本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)最優(yōu)信息交互拓?fù)渖煞椒把b置。

背景技術(shù)：

在起飛巡航階段，所有無人機(jī)(uav)通常通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信鏈接(communicationlinks)進(jìn)行信息交互，以形成一定的編隊(duì)隊(duì)形(formationshape或者formationgeometry)，并保持此編隊(duì)隊(duì)形繼續(xù)朝目標(biāo)區(qū)域飛行。其中所使用的通信鏈接被稱為多uav協(xié)同編隊(duì)的信息交互拓?fù)?informationexchangetopology)、通信拓?fù)?communicationtopology)、連接拓?fù)?connectiontopology)、信息結(jié)構(gòu)(informationstructure)或者信息拓?fù)?informationtopology)，它們只是uav之間所有可用的通信鏈接集合中的一部分。為了統(tǒng)一表述，下文采用“信息交互拓?fù)洹边@一名稱。同時(shí)，將uav之間所有可用的通信鏈接的集合稱為多uav協(xié)同編隊(duì)的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?communicationnetworktopology)。

由于信息交互拓?fù)渲腥魏蝺晌恢胾av之間的通信距離不同，導(dǎo)致信息交互拓?fù)渲胁煌瑄av之間通信鏈接具有不同的通信代價(jià)并會(huì)消耗uav相應(yīng)的電池電量或燃料。實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)uav之間通信鏈接的通信代價(jià)受到很多因素影響，例如，任務(wù)要求、通信距離、飛行性能、安全性等。為簡化說明，上述通信代價(jià)直接采用通信距離來表示。

同時(shí)，每架uav可用的電池電量或燃料又是有限的。因此，如何通過優(yōu)化多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)信息交互拓?fù)?，降低uav的電池的電量或燃料的消耗成為了亟需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供了一種多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)最優(yōu)信息交互拓?fù)渖煞椒把b置，用于在每個(gè)無人機(jī)都可以作為編隊(duì)領(lǐng)航者且未發(fā)生故障時(shí)使得三維持久編隊(duì)保持編隊(duì)隊(duì)形飛行的過程中編隊(duì)通信代價(jià)最小。

第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)最優(yōu)信息交互拓?fù)渖煞椒?，所述方法包括?/p>

根據(jù)無人機(jī)需要組成的三維持久編隊(duì)的編隊(duì)隊(duì)形獲取通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼捌鋵?duì)應(yīng)的賦權(quán)無向圖；

根據(jù)三維最優(yōu)剛性圖生成算法計(jì)算所述賦權(quán)無向圖的三維最優(yōu)剛性圖；

根據(jù)所述三維最優(yōu)剛性圖和三維最優(yōu)持久圖生成算法獲取三維最優(yōu)持久圖，所述三維最優(yōu)持久圖即為該編隊(duì)的最優(yōu)信息交互拓?fù)洹?/p>

可選地，所述三維最優(yōu)持久圖生成算法包括：

將所述三維最優(yōu)剛性圖轉(zhuǎn)換成第一有向圖；

在所述第一有向圖中增加虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)得到第二有向圖；所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)與所述第一有向圖中每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置有三條出弧，并且所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)的每條出弧的權(quán)值相同并大于所述第一有向圖中全部弧的權(quán)值之和；

獲取所述第二有向圖的第一最小樹形圖，并刪除所述第一最小樹形圖中所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的出弧得到第三有向圖t1；

刪除所述第二有向圖中對(duì)應(yīng)所述第一最小樹形圖中所有弧及其對(duì)應(yīng)的反向弧得到第四有向圖；

獲取所述第四有向圖的第二最小樹形圖，并刪除所述第二最小樹形圖中所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的出弧得到第五有向圖t2；

刪除所述第四有向圖中對(duì)應(yīng)所述第二最小樹形圖中所有弧及其對(duì)應(yīng)的反向弧得到第六有向圖；

獲取所述第六有向圖的第三最小樹形圖，并刪除所述第三最小樹形圖中所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的出弧得到第七有向圖t3；

合并所述第三有向圖、所述第五有向圖和所述第七有向圖得到第八有向圖t以及所述第八有向圖t中弧的數(shù)量m；

當(dāng)所述三維最優(yōu)剛性圖r的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為n且m滿足m＝3n-6時(shí)，則所述第八有向圖t為三維最優(yōu)持久圖。

可選地，所述三維最優(yōu)持久圖生成算法還包括：

當(dāng)所述三維最優(yōu)剛性圖的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為n且m滿足m<(3n-6)時(shí)，獲取所述三維最優(yōu)剛性圖中的第l條邊對(duì)應(yīng)的兩條弧，符號(hào)l的初始值為1；

若該兩條弧都不在所述第八有向圖中，獲取第l條邊對(duì)應(yīng)兩節(jié)點(diǎn)的入度；

當(dāng)?shù)趌條邊對(duì)應(yīng)的兩節(jié)點(diǎn)的入度不都等于3時(shí)，將該兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中入度小于3的節(jié)點(diǎn)的連接另外那個(gè)節(jié)點(diǎn)的入弧添加到所述第八有向圖中得到第九有向圖；

