隨著無人機技術(shù)的蓬勃發(fā)展，無人機目前已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、巡檢、安防、救援等多個領(lǐng)域?，F(xiàn)階段運用最廣泛的是用單架無人機的執(zhí)行任務(wù)，由于這種方式是單機作業(yè)，如果任務(wù)的作業(yè)面積比較大，無人機需要多次往返，甚至多次轉(zhuǎn)場才能完全覆蓋任務(wù)區(qū)域，耗時較長、效率還是相對比較低；有些地方受制于地形因素限制無人機和地面控制站的通信等諸方面的限制，無人機還無法到達作業(yè)區(qū)域，影響任務(wù)展開區(qū)域。相比單架無人機存在的這些問題，無人機自組網(wǎng)系統(tǒng)在解決上述問題時候，具有諸多優(yōu)勢，例如：
多無人機相互協(xié)作完成對任務(wù)環(huán)境的感知，通過自組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)多無人機之間的信息的快速傳遞共享，完成對任務(wù)區(qū)域的大范圍監(jiān)測當視距通信陷入盲區(qū)時候，可以通過多機中繼實現(xiàn)無死角覆蓋無人機群系統(tǒng)不依賴于單獨的個體，當部分個體離開或加入群系統(tǒng)時，整個群系統(tǒng)仍具有一定的完整性，可繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)等
無人機自組網(wǎng)的概念
無人機自組網(wǎng)是由無人機擔當網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成的具有任意性、臨時性和自治性網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，每架無人機都配備移動自組網(wǎng)絡(luò)通信模塊，既具有路由功能，又具有報文轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以通過無線連接構(gòu)成任意的網(wǎng)絡(luò)拓撲。每架無人機在該網(wǎng)絡(luò)中兼具任務(wù)節(jié)點和中繼節(jié)點兩種功能：作為任務(wù)節(jié)點，可在地面控制站或其他無人機的指令控制下執(zhí)行任務(wù)意圖；作為中繼節(jié)點，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的路由策略和路由表參與路由維護和分組轉(zhuǎn)發(fā)工作。
無人機自組網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成
無人機自組網(wǎng)系統(tǒng)包括一個地面控制站節(jié)點和若干個無人機節(jié)點。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，圖中1個地面控制站與4架無人機構(gòu)成1個無人機自組網(wǎng)。在無人機自組網(wǎng)絡(luò)中，由于無線傳輸距離限制或地形限制，無人機間的路由有時需要多個網(wǎng)段組成。如圖1所示，無人機節(jié)點C和地面控制站無法直接通信，但可以通過節(jié)點D和地面控制站以C→D→地面控制站路由進行通信，或通過節(jié)點A、B和地面控制站以C→A→B→地面控制站路由進行通信。
圖1 無人機自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)
無人機自組網(wǎng)方案特點
無人機自組網(wǎng)除具有獨立組網(wǎng)、自組織、動態(tài)拓撲、無約束移動、多跳路由等一般自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)本身的技術(shù)特點以外，還具有以下的任務(wù)使用特點。
1.適用于復(fù)雜地形、非視距應(yīng)用
單架無人機容易受到地形或其他環(huán)境影響，無法實現(xiàn)無人機和地面的實時通信。但無人機自組網(wǎng)中每個無人機都可作為中繼機，可以實現(xiàn)復(fù)雜地形下和非視距的應(yīng)用。
2.適用于遠距離作業(yè)覆蓋由于地球曲率影響，無線電視距傳播受到極大的影響，再加上基站周圍地形因素的影響，往往通信距離小于50km。當使用無人機自組網(wǎng)通信鏈路時，離基站最近的無人機除了承擔任務(wù)機的角色以外，還承擔著中繼機的角色。當加入中繼功能后，數(shù)據(jù)鏈的通信距離范圍可以增加到150-200km，免去了無人機往返作業(yè)及轉(zhuǎn)場的次數(shù)，提高了任務(wù)效率。 3.抗干擾能力強
自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)使所有無人機集群間不再是簡單的鏈式結(jié)構(gòu)，即使在鏈中的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，無人機整個系統(tǒng)也不會癱瘓，這就意味著無人機系統(tǒng)的抗干擾能力得到了大幅提高。
4.智能化程度高
無人機自組網(wǎng)能夠及時感知網(wǎng)絡(luò)變化，自動配置或重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，保證數(shù)據(jù)鏈路的實時連通，具有高度的自治性和自適應(yīng)能力。另外，無人機自組網(wǎng)可以實現(xiàn)信息共享，能夠?qū)⑺邮艿男畔⑦M行處理，并自主決策，實現(xiàn)執(zhí)行任務(wù)智能化。
5.功能多樣
無人機自組網(wǎng)后就具有所有終端的功能，各無人機優(yōu)勢互補、分工協(xié)作，形成有機整體，獲得比單機更好的執(zhí)行任務(wù)效果。
6.多路高清數(shù)據(jù)傳輸
一次任務(wù)可實現(xiàn)多次傳統(tǒng)任務(wù)效果。如圖2、圖3所示，此任務(wù)以無人機環(huán)境保護監(jiān)測為例，由于環(huán)境監(jiān)測面積較大，采用四架無人機同時進行環(huán)境保護作業(yè)，地面與無人機控制距離達到50km，無人機與無人機最大控制距離達到150km，四架無人機可同時采集FHD視頻并實時回傳至地面站。若發(fā)現(xiàn)環(huán)境異常等情況，可派遣多架無人機前往現(xiàn)場上空進行多角度數(shù)據(jù)采集，同時可避免數(shù)據(jù)鏈因地形復(fù)雜、山體遮擋造成失聯(lián)的情況發(fā)生。
圖2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
圖3 多機實時任務(wù)信息回傳
行業(yè)應(yīng)用
1.安防行業(yè)應(yīng)用
防地域范圍較大，單架無人機監(jiān)視范圍小，無人機需要多次往返，甚至多次轉(zhuǎn)場才能完全覆蓋任務(wù)區(qū)域，耗時較長、效率低；當無人機出現(xiàn)故障時會影響任務(wù)。運用無人機自組網(wǎng)，一次可以完成大面積的監(jiān)視任務(wù)，發(fā)現(xiàn)問題時可以使用多架無人機不同角度的去監(jiān)視；一架無人機出現(xiàn)故障時不會影響執(zhí)行任務(wù)。
2.應(yīng)急搜救行業(yè)應(yīng)用
在山區(qū)人工搜救時，有些地勢和環(huán)境復(fù)雜，單架無人機執(zhí)行任務(wù)時，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈遮擋影響無人機與地面站的通信的問題。運用無人機自組網(wǎng)，每個無人機都可作為中繼機，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈遮擋的問題，如圖4所示。
圖4 自組網(wǎng)模式應(yīng)急搜救
3.物探行業(yè)應(yīng)用
航空物探需要飛行器長時間進行低空飛行以達到精準的勘探效果，而低空飛行受地球曲率影響無法實現(xiàn)較大的飛行半徑。自組網(wǎng)模式則很好地解決了這個問題，通過一架或多架無人機中繼橋接，實現(xiàn)了低空長距離勘探。
4. 環(huán)保行業(yè)應(yīng)用
環(huán)境監(jiān)測使用無人機自組網(wǎng)，可以根據(jù)任務(wù)來增減無人機組網(wǎng)數(shù)，當環(huán)保監(jiān)測面積較小時可以使用一兩架無人機去執(zhí)行任務(wù)；當環(huán)保監(jiān)測面積較大時可以用多架無人機執(zhí)行任務(wù)，可以靈活、高效的完成任務(wù)。
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