基于连通控制划分的飞行自组网络拓扑控制机理

In this project, we will solve a part of fundamental issues of topological control for a UAVs swarmed flying ad hoc network in high time-varying environments. In particular, we will work on the impacts on control procedure of topology by the swarming formation changing with time. In the study, we will develop the analytical framework and design effective strategy of constantly constructing, evolving and recovery of the time-varying topology, by using connected dominating set and connected domatic partition techniques. For realistic applications, moreover, we will establish a test-bed integrated software-and-hardware jointed platform for experimental simulations and tests for the proposed algorithms, strategies and architectures in the project. This work will help to explore the consistency between the capabilities of swarm intelligence and the effectiveness of supportive flying ad hoc network of the swarm team.

本课题面向我国无人系统和移动自组网技术发展的重大需求，结合当前国内外无人航空器编队集群技术现状和发展趋势，开展飞行自组网基础理论与关键技术研究。研究非结构化环境下飞行自组网络拓扑生成、演化与重构问题，探索联合空间-时间二维条件下飞行自组织网络拓扑的稳定控制机理。综合运用集群模型、连通支配集理论和连通控制划分方法，对连通支配集在空时二维拓扑条件下的分析模型、构建方法和更新策略进行深入研究。拟开展：基于仿生学集群运动模型的飞行自组网拓扑建模；基于关键节点检测的飞行自组网拓扑发现与自愈机制；基于连通控制划分的飞行自组网拓扑演进与更新策略；基于时延容忍连通支配集的飞行自组网虚拟骨干网模型等研究内容，为无人航空器编队控制技术、智能计算方法和网络通信能力之间的匹配设计、实现高动态环境和复杂任务下可靠和高效数据通信奠定基础，促进无人航空器/无人系统、移动自组织网络和智能计算技术的协调融合发展。

本课题面向我国无人系统和空间信息网络发展的重大需求，开展飞行自组网基础理论与关键技术研究。综合运用集群模型、连通支配集理论和连通控制划分方法，研究非结构环境下编队系统的群体智能行为与网络拓扑控制之间的耦合性，深入探索飞行自组网拓扑在空时二维条件下的稳定控制机理；优化设计飞行自组网拓扑快速发现、自主演进和智能重构策略；有效提升飞行自组网在高动态下的网络连通性。取得的主要研究进展包括：一、针对高动态环境下的无线信道衰落特性，设计了无人机编队通信的信道接入与拓扑优化算法，解决了无人机编队所面临的避障与组网通信问题。二、针对高动态环境下无人机间通信链路不稳定的特性，设计出无人机编队的移动中继通信机制，解决了无人机编队所面临的通信间歇断续问题。三、面向未知环境和动态场景，提出了基于互回环检测、ICP-Improved地图融合和动态场景恢复的SLAM算法，解决了卫星导航定位系统缺失条件下无人机编队自主定位和导航问题。四、基于低空复杂环境下的多无人机协作框架，提出了基于视觉的多无人机协同自主导航、路径规划、区域搜索和场景重建算法，系统性解决了对于未知环境的探索问题。.课题经过四年多的深入探索，共计录用和发表高水平期刊论文3篇，发表高水平国际会议论文6篇，获得了2020年第五届“空间信息网络”学术论坛最佳论文奖。申请国家发明专利9项，授权5项。项目已培养出硕士研究生10名，均已获得硕士学位。上述研究成果，分别针对课题的预定科学目标展开，经过系统性的研究工作，深入探索了飞行自组网拓扑在空时二维条件下的稳定控制机理，设计出飞行自组网拓扑快速发现、自主演进和智能重构策略，有效的提升了高动态下的无人机编队网络的连通性。