若所述第九有向圖中弧的數(shù)量m等于(3n-6)時(shí)，則所述第九有向圖為三維最優(yōu)持久圖；否則將所述第八有向圖中的數(shù)據(jù)更新為所述第九有向圖中的數(shù)據(jù)。

可選地，所述三維最優(yōu)持久圖生成算法還包括：

當(dāng)?shù)趌條邊對(duì)應(yīng)的兩節(jié)點(diǎn)的入度都等于3時(shí)，將該第l條邊對(duì)應(yīng)的一條弧添加到第八有向圖中得到第九有向圖；該弧為第l條邊所對(duì)應(yīng)第一節(jié)點(diǎn)的入?。?/p>

按照先入度2再入度1最后入度0的方式在所述第九有向圖中尋找入度小于3的一個(gè)第二節(jié)點(diǎn)，并獲取所述第二節(jié)點(diǎn)與所述第一節(jié)點(diǎn)之間具有最少跳數(shù)的路徑；

將所述最少跳數(shù)的路徑對(duì)應(yīng)的所有弧反向得到第十有向圖；

若所述第十有向圖中弧的數(shù)量m等于(3n-6)時(shí)，則所述第十有向圖為三維最優(yōu)持久圖；否則將所述第八有向圖中的數(shù)據(jù)更新為所述第十有向圖中的數(shù)據(jù)。

可選地，所述三維最優(yōu)持久圖生成算法還包括：

將所述符號(hào)l的值增加1，若符號(hào)l小于等于(3n-6)時(shí)，則繼續(xù)判斷第l條邊對(duì)應(yīng)的兩條弧是否都不在所述第八有向圖t中。

第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)最優(yōu)信息交互拓?fù)渖裳b置，其特征在于，所述裝置包括：

賦權(quán)無向圖獲取模塊，用于根據(jù)無人機(jī)需要組成的三維持久編隊(duì)的編隊(duì)隊(duì)形獲取通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼捌鋵?duì)應(yīng)的賦權(quán)無向圖；

三維最優(yōu)剛性圖計(jì)算模塊，用于根據(jù)三維最優(yōu)剛性圖生成算法計(jì)算所述賦權(quán)無向圖的三維最優(yōu)剛性圖；

最優(yōu)信息交互拓?fù)浍@取模塊，用于根據(jù)所述三維最優(yōu)剛性圖和三維最優(yōu)持久圖生成算法獲取三維最優(yōu)持久圖，所述三維最優(yōu)持久圖即為該編隊(duì)的最優(yōu)信息交互拓?fù)洹?/p>

可選地，所述最優(yōu)信息交互拓?fù)浍@取模塊利用三維最優(yōu)持久圖生成算法獲取三維最優(yōu)持久圖的步驟包括：

將所述三維最優(yōu)剛性圖轉(zhuǎn)換成第一有向圖；

在所述第一有向圖中增加虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)得到第二有向圖；所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)與所述第一有向圖中每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置有三條出弧，并且所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)的每條出弧的權(quán)值相同并大于所述第一有向圖中全部弧的權(quán)值之和；

獲取所述第二有向圖的第一最小樹形圖，并刪除所述第一最小樹形圖中所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的出弧得到第三有向圖；

刪除所述第二有向圖中對(duì)應(yīng)所述第一最小樹形圖中所有弧及其對(duì)應(yīng)的反向弧得到第四有向圖；

獲取所述第四有向圖的第二最小樹形圖，并刪除所述第二最小樹形圖中所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的出弧得到第五有向圖；

刪除所述第四有向圖中對(duì)應(yīng)所述第二最小樹形圖中所有弧及其對(duì)應(yīng)的反向弧得到第六有向圖；

獲取所述第六有向圖的第三最小樹形圖，并刪除所述第三最小樹形圖中所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的出弧得到第七有向圖t3；

合并所述第三有向圖t1、所述第五有向圖t2和所述第七有向圖t3得到第八有向圖t以及所述第八有向圖t中弧的數(shù)量m；

當(dāng)所述三維最優(yōu)剛性圖r的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為n且m滿足m＝3n-6時(shí)，則所述第八有向圖t為三維最優(yōu)持久圖。

可選地，所述最優(yōu)信息交互拓?fù)浍@取模塊利用三維最優(yōu)持久圖生成算法獲取三維最優(yōu)持久圖的步驟還包括：

當(dāng)所述三維最優(yōu)剛性圖的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為n且m滿足m<(3n-6)時(shí)，獲取所述三維最優(yōu)剛性圖中的第l條邊對(duì)應(yīng)的兩條弧，符號(hào)l的初始值為1；

