一种基于区块链的多无人机协同城市感知方法与流程

本发明涉及无人机，尤其涉及一种基于区块链的多无人机协同城市感知方法。

背景技术：

1、近年来，随着城市的智能化程度越来越高，对城市环境感知的要求也愈加增高。传统对城市环境感知的信息来源主要是部署好的传感器，例如摄像头等，视距有限，且位置固定，难以对复杂、多遮挡的城市环境进行全域覆盖。同时，部署好的传感器多为光学设备，感知方式单一，性能有限，无法满足日益增长的感知需求。

2、无人机集群技术的迅速发展，为城市环境感知提供了新思路。通过无人机搭载多类型感知设备，利用多源信息融合处理技术，可以获取高质量的感知信息。同时，利用无人机的移动性，可以实现对复杂、多遮挡的城市环境实现全域感知，为后续城市的智能决策提供基础。利用无人机集群技术对城市环境的感知的主要难点在于如何根据感知需求，对无人机进行智能控制，使得多无人机可以协同完成城市感知任务。

3、传统无人机的协同控制方案往往需要一个中心控制器，通过收集无人机的资源、位置、功能等信息，进行中心式的决策控制，并将控制方案下发至无人机，以协同完成城市感知任务。中心式决策算法虽然可以获取全局最优的无人机协同感知方案，但是算法复杂度高，且过度依赖于中心控制器，鲁棒性差，难以较好的适应复杂城市环境。因此，有必要设计分布式算法，使得多无人机可以在无中心控制器的情况下进行分布式决策控制。同时，由于城市环境的高动态性，无人机集群需要低复杂度方法，迅速生成感知方案，以应对环境变化。

4、分布式架构与迅速响应正是区块链技术的两大重要特征，因此区块链技术适合应用于多无人机协同城市感知问题中。将无人机视作区块链中的节点，无人机通过定时广播信息，利用共识机制实现节点间的共识。同时，通过设计无人机控制算法，利用智能合约智能生成协同感知方案，并自动执行。基于区块链技术的多无人机协同城市感知，可以很好地实现多无人机分布式、迅速的协同控制，以实现对城市环境的有效感知。

5、目前，尚未有基于区块链技术的多无人机协同城市感知方案的相关研究。

技术实现思路

1、为解决现有的技术问题，本发明提供了一种基于区块链的多无人机协同城市感知方法。

2、本发明的具体内容如下：一种基于区块链的多无人机协同城市感知方法，包括如下步骤：

3、(10)多无人机任务与状态信息共享：每个无人机作为一个节点，共同组成区块链；无人机通过接收城市态势中心发布的信息，生成感知任务，并发布至区块链上；同时，无人机周期性的将自身状态信息发布至区块链上；无人机利用广播通信，将各自的任务信息和状态信息进行共享，并写入区块中，形成共识；

4、(20)无人机分布式问题建模：无人机根据共享后的任务信息与自身状态信息，分布式建模无人机协同城市感知问题；

5、(30)区块链下多无人机共识机制：无人机通过接收其它无人机的广播信息，基于区块链的共识机制，实现多无人机信息的一致性共识，并将共识信息打包写入区块链中；

6、(40)区块链下多无人机智能合约规则：基于共识后的一致性信息，根据智能合约规则，更新任务意向度向量、预分配任务向量与最高意向无人机向量；

7、(50)无人机分布式生成协同感知方案：无人机利用迭代机制，周期性执行信息共识和智能合约，直至共识信息不再更新，并将形成的一致性协同感知方案计入区块链中。

8、进一步的，步骤(10)多无人机任务与状态信息共享步骤包括：

9、(11)无人机通过自身感知信息及城市态势中心发布的信息，生成感知任务集合每个任务包含任务重要性、对传感器类型的需求、资源消耗及待感知的信息，如区域搜索、目标跟踪、目标识别等内容；

10、(12)无人机将自身状态信息，周期性的发布至区块链上，其中无人机的集合记为无人机n的状态信息包括感知半径sn、搭载传感器类型、资源容量rn等；sn代表无人机n最大的感知范围，rn代表无人机n可执行的任务数量上限；

