CN109839955B - 一种无人机与多个地面终端进行无线通信的轨迹优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无人机与多个地面终端进行无线通信的轨迹优化方法。本发明以无人机(针对固定翼无人机)在通信过程中携带的能量是有限的为前提，由于数据传输能耗远小于飞行能耗，所以主要考虑无人机的飞行能耗。本发明以完成通信要求基础之上最小化无人机飞行能耗为目标，利用了系统模型和无人机飞行能耗模型，计算出每个地面终端通信范围内飞行能耗最小的转弯半径，从而得到一条能耗最小的飞行轨迹。本发明提出的方法，可以在无人机与多个地面终端进行通信时，预先为无人机规划出一条低能耗的飞行轨迹。

Description

一种无人机与多个地面终端进行无线通信的轨迹优化方法

技术领域

本发明涉及使用无人机进行无线网络数据传输时的能耗优化领域，主要用于无人机与多个地面终端通信时，预先为其规划一条低能耗的飞行轨迹。

背景技术

利用无人机(UAV)的无线通信引起了人们越来越多的兴趣。与地面通信系统或基于高空平台(HAP)的通信系统相比，低空无人机系统由于其具有完全可控的移动性，使得无人机可以按需操作、更加迅速和灵活地进行部署和重新配置，因此通常具有更高的成本效益，并且由于短距离视距(LoS)通信链路的可能性较高，因此可能具有更好的通信信道。

尽管无人机的技术变得越来越复杂，重量越来越轻，飞行时间越来越长，但无人机的能耗问题仍然是一个挑战。当使用无人机进行无线通信时，具有有限能量的无人机无法保证与地面终端进行长时间的数据传输。例如，无人机可以返回到电池充电或交换点补充能量，但这将导致服务的中断。无人机的这一特性严重阻碍了无人机通信的实际实施。

发明内容

发明目的：由于无人机在一次通信过程中携带的能量是有限的，所以如何有效的使用能量，最大化能量效率成为了主要的技术问题。

为解决该技术问题，本发明提出了一种无人机与多地面终端进行无线通信的轨迹生成方法，通过优化轨迹来降低无人机能耗。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出的技术方案为：

一种无人机与多个地面终端进行无线通信的轨迹优化方法，包括步骤：

(1)构建系统模型(假设无人机在三维环境中飞行，地面终端位于原点(0，0，0)处，更进一步，为了简化，假设无人机以固定高度H水平飞行)：

1)无人机的位置

q(t)＝[x(t)，y(t)]^T，0≤t≤T (1)

其中，T是无人机与地面终端通信总时间。

2)无人机与地面终端之间的距离为：

3)无人机到地面终端的信道功率增益为：

其中，β₀表示参考距离d₀＝1米(m)处的信道功率增益，其值取决于载波频率，天线增益等等。

4)无人机到地面终端的瞬时信道容量为：

其中，R(t)的单位是比特/秒，B表示信道带宽，σ²是地面终端接收器的白高斯噪声功率，P是无人机的发送功率，γ₀＝β₀P/σ²。

5)无人机在时间T内与地面终端数据通信总量为：

(2)构建无人机能量消耗模型，无人机的能量消耗包括两部分：与通信相关的能量消耗和动力能量消耗，由于第一部分能量消耗远小于第二部分，所以在此处忽略与通信相关的能量消耗：

其中，

表示无人机的瞬时速度与加速度向量，c₁和c₂是与无人机重量，机翼面积，空气密度等有关的两个参数，g是重力加速度值为9.8m/s²，m是无人机的质量，包括其所有有效载荷。

