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《哈尔滨工程大学》 2019年
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飞行自组网中基于容错的拓扑控制算法研究

闫吉辰  
【摘要】:飞行自组网(Flying Ad Hoc Network,FANET)作为一种针对无人机集群自组织网络的解决方案,受到无人机研究领域的广泛关注。由于无人机之间距离更长,网络更稀疏,现有的基于传统Ad Hoc网络的拓扑控制技术应用在FANET时有一定的局限性。网络连通是无人机之间数据传输和协同交互的基础,当网络中的任意两个无人机节点间都有k条顶点不相交的路径时,称为网络拓扑k连通。当k(28)1时,网络满足单连通;当k?2时,网络具备了容错能力,因此拓扑二连通是实现FANET容错网络的基本目标。本文围绕FANET网络的容错控制问题,研究基于三维空间的FANET拓扑控制方法,通过拓扑单连通和二连通控制,保证无人机之间持续的端到端可靠连通。主要研究内容概括如下:(1)对FANET网络拓扑建模,结合图论的知识对其中节点和拓扑结构进行了分析,并介绍了FANET中多跳信息的交换方式。基于平均路径损耗模型建立了无线传输信道模型,分析了最大传输距离与发射功率的关系,指出了用距离的变化来代替描述功率的变化的可行性。最后介绍了网络拓扑控制的相关理论,说明了通过无人机移动进行网络拓扑控制来实现单连通网络和二连通容错网络的可行性。(2)FANET网络单连通拓扑控制。针对网络分割影响无人机之间通信的问题,提出一种基于邻居信息的集群网络拓扑移动控制算法。将集群移动理论引入网络拓扑控制,基于Boid、Vicsek,引入方向信息、前向视角信息和人工势能场,调整移动速度,提高了算法的收敛速度,能够使无人机集群网络在移动过程中保持较高的连通率。并且所得网络拓扑与初始网络的节点密度近似相等。解决了动态FANET网络拓扑易分割的问题,维护了无人机集群的无线通信网络连通性。仿真结果表明了所提方法的有效性。(3)FANET网络二连通容错拓扑控制。针对单连通FANET网络易分割问题,提出基于k-跳局部拓扑节点移动自由度的拓扑控制算法以实现二连通容错网络。首先,基于三维FANET中无人机节点的k-跳局部拓扑,提出基于邻居变化的割点检测算法,分析该算法的计算量,并通过数值仿真研究了k-跳割点与全局割点的一致性。然后,建立了节点移动自由度模型,并根据割点的k-跳局部拓扑中割点的分布情况提出三种级联移动策略,把构建二连通容错网络的问题转化为网络中全局割点的消除问题,并通过数值仿真研究了三维FANET网络中FTLMF算法的性能。仿真结果表明了所提两个算法在割点检测和容错控制方面的优越性。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:V279;V243

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