一种无人集群分布式信息交互方法与流程

1.本发明涉及信息交互模式领域，尤其涉及一种无人集群分布式信息交互方法。


背景技术：

2.随着无人平台相关技术的发展，相较于人工执行任务，无人平台在危险、复杂场景下的优势越发明显。面对复杂的场景需求，单个智能体执行任务或者是多个没有信息交互与协同的无人集群执行任务时，有任务执行成功率低、效率差等劣势。针对当前出现的问题，无人集群信息交互成为无人集群协同工作中，重要一环，制定可行的、合理的无人集群信息交互方法，能够为无人集群协同作业提供基础的信息保障，提升集群智能程度。
3.无人平台之间的信息交互，主要是指通过特定的通信模式，达到互相传递信息的目的。在自然界中，研究人员发现生物群体，例如鸟群、蜂群、鱼群中，生物可以通过信息交流，获取局部信息，通过局部信息进行策略调整，最终使得整个群体具有智能特性。鉴于此，无人集群中，也可以借鉴生物群的信息交互策略，使得无人集群能够满足任务执行要求。
4.虽然，无人集群与生物集群在宏观层面，具有相似的特性，即群体由单个智能体组成，单个智能体具有移动能力、通信能力、执行任务能力，但是在微观层面，具有较大差异。这些差异体现在：特定的生物群体中，群体中的智能体，其生物构造具有相似性、同构性，所以其视力、听力、发声能力通常在一个特定范围内，这就导致每个生物的移动速度、生物信息传送范围、生物信息接收能力、生物行为等具有相似特性；无人集群中，尤其是在面向复杂场景的无人集群中，集群中的智能体，通常具有异构性，一个集群中的智能体，可能根据不同的任务需求，采用不同的方案进行制造，使用不同型号的信号发送装置、传感器、结构等，导致了无人集群中的智能体，在移动速度、信号输出强度、信号强度接收最低阈值、执行任务种类等方面均有不同。
5.当前无人集群的信息交互方式，根据中心节点是否存在，可以划分为集中式信息交互方式和分布式信息交互方式。在集中式信息交互方式中，中心节点可以为机载移动通信平台、地面移动通信基站等，在集中式信息交互方式中，具有智能体间通信形式简单、易于实现、通信范围广等特点，是现在常用的机间通信方式。但其缺点也显而易见，在高复杂度的场景中，具有鲁棒性差、过度依赖中心节点的缺陷。在无人集群研究领域，当前大部分研究，仅是从架构方面说明采用分布式信息交互方式，即采用无中心节点方案，单个智能体可以通过广播或中继的方式，将信息传送到目标智能体，没有进一步研究、明确信息交互方法，并且没有考虑通信范围、通信带宽的限制。在当前的分布式信息交互方式中，也缺乏对无人集群异构性带来的集群信息交互问题的考量，缺少适合的解决方案。同时，对于群体中的智能体，能够获得的局部信息范围，没有明确的界定方法。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术缺陷，针对复杂环境场景中，无人集群信息交互问题，基于传统的分布式信息交互方法，借鉴生物群体信息交互方式，提出了一种无人集群分布式信息
交互方法，以解决无人集群信息交互模式中，不能适用于复杂场景、异构集群的问题。
7.本发明采用的技术方案为：
8.本发明所提供的一种无人集群分布式信息交互方法，包括，首先为集群中的每个智能体，根据特定的通信跳数，构建局部子群，用于通信拓扑关系确定；之后，基于局部子群通信拓扑关系，选择到达目标智能体的特定路由路径；之后，智能体经由选定的路由路径，向局部子群内的目标智能体发送消息，目标智能体接收消息；最后，目标智能体通过接收到的所有消息，执行信息处理与反馈过程。具体包括以下步骤：
9.(1)群体中的智能体在设定通信范围内进行通信；
10.(2)群体中的每个智能体分别建立通信连接表，并向一跳邻居分享自身通信连接表，形成群体拓扑表；
11.(3)按照通信跳数，基于群体拓扑表，为每个智能体构建局部子群；
12.(4)局部子群内有通信需求的智能体之间，基于群体拓扑表，选择最优路径向特定智能体进行信息传输；
13.(5)智能体收到信息后，进行信息更新与反馈。
14.进一步的，步骤(1)中，智能体通过携带的通信设备进行通信，每台通信设备具有信号发射功率阈值和信号强度接收阈值，即在设定距离内进行信息传送，群体内的智能体具有相同或不同的信号发射功率阈值和信号强度接收阈值，且具有通信中继能力。
15.进一步的，步骤(2)具体过程为：群体中的每个智能体分别向其他智能体发送测试消息，每个智能体的测试消息不同，智能体在接收到其它智能体的测试消息后，进行回复，得到回复消息的智能体对回复消息再次进行回复，从而建立通信连接表；每个智能体向一跳邻居分享自身通信连接表，并通过接收到的通信连接表信息实时更新本体通信连接表，形成群体拓扑表；其中，通信连接表为n*n二维表格，行标为发送者，列标为接受者，元素1为连通，元素0为不连通，主对角线元素置为1。
16.进一步的，步骤(2)中，智能体之间进行相互通信时，保存双方识别码，以表示双向联通关系。
17.进一步的，步骤(3)具体过程为：基于步骤(2)中获得的群体拓扑表，基于局部子群通信跳数限制，获得局部子群成员列表，为每个智能体构建立局部子群。
18.进一步的，步骤(4)具体过程为：基于步骤(2)中获得的群体拓扑表，局部子群内部有通信需求的智能体之间，按照最优路由路径选择规则，选择特定的通信链路，向局部子群内的特定智能体发送信息。
19.进一步的，智能体基于接收的信息，更新本体原有信息内容或进行相应运算，并按照实际需求对接收消息进行内容反馈，即基于群体拓扑表，按照最优路由路径选择规则，选择特定的通信链路，进行消息反馈；其中，单个智能体可以从属于多个局部子群，并可以收到来自多个局部子群内所有智能体的信息。