若該兩條弧都不在所述第八有向圖中，獲取第l條邊對(duì)應(yīng)兩節(jié)點(diǎn)的入度；

當(dāng)?shù)趌條邊對(duì)應(yīng)的兩節(jié)點(diǎn)的入度不都等于3時(shí)，將該兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中入度小于3的節(jié)點(diǎn)的連接另外那個(gè)節(jié)點(diǎn)的入弧添加到所述第八有向圖中得到第九有向圖；

若所述第九有向圖中弧的數(shù)量m等于(3n-6)時(shí)，則所述第九有向圖為三維最優(yōu)持久圖；否則將所述第八有向圖中的數(shù)據(jù)更新為所述第九有向圖中的數(shù)據(jù)。

可選地，所述最優(yōu)信息交互拓?fù)浍@取模塊利用三維最優(yōu)持久圖生成算法獲取三維最優(yōu)持久圖的步驟還包括：

當(dāng)?shù)趌條邊對(duì)應(yīng)的兩節(jié)點(diǎn)的入度都等于3時(shí)，將該第l條邊對(duì)應(yīng)的一條弧添加到第八有向圖中得到第九有向圖；該弧為第l條邊所對(duì)應(yīng)第一節(jié)點(diǎn)的入??；

按照先入度2再入度1最后入度0的方式在所述第九有向圖中尋找入度小于3的一個(gè)第二節(jié)點(diǎn)，并獲取所述第二節(jié)點(diǎn)與所述第一節(jié)點(diǎn)之間具有最少跳數(shù)的路徑；

將所述最少跳數(shù)的路徑對(duì)應(yīng)的所有弧反向得到第十有向圖；

若所述第十有向圖中弧的數(shù)量m等于(3n-6)時(shí)，則所述第十有向圖為三維最優(yōu)持久圖；否則將所述第八有向圖中的數(shù)據(jù)更新為所述第十有向圖中的數(shù)據(jù)。

可選地，所述最優(yōu)信息交互拓?fù)浍@取模塊利用三維最優(yōu)持久圖生成算法獲取三維最優(yōu)持久圖的步驟還包括：

將所述符號(hào)l的值增加1，若符號(hào)l小于等于(3n-6)時(shí)，則繼續(xù)判斷第l條邊對(duì)應(yīng)的兩條弧是否都不在所述第八有向圖t中。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明根據(jù)無人機(jī)需要組成的三維持久編隊(duì)的編隊(duì)隊(duì)形獲取通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼捌鋵?duì)應(yīng)的賦權(quán)無向圖；然后根據(jù)三維最優(yōu)剛性圖生成算法計(jì)算上述賦權(quán)無向圖的三維最優(yōu)剛性圖；最后根據(jù)所述三維最優(yōu)剛性圖和三維最優(yōu)持久圖生成算法獲取三維最優(yōu)持久圖，所述三維最優(yōu)持久圖即為該編隊(duì)的最優(yōu)信息交互拓?fù)?。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明可以在無人機(jī)未發(fā)生故障且需要組成三維持久編隊(duì)時(shí)，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)計(jì)算出三維最優(yōu)持久圖作為三維持久編隊(duì)的最優(yōu)信息交互拓?fù)?，可以使三維持久編隊(duì)保持隊(duì)形安全飛行的過程中編隊(duì)通信代價(jià)最小。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)最優(yōu)信息交互拓?fù)渖煞椒ǖ牧鞒淌疽鈭D；

圖2(a)～(b)是本發(fā)明實(shí)施例中5架uav組成的三維持久編隊(duì)的三維空間隊(duì)形以及相對(duì)位置示意圖；

圖3(a)～(e)是采用圖1方法獲取圖2中5架uav組成的三維持久編隊(duì)的最優(yōu)信息交互拓?fù)涞倪^程示意圖；

圖4是現(xiàn)有技術(shù)獲取的圖2中5架uav組成的三維持久編隊(duì)的最優(yōu)信息交互拓?fù)涫疽鈭D；

圖5(a)～(b)是本發(fā)明實(shí)施例中16架uav組成的三維持久編隊(duì)的三維空間隊(duì)形以及相對(duì)位置示意圖；

圖6(a)～(e)是采用圖1方法獲取圖5中16架uav組成的三維持久編隊(duì)的最優(yōu)信息交互拓?fù)涞倪^程示意圖；

圖7是現(xiàn)有技術(shù)獲取的圖5中16架uav組成的三維持久編隊(duì)的最優(yōu)信息交互拓?fù)涫疽鈭D；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)最優(yōu)信息交互拓?fù)渖裳b置框圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)最優(yōu)信息交互拓?fù)渖煞椒ǖ牧鞒淌疽鈭D。需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例中多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)中每個(gè)無人機(jī)都可以作為編隊(duì)領(lǐng)航者，且是在全部無人機(jī)未發(fā)生故障的情景下使用的。如圖1所示，該方法包括：

s1、根據(jù)無人機(jī)需要組成的三維持久編隊(duì)的編隊(duì)隊(duì)形獲取通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼捌鋵?duì)應(yīng)的賦權(quán)無向圖。