(3)通过循环求出最小能耗的转弯半径，对每个地面终端i分别执行步骤1)至6)，i＝1，2，...，n，n是地面终端总数。

1)定义k和t均为循环次数，初始化k为1，t为20；定义转弯半径r，初始化为无人机的最小转弯半径；初始化H、B、P、β₀、σ、c₁、c₂。

2)由转弯半径r可得无人机的飞行轨迹q(t)，无人机与地面终端i之间传输的数据量是固定的，由步骤(1)中的(5)式可获得无人机的飞行持续时间T。

3)计算无人机的瞬时速度与加速度：

4)由步骤(2)中的公式计算无人机的能量消耗记为E_k(q(t))。

5)k＝k+1，若满足k≤t，则r＝r+5，返回步骤2)，否则，执行步骤6)。

6)从E_k(q(t))，k＝1，2，...，20中选择能耗最小值，其对应的半径值r作为地面终端i的转弯半径。

有益效果：本发明可以通过优化飞行轨迹降低无人机通信过程中的能量消耗，提高能源效率。

附图说明

图1是无人机与一个地面终端通信时的两种直线飞行方式。

图2是无人机与一个地面终端通信时的多种飞行轨迹。

图3是本发明的原理流程图。

图4是无人机与四个地面终端通信时的飞行轨迹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1为无人机与一个地面终端通信时的两种直线飞行方式。轨迹1无人机从地面终端正上方飞行，此时两者之间距离较近，信道质量好，因此通信时间短，但轨迹长度长。因此轨迹1的飞行方式适合无人机与地面终端需要长时间通信的情况。轨迹2无人机从地面终端正上方的旁边飞行，相比于轨迹1，轨迹2中两者距离较远，数据传输速率不如轨迹1，但经实验证明，数据通信量一定时，轨迹2的飞行方式(即从旁路飞行)中存在能耗小于轨迹1飞行方式的路径。轨迹2的飞行方式适合无人机与地面终端不需要长时间通信的情况。

图2为无人机与一个地面终端通信时的多种飞行轨迹。由图1可知，当无人机与地面终端之间没有大量的数据需要传输时，选择轨迹2的旁路飞行方式可以减少无人机的飞行能耗。考虑到固定翼无人机的转弯特性，若采用直线飞行，在转弯时需先减速再加速，更加消耗能量，所以在本发明中无人机采用图2中的轨迹2所示的曲线飞行方式。不同的转弯半径，无人机完成通信要求所消耗的能量不同，选择能耗最小的曲线的半径作为无人机的转弯半径，具体步骤如下：

(1)定义k和t均为循环次数，初始化k为1，t为20，循环20次；如图2所示，在无人机进入地面终端通信范围的进入点处做一条切线，定义转弯半径大小r为进入点与切线上红色点之间的距离，以红色点为圆心，以r为半径大小作圆，得到无人机的飞行轨迹q(t)，如图2中的绿色虚线所示；初始化半径大小r为无人机的最小转弯半径；初始化H、B、P、β₀、σ、c₁、c₂。

(2)无人机与地面终端之间传输的数据量是固定的，由下式可获得无人机的飞行持续时间T。

(3)计算无人机的瞬时速度与加速度：

(4)由下式计算无人机的能量消耗记为E_k(q(t))。

(5)k＝k+1，若满足k≤t，则r＝r+5，返回步骤(2)，否则，执行步骤(6)。

(6)从E_k(q(t))，k＝1，2，...，20中选择能耗最小值，其对应的半径值r作为地面终端的转弯半径。

图3所示为本发明的原理流程图。具体步骤如下：

(1)构建系统模型(假设无人机在三维环境中飞行，地面终端位于原点(0，0，0)处，更进一步，为了简化，假设无人机以固定高度H水平飞行)：

1)无人机的位置

q(t)＝[x(t)，y(t)]^T，0≤t≤T (1)

其中，T是无人机与地面终端通信总时间。

2)无人机与地面终端之间的距离为：

3)无人机到地面终端的信道功率增益为：

其中，β₀表示参考距离d₀＝1米(m)处的信道功率增益，其值取决于载波频率，天线增益等等。

4)无人机到地面终端的瞬时信道容量为：

其中，R(t)的单位是比特/秒，B表示信道带宽，σ²是地面终端接收器的白高斯噪声功率，P是无人机的发送功率，γ₀＝β₀P/σ²。

5)无人机在时间T内与地面终端数据通信总量为：

(2)构建无人机能量消耗模型，无人机的能量消耗包括两部分：与通信相关的能量消耗和动力能量消耗，由于第一部分能量消耗远小于第二部分，所以在此处忽略与通信相关的能量消耗：

其中，

表示无人机的瞬时速度与加速度向量，c₁和c₂是与无人机重量，机翼面积，空气密度等有关的两个参数，g是重力加速度值为9.8m/s²，m是无人机的质量，包括其所有有效载荷。