11、(13)无人机周期性的将自身任务信息和状态信息利用广播通信进行共享，并通过对数据进行加密等处理，写入区块中，形成共识。

12、进一步的，步骤(20)无人机分布式问题建模步骤包括：

13、(21)定义无人机与任务连接矩阵am×n，其中元素am,n∈{0,1}表示无人机n是否可以执行任务m；若无人机n搭载的传感器满足任务对传感器类型要求，同时任务m对应区域在无人机的感知半径sn内，则有am,n＝1。反之，则有am,n＝0；

14、(22)定义无人机感知方案矩阵xm×n，其中元素xm,n∈{0,1}表示无人机n执行感知任务m；若无人机成功执行感知任务m，即实现对相关环境的感知，获得相应的感知收益qm；

15、(23)将城市感知收益定义为多无人机协同完成感知任务的收益和，需在无人机资源约束下，通过优化设计感知方案，以最大化城市感知收益；优化问题可以建模为：

16、p1:

17、s.t.

18、

19、

20、其中目标函数是城市感知收益，第一个约束表示无人机n资源有限，最多仅能完成rn个任务，第二个约束指为了避免多无人机执行相同感知任务而产生冲突，一个感知任务最多可由一个无人机执行；

21、(24)引入任务意向度rm,n表示无人机n对感知任务m的意愿强烈程度，任务意向度越高意味着无人机愿意付出的代价越大；无人机与任务的匹配度定义为sm,n＝am,nqm-rm,n，即任务收益与任务意向相差越大，无人机与任务的匹配度越高，则更倾向于将该任务分配给对应的无人机；此时，可以将优化问题p1分解成n个独立的子问题，完成分布式问题建模；其中，无人机n的子问题为：

22、p2:

23、s.t.

24、

25、进一步的，步骤(30)区块链下多无人机共识机制步骤包括：

26、(31)每架无人机n内部需维护任务意向度向量rn＝[r1,n,r2,n,...,rm,n]，预分配任务向量xn＝[x1,n,x2,n,...xm,n]，最高意向无人机向量fn＝[f1,n,f2,n,...fm,n]，其中元素表示对任务m意向度最高的无人机；

27、(32)在第t轮共识阶段，每架无人机n将其上一轮的信息rn(t-1)、xn(t-1)与fn(t-1)向其它无人机进行全网广播，同时接收其它无人机广播的自身信息；

28、(33)每架无人机n以任务最高意向度作为全网共识的任务意向度，即有：

29、

30、(34)每架无人机n选择任务意向度最高的无人机作为本轮共识的最高意向无人机，即：

31、

32、进一步的，步骤(40)区块链下多无人机智能合约规则步骤包括：

33、(41)无人机n自身的任务意向度若低于其它无人机的任务意向度，则认为这些任务预分配失败，需将这些任务从上一轮预分配任务集合中剔除，剔除的任务集合记为：

34、

35、其中为无人机n第t-1轮的预分配任务集合；

36、(42)无人机n更新其保留的预分配任务集合及可选择分配任务集合：

37、

38、

39、(43)无人机n计算自身剩余各执行的任务数目：

40、

41、(44)无人机n在可选择分配任务集合中的任务中，按无人机与任务的匹配度sm,n进行降序排序，并基于贪心策略，选择rn,rest个与自身匹配度最大的任务作为新加入的预分配任务，即

42、(45)无人机n更新预分配任务向量，即否则xm,n(t)＝0；

43、(46)无人机n对于每个新加入的预分配任务更新任务意向度，即

44、rm,n(t)＝rm,n(t)+sm,n(t)-sindexn,n(t)+ε,

45、其中indenx表示可选择分配任务集合中无人机与任务的匹配度sm,n第rn,rest+1大的任务序号，ε为一个任意小量；

46、(47)无人机n对于每个新加入的预分配任务更新其最高意向无人机fm,n(t)＝n。

47、进一步的，步骤(50)无人机分布式生成协同感知方案步骤包括：

48、(51)无人机n初始化任务意向度向量rn(t)、预分配任务向量xn(t)与最高意向无人机向量fn(t)为全零向量；

49、(52)无人机n重复执行步骤(30)中的共识机制和步骤(40)中的智能合约，直至共识信息不再更新，形成最终的感知方案；

50、(53)无人机将最终的一致性协同感知方案写入区块链中，并根据方案对环境进行协同感知。

51、本发明的有益效果：本发明针对多无人机协同城市感知场景，将区块链技术引入无人机集群协同感知问题，通过设计共识机制和智能合约方案，实现对多无人机协同感知的分布式控制，增强无人机集群系统的鲁棒性。