20.本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
21.1、本发明在体系结构方面，选择分布式体系结构模型。相比于传统的集中式体系结构，更能适应实际场景需求，鲁棒性高，不依赖中心节点，能够在复杂通信环境中，具有更好的表现。
22.2、针对现有的分布式信息交互方法中，界定局部信息范围的问题，采用了基于通
信跳数定义局部子群，界定信息范围的解决方法。通过通信跳数，即通过通信中继数量，形成属于特定智能体的局部子群，通过局部子群通信拓扑关系，限定能够发送信息的范围。
23.3、针对单智能体进行中继通信时，带宽受限问题，通过局部子群的方式加以解决。通过局部子群限定后，单智能体处于有限个邻居的局部子群中，即只需要在有限个通信链路中，提供中继服务，降低带宽需求。
24.4、针对信息交互双方有多条路由路径的问题，可采用多种路由路径选择方式，即降低整体带宽占用，又满足通信需求。
附图说明
25.图1是本发明实施例提供的无人集群分布式信息交互方法流程图。
26.图2是本发明实施例提供的通信连接表更新示意图。
27.图3是本发明实施例提供的通信连接表共享更新示意图。
28.图4是本发明实施例提供的局部子群示意图。
具体实施方式
29.以下将结合实施例对本发明的构思、技术方案优势及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分理解本发明的目的、特征和效果。需要说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
30.参阅图1，本发明实施例首先建立全局基础模型，构建通信连接表，并通过通信连接表更新机制，更新各智能体的通信连接表，之后，构建通信拓扑表，基于通信连接表和跳数限制，构建局部子群，最后，群体内单智能体基于局部子群限制进行信息传输，收到的消息智能体进行信息处理与反馈。
31.本实施例提供了一种无人集群分布式信息交互方法，该方法包括：
32.s1：建立全局基础模型：
33.无人集群可表述为u＝{u1，...，un}，集群中的每个智能体具有通信能力，其信号输出强度可表示为o＝{o1，...，on}，信号接收最低阈值可表示为i＝{i1，...，in}，集群中的每个智能体，可以基于集群信号输出强度、最低接收阈值、智能体位置，根据信号强度衰减公式，得到集群的通联关系，在该条件下，集群拓扑关系为有向图类型，即两相邻智能体间，可能为单向信息传输或双向信息传输。也可简化模型，设定智能体的通信范围，即可表示为r＝{r1，...，rn}，在该条件下，集群拓扑关系为无向图类型，即两相邻智能体间，为双向信息传输。
34.s2：构建通信连接表并更新
35.通信连接表更新过程如图2所示，假设群体共有n台可通信智能体，每个智能体内建立n*n二维通信连接表b
i(n*n)
。通过收发测试信息，更新通信连接表。通信连接表对角线元素置为1，其余元素初始化为0。假设两智能体分别为uiuj，i，j∈[1，n]，i≠j，首先，ui向uj发送测试消息后，若uj接收到此消息，则uj通信连接表第i行第j列置为1。之后，uj对来自ui的消息进行回复，若ui接收到回复消息，则ui通信连接表第i行第j列和第j行第i列置为1。之后，ui对来自uj的回复消息进行回复，若uj接收到此消息，则uj通信连接表第j行第i列置为1。最后，如图3所示，单个智能体将自身的通信连接表发送给邻居，并将收到的来自邻居的
通信连接表与自身的通信连接表中的对应元素作或运算，完成一次更新过程。以上通信连接表的分享过程，仅限一跳邻居间进行。若群体规模较大，则该更新过程需要至多持续n-1次，才能完成全局更新，使得每个智能体能够获得群体的通信连通拓扑关系。
[0036]
构建群体拓扑表
[0037]
由于局部子群内的智能体要求具有相互通信能力，当通信连接表建立并更新后，统计通信连接表中对称于主对角线且均为1的行列坐标值，例如ui当前的通信连接表中，第i行第j列和第j行第i列(i，j∈[1，n]，i≠j)元素均为1，则存入并更新群体拓扑表di＝{(i，j)，...，(k，l)}。
[0038]
s3：为群体中的智能体构建局部子群
[0039]
如图4所示，群体中的单智能体，按照特定的通信跳数j＝{j1，...，jn}限制，单智能体形成的群体拓扑表，可以通过搜索群体拓扑表的方式，得到局部子群成员列表ci＝{a，...，b，c}，形成属于单个智能体的局部子群。
[0040]
s4：群体中的智能体进行信息传输
[0041]
群体中的智能体需要向其局部子群中的特定智能体发送信息时，通过获得的通信连接表b
i(n*n)
，搜索到达目标的最优路径，并通过该路由链路传送消息。该最优路径可以基于双方距离最短、通信中继数最少等规则获得，本发明中最优路径获取方式包括但不限于以上两种方法。
[0042]
s5：智能体对收到的消息进行信息处理与反馈
[0043]
群体中的智能体接收其它智能体发送的消息，并将接收到的消息，按照预定的程序进行处理与运算，在需要向发送消息的智能体反馈消息时，通过通信连接表b
i(n*n)
，选择最优路径反馈消息。由于智能体的信息传输能力具有差异，且智能体的移动会改变群体的通信拓扑关系，所以在反馈消息时，可以突破通信跳数限制，进行通信。