實(shí)際應(yīng)用中，本發(fā)明實(shí)施例根據(jù)所述預(yù)設(shè)編隊(duì)的隊(duì)形和無人機(jī)的通信范圍，確定編隊(duì)中無人機(jī)之間的可用通信鏈接，以無人機(jī)作為節(jié)點(diǎn)，以可用通信鏈接作為弧，構(gòu)建編隊(duì)的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｆ渲?，任意兩個(gè)無人機(jī)之間的距離在無人機(jī)的通信范圍之內(nèi)，則該兩無人機(jī)之間具有雙向的通信鏈接，每個(gè)通信鏈接的通信代價(jià)由相應(yīng)的通信距離決定。

假設(shè)n個(gè)uav通過uav之間的單向通信以形成并保持一個(gè)三維的編隊(duì)隊(duì)形s。該編隊(duì)隊(duì)形s中n個(gè)位置分別編號(hào)為{1,2,…,n}，每個(gè)位置的高度不同。此編隊(duì)的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇捎靡粋€(gè)賦權(quán)有向圖d＝(v,a,w,p)來表示：

(1)v＝{vi},1≤i≤n是圖中的節(jié)點(diǎn)集合，其中vi表示uavi。

(2)是圖中的弧集合，其中弧aij＝(vi,vj)表示從uavi到uavj有一個(gè)可用的通信鏈接，使得uavi能發(fā)送信息給uavj。

(3)w＝{w(aij)},aij∈a是圖中所有弧的權(quán)值集合，其中w(aij)表示從uavi到uavj的通信鏈接aij的代價(jià)。

(4)p＝{pi},1≤i≤n是每個(gè)uav在編隊(duì)隊(duì)形s的具體位置集合，簡稱為uav位置配置(uavpositionconfiguration)。其中將編隊(duì)隊(duì)形s中的n個(gè)位置分別編號(hào)為{1,2,...,n}，則1≤pi≤n表示uavi在編隊(duì)隊(duì)形s中的具體位置。

為了保持編隊(duì)隊(duì)形，uav之間需要使用相應(yīng)的單向通信鏈接進(jìn)行信息交互以保持它們之間的距離恒定，但不一定需要使用所有的雙向通信鏈接，即編隊(duì)用于保持隊(duì)形的信息交互拓?fù)鋞＝(v,a^*,w^*,p)只是通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋎＝(v,a,w,p)的一個(gè)子圖，其中表示uavi需要發(fā)送自身信息給uavj使得uavj可以根據(jù)接收到的信息調(diào)整自身參數(shù)以保持與uavi的距離恒定，即uavj具有一個(gè)與uavi的距離約束。信息交互拓?fù)鋞中，節(jié)點(diǎn)vi的入度表示uavi需要從多少個(gè)其它uav接收信息，即具有的與其它uav的距離約束的數(shù)量，記為d^-(i)；節(jié)點(diǎn)vi的出度表示uavi需要給多少個(gè)其它uav發(fā)送信息，記為d⁺(i)。

s2、根據(jù)三維最優(yōu)剛性圖生成算法計(jì)算所述賦權(quán)無向圖的三維最優(yōu)剛性圖。

下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例用到的幾個(gè)概念進(jìn)行解釋說明。

三維剛性圖是指：令pi(t)∈r³代表uavi在t時(shí)刻的位置，假設(shè)編隊(duì)中部分uav之間通過雙向通信以保持它們之間的距離恒定。如果編隊(duì)運(yùn)動(dòng)過程中任意兩個(gè)uav在任意時(shí)刻都能夠保持恒定的距離，即和都滿足||pi(t)-pj(t)||＝dij(其中的dij為常量，表示uavi和uavj之間需要保持的距離)，則此編隊(duì)的信息交互拓?fù)鋞＝(v,e^*,w^*,p)為三維剛性圖，反之則為三維可變形圖。

需要說明的是，具有相同節(jié)點(diǎn)的三維剛性圖可能不是唯一的。

三維最小剛性圖是指：如果一個(gè)三維剛性圖任意刪除一條邊都不能夠維持其剛性，則稱此三維剛性圖為三維最小剛性圖?；蛘?，節(jié)點(diǎn)數(shù)為n，邊數(shù)為3n-6的三維剛性圖為三維最小剛性圖。需要說明的是，具有相同節(jié)點(diǎn)的三維最小剛性圖也可能不唯一。

三維最優(yōu)剛性圖是指：如果一個(gè)三維最小剛性圖的各邊權(quán)值之和是具有相同節(jié)點(diǎn)的所有三維剛性圖中最小的，則此三維最小剛性圖為三維最優(yōu)剛性圖(three-dimensionaloptimalrigidgraph,3dorg)。

本發(fā)明實(shí)施例中采用現(xiàn)有的基于三維剛度矩陣的三維最優(yōu)剛性圖生成算法獲取三維最優(yōu)剛性圖，此算法運(yùn)行在編隊(duì)中每個(gè)uav中。以u(píng)avi為例，此算法的步驟如表1所示。

