由协议不能满足移动自组网的要求。因此，如图3所示，针对特定移动无线自组网应用环境的上述特点，设计了许多具有或不具备位置信息的路由协议。无位置信息路由协议包括平面路由协议和层次路由协议两大类。移动自组网使用的路由协议的详细信息如图3所示。
图3，移动自组网路由协议的主要类型。
从图3可以看出，平面路由中有两种协议。一个是表驱动器路由协议，包括优化的链路状态路由(OLSR)，目标序列距离向量(DSDV)，和鱼眼状态路(FSR)，另一个是按需路由协议，包括ad hoc按需距离向量(AODV)、动态源路由(DSR)和时间顺序路由算法(TORA)。层次路由的代表协议有区域路由协议(ZRP)、路标特别路由 (LANMAR)和集群网关交换路由协议(CGSR)。不可否认，对于单个UAV或USV，上述协议可以满足ad hoc网络的要求。
然而，针对时变环境下的UAV-USV编队，由于其灵活性和拓扑结构的动态变化，只有具有位置信息协议的路由适合于UAV-USV编队。一般情况下，带有位置信息的路由主要包含GPSR路由算法，相对距离细微发现自组织路由(RDMAR)，并利用节点的位置信息，优化自组织网的路由性能。利用位置信息可以有效地限制路由发现的泛滥，从而在本质上减少拓扑控制消息的数量。
通信网络设计
网络体系结构
随着UAV-USV编队装载装备的先进程度和任务难度的不同，编队形式可以多种多样，主要包括一架UAV和几架USVs、多架UAVs和一架USV或由多架UAVs和多架USVs组成的编队。为此，我们设计的协同通信方案将适用于上述三种类型的编队。然后，利用层次拓扑网络，设计了UAV-USA编队协同通信方案，其网络架构如图4所示，其中m和n分别表示UAVs和USVs的数量。
图4，UAV-USV编队协同通信框架示意图。
谈及到的通信设备，是对于UAVs与USVs群之间的通信，具有实现远距离通信和有效抗干扰的能力。因此，通信设备的成本会很高。然而，用于各个群体之间通信的设备，如UAVs、USVs等，并不一定满足上述要求。而相应的通信设备的成本也会很低。因此，如图4所示，在UAV组和USV组中分别构建了两个ad hoc网络。然后，为了完成UAVs组与USVs组之间的通信，通过网关节点将上述两个ad hoc网络连接起来。结果表明，所设计的通信方案满足了三种典型UAV-USV编队的通信目标。此外，通过采用我们的协作通信方案，可以大大降低通信设备的成本。与传统网络需要为节点配备固定设备相比，我们的UAV-USV
编队方案采用的是一个多节点点对点网络的无线自组织网，每个节点可以在没有固定通信设备的情况下动态地加入或离开当前网络，从而使连续的UAVs和USVs可以根据任务需求方便地访问无UAV-USV编队。在我们UAV-USV编队的通信节点上，这里还有UAVs、USVs和地面控制中心的节点。以上节点通信范围不同，各节点应配备合理的设备，通信范围不同。每个节点分配一个全球惟一的ID号码,以避免错误接收数据包。此外，为了防止重复接收数据包，每个数据包都使用由多个UAVs和USVs组成的循环链路进行编号。每个节点具有相同的通信带宽，可以流畅地传输视频等环境信息。
图5,UAV-USV编队协同通信网络示意图。
图5为UAV-USV编队协同通信网络示意图。对UAVs和USVs，它们的通信距离相对较短，因此选择KYL-320H数字无线电作为它们潜在的通信设备。然而，UAVs和USVs、UAVs与地面控制中心之间、USVs与地面控制中心之间的通信距离都很长。因此，我们选择P400-840-OEM的数字收音机，它具有更好的性能和更高的通信网络成本。因此，利用上述通信设备的组态方案，可以有效、经济地实现UAV-USV编队的通信网络。
通过LCM进行网络通信
为了保证信息的可靠性，减少信息传输、数据采集和通信过程中的时延, 我们的合作通信方案采用了基于发布/订阅模式的轻量级通信和编组(LCM)模块。利用LCM技术，可以实现实时的信息传输。
LCM是一个用于开发具有良好实时性能的消息传递系统的开发工具包，采用模块化方法设计。LCM的不同模块可以在相同的平台或不同的硬件平台上运行，而不会相互影响。LCM的主要目标是简化具有低延迟的消息传递系统的开发，特别是对于实时机器人系统，如UAV-USV编队。
LCM可以分为几个模块，包括类型定义模块、数据合并模块、通信模块和工具模块。类型定义规范提供了定义复合数据类型的方法和语法。通过使用复合数据类型，可以对LCM中的数据进行相应的定义和命名。数据合并模块是指将消息封装到数据包中的过程。通信模块由基于发布或订阅模式的消息传输系统设计。
图6，LCM的通信流程图。
图6给出了LCM的通信流程图。首先，在UA
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