- 物联网无人机应用典型架构及实现的技术难点详细介绍

（3）Mesh型控制拓扑：在该控制拓扑下，所有无人机划分为多个组，各个组内无人机构成一个Mesh型结构并由各组中心节点直接连接至一个或多个地面控制站（或卫星），同时，各无人机组间可直接互通，如图2（c）所示。在该控制方式下允许各组无人机间直接通信，从而可进一步减少对下行链路带宽的要求，降低延时，改善了网络鲁棒性。

以上各种拓扑控制机制均存在进一步提高无人机群网络性能、自主控制能力等的空间，以充分利用无人机群资源（包括能量资源、计算资源、群智资源等），有效提高无人机群实现物联网业务的高效、智能和自主化。

1.2 无人机防碰撞技术

物联网无人机应用往往发生在人口密集的城市空域，确保无人机与无人机、无人机与其他障碍物（如建筑、树、鸟等）不发生碰撞是无人机应用的关键之一。

为实现无人机避免发生碰撞，无人机需具备两项能力：障碍感知能力和规避障碍决策能力。为使无人机具备障碍感知能力，当前已有的解决方案包括协作型和完全自主型障碍感知技术。对于协作型障碍感知技术，可以构建针对无人机的空管系统来对无人机间可能的碰撞实施告警。文献［15］提出了无人机空中交通管理系统（TM-UAS）用于跟踪和告警空中所有的无人机，确保无人机间保持安全的距离。此外，还可以通过所有无人机广播共享三维坐标、航向、航速等信息来实现碰撞感知。对完全自主型障碍感知技术主要通过无人机配备光电传感器、微波传感器、导航传感器等来实现障碍感知。随着制造工艺的不断进步，光电传感器体积小、重量轻、功耗低，可以很好地装备于各型无人机上。但是，基于可见光光谱的光电传感器障碍感知技术面临的困难是，检测算法需要能够应对各种复杂的图像背景、照明、图像抖动等；同时还要保证光电传感器图像数据的实时处理。为使无人机具备规避障碍决策能力，则需要通过多种数据融合技术，包括多目标跟踪技术等来获取障碍物的相对位置和速度等信息，从而作出规避障碍的合理决策。

1.3 无人机群智能技术

无人机群智能技术主要应用于军事物联网领域，实现通过极少的人工干预控制无人机群对不同目标完成侦察、攻击等任务。由于无人机群的高动态性，传统集中式控制方式难以应用于针对无人机群的控制。无人机群智能技术可以分布式地控制无人机群，使得无人机间可以智能地相互协同，高效地完成任务目标。

群智能技术主要借鉴的是生物学中的蜂群自组织行为模式算法。蜂群的行为模式目的是使得蜜源搜索最大化。其自组织的步骤是：

（1）构建搜索空间；

（2）构建侦察群和搜索群；

（3）侦察群搜索出潜在有价值的站点；

（4）从潜在站点中选出基本站点，以便搜索其临近站点；

（5）侦察群与搜索群交换需要搜索的站点信息；

（6）搜索群成员选择基本站点；

（7）搜索群成员选择基本站点附近潜在的站点。

蜂群行为模式关键在于确定基本站点及其附近潜在有价值的站点。为了进一步提高蜂群搜索成功概率，出现了改进的人造蜂群算法（ABC）。

群智能技术是人工智能领域的一个分支，对解决无人机自组织网络中的部分问题被证明具有其高效性。无人机群智能技术在军事中的应用场景包括：

（1）敌方目标静止地随机分布在目标区域内，无人机群在有限时间内对目标区域内的敌方目标进行协同搜索；

（2）敌方目标在目标区域内以随机速度向随机方向移动，无人机群从目标区域某地点发射，在有限时间内对目标区域内的敌方目标进行协同搜索、发现并摧毁。

1.4 无人机群动态数据路由

由无人机群构成的无人机自组织网络（FANET）有其自身的特性，比如网络拓扑的高动态变化、通信链路频繁间断、无人机节点因能量受限失效而导致的网络分割等。因此，有效的无人机动态数据路由需要具备对延迟和中断容忍功能。移动自组织网络（MANET）和车辆自组织网络（VANET）中的很多路由协议难以直接照搬到无人机自组织网络中应用，例如AODV路由中发出请求和收到响应的路由建立机制等。

因此，当网络拓扑动态变化时，无人机自组织网络路由可以通过存储-携带-转发的方式，对待转发的数据包暂时予以存储和携带，当转发数据包的最佳机会出现时再转发出去，这种随机路由方式取决于节点间的相遇概率；当无法确定最佳的转发机会时，则可以采取依概率随机转发的方式。对于配备有较高精度导航传感器（如GPS、北斗、格洛纳斯等）的无人机自组织网络，采用具有较少拓扑探测开销的地理信息辅助路由也是较好的选择。此外，洪泛路由也是适合无人机自组织网络可选路由之一。在该路由协议中，无人机节点将向多个中继节点转发同一数据包，中继节点再向其他相遇节点转发，从而很快将数据包投递至网络连通部分，具有较高投递率和较低投递延时。但该路由协议要求节点具有足够的缓存空间来携带和转发数据包以及较高的网络开销，通过改进洪泛路由协议，可以有效提高其性能。

对于在无人机群中应用的路由协议不一定始终适用和有效，需要依据无人机群的运动模式和动态性适时加以调整。

1.5 无人机航迹规划