表1

需要說明的是，表1所示三維最優(yōu)剛性圖生成算法的時(shí)間復(fù)雜度主要由step4決定。而step4最多需要計(jì)算|e|次，并且第i次計(jì)算矩陣m的秩的時(shí)間復(fù)雜度為其中mi為第i次計(jì)算時(shí)m的行數(shù)。由于表1所示三維最優(yōu)剛性圖生成算法運(yùn)行時(shí)，最好的情況是每次加入mc的新行都能滿足step6中的要求。此時(shí)表1中step4只需要計(jì)算n＝3×|v|-6次，而第i次計(jì)算時(shí)m的行數(shù)mi＝i，因此表1所示三維最優(yōu)剛性圖生成算法的時(shí)間復(fù)雜度至少為：

s3、根據(jù)所述三維最優(yōu)剛性圖和三維最優(yōu)持久圖生成算法獲取三維最優(yōu)持久圖，所述三維最優(yōu)持久圖即為該編隊(duì)的最優(yōu)信息交互拓?fù)洹?/p>

在三維空間中，如果一個(gè)有向圖的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的入度都小于等于3，并且其對(duì)應(yīng)的無向圖為三維最優(yōu)剛性圖，則此有向圖為三維最優(yōu)持久圖(three-dimensionaloptimalpersistentgraph,3dopg)。

本發(fā)明實(shí)施例中利用三維最優(yōu)剛性圖和三維最優(yōu)持久圖生成算法獲取三維最優(yōu)持久圖的具體步驟包括：

s31、將所述三維最優(yōu)剛性圖轉(zhuǎn)換成第一有向圖；

s32、在所述第一有向圖中增加虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)得到第二有向圖；所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)與所述第一有向圖中每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置有三條出弧，并且所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)的每條出弧的權(quán)值相同并大于所述第一有向圖中全部弧的權(quán)值之和；

s33、獲取所述第二有向圖的第一最小樹形圖，并刪除所述第一最小樹形圖中所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的出弧得到第三有向圖；

s34、刪除所述第二有向圖中對(duì)應(yīng)所述第一最小樹形圖中所有弧及其對(duì)應(yīng)的反向弧得到第四有向圖；

s35、獲取所述第四有向圖的第二最小樹形圖，并刪除所述第二最小樹形圖中所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的出弧得到第五有向圖；

s36、刪除所述第四有向圖中對(duì)應(yīng)所述第二最小樹形圖中所有弧及其對(duì)應(yīng)的反向弧得到第六有向圖；

s37、獲取所述第六有向圖的第三最小樹形圖，并刪除所述第三最小樹形圖中所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的出弧得到第七有向圖；

s38、合并所述第三有向圖、所述第五有向圖和所述第七有向圖得到第八有向圖t以及所述第八有向圖t中弧的數(shù)量m；

s39、當(dāng)所述三維最優(yōu)剛性圖r的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為n且m滿足m＝3n-6時(shí)，則所述第八有向圖t為三維最優(yōu)持久圖。

本發(fā)明一實(shí)施例中，三維最優(yōu)持久圖生成算法還利用節(jié)點(diǎn)的入度獲取三維最優(yōu)持久圖的具體步驟還包括：

當(dāng)所述三維最優(yōu)剛性圖的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為n且m滿足m<(3n-6)時(shí)，獲取所述三維最優(yōu)剛性圖中的第l條邊對(duì)應(yīng)的兩條弧，符號(hào)l的初始值為1；

若該兩條弧都不在所述第八有向圖中，獲取第l條邊對(duì)應(yīng)兩節(jié)點(diǎn)的入度；

當(dāng)?shù)趌條邊對(duì)應(yīng)的兩節(jié)點(diǎn)的入度不都等于3時(shí)，將該兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中入度小于3的節(jié)點(diǎn)的連接另外那個(gè)節(jié)點(diǎn)的入弧添加到所述第八有向圖中得到第九有向圖；

若所述第九有向圖中弧的數(shù)量m等于(3n-6)時(shí)，則所述第九有向圖為三維最優(yōu)持久圖；否則將所述第八有向圖中的數(shù)據(jù)更新為所述第九有向圖中的數(shù)據(jù)。

本發(fā)明一實(shí)施例中，三維最優(yōu)持久圖生成算法還利用節(jié)點(diǎn)的入度獲取三維最優(yōu)持久圖的具體步驟還包括：

當(dāng)?shù)趌條邊對(duì)應(yīng)的兩節(jié)點(diǎn)的入度都等于3時(shí)，將該第l條邊對(duì)應(yīng)的一條弧添加到第八有向圖中得到第九有向圖；該弧為第l條邊所對(duì)應(yīng)第一節(jié)點(diǎn)的入弧；

按照先入度2再入度1最后入度0的方式在所述第九有向圖中尋找入度小于3的一個(gè)第二節(jié)點(diǎn)，并獲取所述第二節(jié)點(diǎn)與所述第一節(jié)點(diǎn)之間具有最少跳數(shù)的路徑；