(3)通过循环求出最小能耗的转弯半径，对每个地面终端i分别执行步骤1)至6)，i＝1，2，...，n，n是地面终端总数。

1)定义k和t均为循环次数，初始化k为1，t为20；定义转弯半径r，初始化为无人机的最小转弯半径；初始化H、B、P、β₀、σ、c₁、c₂。

2)由转弯半径r可得无人机的飞行轨迹q(t)，无人机与地面终端i之间传输的数据量是固定的，由步骤(1)中的(5)式可获得无人机的飞行持续时间T。

3)计算无人机的瞬时速度与加速度：

4)由步骤(2)中的公式计算无人机的能量消耗记为E_k(q(t))。

5)k＝k+1，若满足k≤t，则r＝r+5，返回步骤2)，否则，执行步骤6)。

6)从E_k(q(t))，k＝1，2，...，20中选择能耗最小值，其对应的半径值r作为地面终端i的转弯半径。

图4为无人机与4个地面终端进行通信时的飞行轨迹。每个地面终端传输的数据量要求不同，得到的最优转弯半径也不同，分别求出每个地面终端的转弯半径，按照预定的地面终端飞行顺序进行连接，便可得到无人机的飞行轨迹。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种无人机与多个地面终端进行无线通信的轨迹优化方法，其特征在于，包括步骤：

(1)假设无人机在三维环境中飞行，地面终端位于原点(0，0，0)处，更进一步，为了简化，假设无人机以固定高度H水平飞行，构建如下系统模型：

1)无人机的位置

q(t)＝[x(t)，y(t)]^T，0≤t≤T (1)

其中，T是无人机与地面终端通信总时间，由于假定无人机在固定高度上飞行，所以在计算无人机位置时暂不考虑无人机在Z轴上的坐标，x(t)和y(t)分别表示无人机在t时刻时在X轴和Y轴上的坐标；

2)无人机与地面终端之间的距离为：

其中，H表示无人机的飞行高度；

3)无人机到地面终端的信道功率增益为：

其中，β₀表示参考距离d₀＝1米(m)处的信道功率增益，其值取决于载波频率和天线增益；

4)无人机到地面终端的瞬时信道容量为：

其中，R(t)的单位是比特/秒，B表示信道带宽，σ²是地面终端接收器的白高斯噪声功率，P是无人机的发送功率，γ₀＝β₀P/σ²；

5)无人机在时间T内与地面终端数据通信总量为：

(2)构建无人机能量消耗模型，无人机的能量消耗包括两部分：与通信相关的能量消耗和动力能量消耗，由于第一部分能量消耗远小于第二部分，所以在此处忽略与通信相关的能量消耗：

其中，

表示无人机的瞬时速度与加速度向量，c₁和c₂是与无人机重量，机翼面积，空气密度，无人机外形有关的两个参数，g是重力加速度值为9.8m/s²，m是无人机的质量，包括其所有有效载荷；

(3)通过循环求出最小能耗的转弯半径，对每个地面终端i分别执行步骤1)至6)，i＝1，2，...，n，n是地面终端总数：

1)定义k和t均为循环次数，初始化k为1，t为20；定义转弯半径r，初始化为无人机的最小转弯半径；初始化H、B、P、β₀、σ、c₁、c₂；

2)由转弯半径r可得无人机的飞行轨迹q(t)，无人机与地面终端i之间传输的数据量是固定的，由步骤(1)中的(5)式可获得无人机的飞行持续时间T；

3)计算无人机的瞬时速度与加速度：

4)由步骤(2)中的公式计算无人机的能量消耗记为E_k(q(t))；

5)k＝k+1，若满足k≤t，则r＝r+5，返回步骤2)，否则，执行步骤6)；

6)从E_k(q(t))，k＝1，2，...，20中选择能耗最小值，其对应的半径值r作为地面终端i的转弯半径。

2.根据权利要求1所述的一种无人机与多个地面终端进行无线通信的轨迹优化方法，其特征在于，当所需传输数据量不多时，无人机可以选择旁路飞行而不是地面终端正上方，缩短路径长度，降低能耗。

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