隨著無人機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，無人機(jī)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(yùn)用最廣泛的是用單架無人機(jī)的執(zhí)行任務(wù)，由于這種方式是單機(jī)作業(yè)，如果任務(wù)的作業(yè)面積比較大，無人機(jī)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(jī)和地面控制站的通信等諸方面的限制，無人機(jī)還無法到達(dá)作業(yè)區(qū)域，影響任務(wù)展開區(qū)域。相比單架無人機(jī)存在的這些問題，無人機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)多無人機(jī)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(dāng)視距通信陷入盲區(qū)時候，可以通過多機(jī)中繼實(shí)現(xiàn)無死角覆蓋無人機(jī)群系統(tǒng)不依賴于單獨(dú)的個體，當(dāng)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(jī)自組網(wǎng)的概念
無人機(jī)自組網(wǎng)是由無人機(jī)擔(dān)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成的具有任意性、臨時性和自治性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每架無人機(jī)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?fù)洹?strong>每架無人機(jī)在該網(wǎng)絡(luò)中兼具任務(wù)節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)兩種功能：作為任務(wù)節(jié)點(diǎn)，可在地面控制站或其他無人機(jī)的指令控制下執(zhí)行任務(wù)意圖；作為中繼節(jié)點(diǎn)，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的路由策略和路由表參與路由維護(hù)和分組轉(zhuǎn)發(fā)工作。
無人機(jī)自組網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成
無人機(jī)自組網(wǎng)系統(tǒng)包括一個地面控制站節(jié)點(diǎn)和若干個無人機(jī)節(jié)點(diǎn)。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(jī)構(gòu)成1個無人機(jī)自組網(wǎng)。在無人機(jī)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(jī)間的路由有時需要多個網(wǎng)段組成。如圖1所示，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)C和地面控制站無法直接通信，但可以通過節(jié)點(diǎn)D和地面控制站以C→D→地面控制站路由進(jìn)行通信，或通過節(jié)點(diǎn)A、B和地面控制站以C→A→B→地面控制站路由進(jìn)行通信。
圖1 無人機(jī)自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)
無人機(jī)自組網(wǎng)方案特點(diǎn)
無人機(jī)自組網(wǎng)除具有獨(dú)立組網(wǎng)、自組織、動態(tài)拓?fù)?、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(diǎn)以外，還具有以下的任務(wù)使用特點(diǎn)。
1.適用于復(fù)雜地形、非視距應(yīng)用
單架無人機(jī)容易受到地形或其他環(huán)境影響，無法實(shí)現(xiàn)無人機(jī)和地面的實(shí)時通信。但無人機(jī)自組網(wǎng)中每個無人機(jī)都可作為中繼機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形下和非視距的應(yīng)用。
2.適用于遠(yuǎn)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(dāng)使用無人機(jī)自組網(wǎng)通信鏈路時，離基站最近的無人機(jī)除了承擔(dān)任務(wù)機(jī)的角色以外，還承擔(dān)著中繼機(jī)的角色。當(dāng)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(jī)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(qiáng)
自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)使所有無人機(jī)集群間不再是簡單的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，即使在鏈中的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，無人機(jī)整個系統(tǒng)也不會癱瘓，這就意味著無人機(jī)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(jī)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(shí)時連通，具有高度的自治性和自適應(yīng)能力。另外，無人機(jī)自組網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)信息共享，能夠?qū)⑺邮艿男畔⑦M(jìn)行處理，并自主決策，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行任務(wù)智能化。
5.功能多樣
無人機(jī)自組網(wǎng)后就具有所有終端的功能，各無人機(jī)優(yōu)勢互補(bǔ)、分工協(xié)作，形成有機(jī)整體，獲得比單機(jī)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(shí)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(jī)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測為例，由于環(huán)境監(jiān)測面積較大，采用四架無人機(jī)同時進(jìn)行環(huán)境保護(hù)作業(yè)，地面與無人機(jī)控制距離達(dá)到50km，無人機(jī)與無人機(jī)最大控制距離達(dá)到150km，四架無人機(jī)可同時采集FHD視頻并實(shí)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(jī)前往現(xiàn)場上空進(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖3 多機(jī)實(shí)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(jī)監(jiān)視范圍小，無人機(jī)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(dāng)無人機(jī)出現(xiàn)故障時會影響任務(wù)。運(yùn)用無人機(jī)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(jī)不同角度的去監(jiān)視；一架無人機(jī)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(jī)執(zhí)行任務(wù)時，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈遮擋影響無人機(jī)與地面站的通信的問題。運(yùn)用無人機(jī)自組網(wǎng)，每個無人機(jī)都可作為中繼機(jī)，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(jìn)行低空飛行以達(dá)到精準(zhǔn)的勘探效果，而低空飛行受地球曲率影響無法實(shí)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(jī)中繼橋接，實(shí)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(jī)自組網(wǎng)，可以根據(jù)任務(wù)來增減無人機(jī)組網(wǎng)數(shù)，當(dāng)環(huán)保監(jiān)測面積較小時可以使用一兩架無人機(jī)去執(zhí)行任務(wù)；當(dāng)環(huán)保監(jiān)測面積較大時可以用多架無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)，可以靈活、高效的完成任務(wù)。
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