將所述最少跳數(shù)的路徑對(duì)應(yīng)的所有弧反向得到第十有向圖；

若所述第十有向圖中弧的數(shù)量m等于(3n-6)時(shí)，則所述第十有向圖為三維最優(yōu)持久圖；否則將所述第八有向圖中的數(shù)據(jù)更新為所述第十有向圖中的數(shù)據(jù)。

基于上述說明，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于三維最優(yōu)剛性圖和最小樹形圖(three-dimensionaloptimalrigidgraphandminimumcostarborescence，3dorg_mca)的三維最優(yōu)持久圖生成算法，如表2所示。

表2

需要說明的是，本實(shí)施例中最小樹形圖(minimumcostarborescence，mca)指的是一個(gè)賦權(quán)有向圖的最小生成樹。求解mca問題的第一個(gè)算法是edmonds算法，其計(jì)算復(fù)雜度為o(|e|×|v|)，后來gabow等人又提出了一個(gè)針對(duì)edmonds算法的更快的實(shí)現(xiàn)，其計(jì)算復(fù)雜度為o(|e|+|v|×log|v|)。

可理解的是，表2中三維最優(yōu)持久圖生成算法主要由step3、step5和step7的時(shí)間復(fù)雜度決定。例如，本發(fā)明實(shí)施例中表2中step3、step5和step7采用了gabow等人提出的edmonds算法實(shí)現(xiàn)，從而得到該算法的時(shí)間復(fù)雜度約為o(3×(|a|+|v|×log|v|))。

由表2中step1可知|a|＝2×|e^*|，而由三維最優(yōu)剛性圖的特性可知三維最優(yōu)剛性圖r＝(v,e^*,w^*,p)的邊數(shù)|e^*|等于3×|v|-6，所以上述算法的時(shí)間復(fù)雜度又約為o(3×(6×|v|+|v|×log|v|))。

現(xiàn)有技術(shù)中最好的三維最優(yōu)持久圖生成算法需要計(jì)算矩陣的秩，因此其時(shí)間復(fù)雜度至少為o(|v|³)，與其相比較，本發(fā)明實(shí)施例中三維最優(yōu)持久圖生成算法的時(shí)間復(fù)雜度更低。

本發(fā)明實(shí)施例中假設(shè)編隊(duì)中所有uav都可以作為編隊(duì)領(lǐng)航者，因此上述三維最優(yōu)持久圖即是該編隊(duì)的最優(yōu)信息交互拓?fù)洹?/p>

1、無人機(jī)組成的小規(guī)模三維持久編隊(duì)的信息交互拓?fù)鋬?yōu)化。

假設(shè)一個(gè)小規(guī)模三維持久編隊(duì)由5架uav組成，每個(gè)uav的通信范圍是1600m并且不會(huì)發(fā)生任何故障，它們需要形成并保持一個(gè)如圖2所示的三維空間隊(duì)形，所有位置分別編號(hào)為{1,2,3,4,5}，它們?cè)谌S空間的相對(duì)位置圖2(a)所示。例如，本發(fā)明實(shí)施例中以上述三維空間隊(duì)形中的4號(hào)位置作為編隊(duì)參考點(diǎn)，則上述三維持久編隊(duì)隊(duì)形s中的每個(gè)位置的坐標(biāo)如圖2(b)所示。

本發(fā)明實(shí)施例中，根據(jù)圖1所示算法，首先令初始的uav位置配置為p＝{1,2,3,4,5}，構(gòu)建相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋎＝(v,a,w,p)；將d中的弧轉(zhuǎn)換成邊得到對(duì)應(yīng)的賦權(quán)無向圖g＝(v,e,w,p)；然后結(jié)合表1所示算法生成賦權(quán)無向圖g的三維最優(yōu)剛性圖r(如圖3(a)所示)。利用表2所示算法生成上述三維最優(yōu)剛性圖r對(duì)應(yīng)的三維最優(yōu)持久圖t。其中，表2所示算法中step3所得的最小樹形圖t1'如圖3(b)所示；表2所示算法中step5所得的最小樹形圖t2'如圖3(c)所示；表2所示算法中step7所得的最小樹形圖t3'如圖3(d)所示。再將最小樹形圖t1'、t2'和t3'中的虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)v0和v0的出弧刪除分別得到有向圖t1、t2和t3。然后合并有向圖t1、t2和t3得到的有向圖t如圖3(e)所示。由于該有向圖t中弧的總數(shù)和三維最優(yōu)剛性圖r中邊的總數(shù)相同，滿足表2所示算法的step9的條件，因此t是r對(duì)應(yīng)的一個(gè)三維最優(yōu)持久圖。又因?yàn)閠中的節(jié)點(diǎn)v1的入度為0，因此三維最優(yōu)持久圖t就是此三維持久編隊(duì)的最優(yōu)信息交互拓?fù)洌瑄av1作為編隊(duì)領(lǐng)航者，對(duì)應(yīng)的編隊(duì)通信代價(jià)為8640。

對(duì)比地，現(xiàn)有技術(shù)中效果最優(yōu)的信息交互拓?fù)鋬?yōu)化算法得到的最優(yōu)信息交互拓?fù)淙鐖D4所示，uav5作為編隊(duì)領(lǐng)航者，其對(duì)應(yīng)的編隊(duì)通信代價(jià)也是8640，但其時(shí)間復(fù)雜度也比本發(fā)明實(shí)施例提供的優(yōu)化方法的時(shí)間復(fù)雜度更高。

2、無人機(jī)組成的大規(guī)模三維持久編隊(duì)的信息交互拓?fù)鋬?yōu)化。

假設(shè)一個(gè)大規(guī)模三維持久編隊(duì)由16架uav組成，每個(gè)uav的通信范圍是1600m并且不會(huì)發(fā)生任何故障，上述16架uav需要形成并保持如圖5所示的三維空間隊(duì)形s，所有位置分別編號(hào)為{1,2,…,16}，它們?cè)谌S空間的相對(duì)位置如圖5(a)所示。例如，本發(fā)明實(shí)施例中以上述三維空間隊(duì)形中的10號(hào)位置作為編隊(duì)參考點(diǎn)，則上述三維持久編隊(duì)隊(duì)形s中每個(gè)位置的坐標(biāo)如圖5(b)所示。

本發(fā)明一實(shí)施例中，根據(jù)圖1所示算法，首先令初始的uav位置配置為p＝{1,2,…,16}，構(gòu)建相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋎＝(v,a,w,p)；將d中的弧轉(zhuǎn)換成邊得到對(duì)應(yīng)的賦權(quán)無向圖g＝(v,e,w,p)；然后結(jié)合表1所示算法生成賦權(quán)無向圖g的三維最優(yōu)剛性圖r(如圖6(a)所示)。利用表2所示算法生成上述三維最優(yōu)剛性圖r對(duì)應(yīng)的三維最優(yōu)持久圖t。其中，表2所示算法中step3所得的最小樹形圖t1'如圖6(b)所示；表2所示算法中step5所得的最小樹形圖t2'如圖6(c)所示；表2所示算法中step7所得的最小樹形圖t3'如圖6(d)所示。將t1'中的v0和v0的出弧刪除后得的t1，將t2'中的v0和v0的出弧刪除后得的t2，將t3'中的v0和v0的出弧刪除后得的t3，將上述最小樹形圖t1、t2和t3合并得到的有向圖t如圖6(e)所示。由于該有向圖t中弧的總數(shù)和三維最優(yōu)剛性圖r中邊的總數(shù)相同，滿足表2所示算法的step9的條件，因此t是r對(duì)應(yīng)的一個(gè)三維最優(yōu)持久圖。又因?yàn)閠中的節(jié)點(diǎn)v1的入度為0，因此三維最優(yōu)持久圖t就是此三維持久編隊(duì)的最優(yōu)信息交互拓?fù)?，uav1作為編隊(duì)領(lǐng)航者，對(duì)應(yīng)的編隊(duì)通信代價(jià)為32102。

對(duì)比地，現(xiàn)有技術(shù)中效果最優(yōu)的信息交互拓?fù)鋬?yōu)化算法得到的最優(yōu)信息交互拓?fù)淙鐖D7所示，uav13作為編隊(duì)領(lǐng)航者，其對(duì)應(yīng)的編隊(duì)通信代價(jià)也是32102，但其時(shí)間復(fù)雜度也比本發(fā)明實(shí)施例提供的優(yōu)化方法的時(shí)間復(fù)雜度更高。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)最優(yōu)信息交互拓?fù)渖裳b置，如圖8所示，包括：

賦權(quán)無向圖獲取模塊m1，用于根據(jù)無人機(jī)需要組成的三維持久編隊(duì)的編隊(duì)隊(duì)形獲取通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼捌鋵?duì)應(yīng)的賦權(quán)無向圖；

三維最優(yōu)剛性圖計(jì)算模塊m2，用于根據(jù)三維最優(yōu)剛性圖生成算法計(jì)算所述賦權(quán)無向圖的三維最優(yōu)剛性圖；

最優(yōu)信息交互拓?fù)浍@取模塊m3，用于根據(jù)所述三維最優(yōu)剛性圖和三維最優(yōu)持久圖生成算法獲取三維最優(yōu)持久圖，所述三維最優(yōu)持久圖即為該編隊(duì)的最優(yōu)信息交互拓?fù)洹?/p>

可選地，所述最優(yōu)信息交互拓?fù)浍@取模塊m3利用三維最優(yōu)持久圖生成算法獲取三維最優(yōu)持久圖的步驟包括：

將所述三維最優(yōu)剛性圖轉(zhuǎn)換成第一有向圖；

在所述第一有向圖中增加虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)得到第二有向圖；所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)與所述第一有向圖中每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置有三條出弧，并且所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)的每條出弧的權(quán)值相同并大于所述第一有向圖中全部弧的權(quán)值之和；

獲取所述第二有向圖的第一最小樹形圖，并刪除所述第一最小樹形圖中所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的出弧得到第三有向圖；

刪除所述第二有向圖中對(duì)應(yīng)所述第一最小樹形圖中所有弧及其對(duì)應(yīng)的反向弧得到第四有向圖；

獲取所述第四有向圖的第二最小樹形圖，并刪除所述第二最小樹形圖中所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的出弧得到第五有向圖；

刪除所述第四有向圖中對(duì)應(yīng)所述第二最小樹形圖中所有弧及其對(duì)應(yīng)的反向弧得到第六有向圖；

獲取所述第六有向圖的第三最小樹形圖，并刪除所述第三最小樹形圖中所述虛擬領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的出弧得到第七有向圖；

合并所述第三有向圖、所述第五有向圖和所述第七有向圖得到第八有向圖t以及所述第八有向圖t中弧的數(shù)量m；

當(dāng)所述三維最優(yōu)剛性圖的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為n且m滿足m＝3n-6時(shí)，則所述第八有向圖t為三維最優(yōu)持久圖。

可選地，所述最優(yōu)信息交互拓?fù)浍@取模塊m3利用三維最優(yōu)持久圖生成算法獲取三維最優(yōu)持久圖的步驟還包括：

當(dāng)所述三維最優(yōu)剛性圖的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為n且m滿足m<(3n-6)時(shí)，獲取所述三維最優(yōu)剛性圖中的第l條邊對(duì)應(yīng)的兩條弧，符號(hào)l的初始值為1；

若該兩條弧都不在所述第八有向圖中，獲取第l條邊對(duì)應(yīng)兩節(jié)點(diǎn)的入度；

當(dāng)?shù)趌條邊對(duì)應(yīng)的兩節(jié)點(diǎn)的入度不都等于3時(shí)，將該兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中入度小于3的節(jié)點(diǎn)的連接另外那個(gè)節(jié)點(diǎn)的入弧添加到所述第八有向圖中得到第九有向圖；

若所述第九有向圖中弧的數(shù)量m等于(3n-6)時(shí)，則所述第九有向圖為三維最優(yōu)持久圖；否則將所述第八有向圖中的數(shù)據(jù)更新為所述第九有向圖中的數(shù)據(jù)。

可選地，所述最優(yōu)信息交互拓?fù)浍@取模塊m3利用三維最優(yōu)持久圖生成算法獲取三維最優(yōu)持久圖的步驟還包括：

當(dāng)?shù)趌條邊對(duì)應(yīng)的兩節(jié)點(diǎn)的入度都等于3時(shí)，將該第l條邊對(duì)應(yīng)的一條弧添加到第八有向圖中得到第九有向圖；該弧為第l條邊所對(duì)應(yīng)第一節(jié)點(diǎn)的入??；

按照先入度2再入度1最后入度0的方式在所述第九有向圖中尋找入度小于3的一個(gè)第二節(jié)點(diǎn)，并獲取所述第二節(jié)點(diǎn)與所述第一節(jié)點(diǎn)之間具有最少跳數(shù)的路徑；

將所述最少跳數(shù)的路徑對(duì)應(yīng)的所有弧反向得到第十有向圖；

若所述第十有向圖中弧的數(shù)量m等于(3n-6)時(shí)，則所述第十有向圖為三維最優(yōu)持久圖；否則將所述第八有向圖中的數(shù)據(jù)更新為所述第十有向圖中的數(shù)據(jù)。

可選地，所述最優(yōu)信息交互拓?fù)浍@取模塊m3利用三維最優(yōu)持久圖生成算法獲取三維最優(yōu)持久圖的步驟還包括：

將所述符號(hào)l的值增加1，若符號(hào)l小于等于(3n-6)時(shí)，則繼續(xù)判斷第l條邊對(duì)應(yīng)的兩條弧是否都不在所述第八有向圖t中。

需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例提供的多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)最優(yōu)信息交互拓?fù)渖裳b置與上述方法是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，上述方法的實(shí)施細(xì)節(jié)同樣適用于上述裝置，本發(fā)明實(shí)施例不再對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可以對(duì)實(shí)施例中的設(shè)備中的模塊進(jìn)行自適應(yīng)性地改變并且把它們?cè)O(shè)置在于該實(shí)施例不同的一個(gè)或多個(gè)設(shè)備中?？梢园褜?shí)施例中的模塊或單元或組件組合成一個(gè)模塊或單元或組件，以及此外可以把它們分成多個(gè)子模塊或子單元或子組件。除了這樣的特征和/或過程或者單元中的至少一些是互相排斥之處，可以采用任何組合對(duì)本說明書(包括伴隨的權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的所有特征以及如此公開的任何方法或者設(shè)備的所有過程或單元進(jìn)行組合。除非另外明確陳述，本說明書(包括伴隨的權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的每個(gè)特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征來代替。

最后應(yīng)說明的是：以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求和說明書的范圍當(dāng)中。