CN111367315A - 一种应用于无人机收集信息的轨迹规划方法及装置 - Google Patents

一种应用于无人机收集信息的轨迹规划方法及装置 Download PDF

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CN111367315A CN202010167632.2A CN202010167632A CN111367315A CN 111367315 A CN111367315 A CN 111367315A CN 202010167632 A CN202010167632 A CN 202010167632A CN 111367315 A CN111367315 A CN 111367315A
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Abstract

本发明实施例提供了一种应用于无人机收集信息的轨迹规划方法及装置，该方法利用预设的无人机机翼的参数、无人机的重量和圆弧半径，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式，根据目标帕累托关系式，利用预设的飞行能量或预设的平均信息年龄，分别确定圆弧段对应的圆弧半径和直线段对应的圆弧半径；分别以信息采集点和信息收集点为圆心，利用所确定的任一个圆弧半径，生成飞行轨迹。应用本发明实施例提供的方案生成的飞行轨迹使得在保证无人机所使用的飞行能量的同时，还能够使收集信息的平均信息年龄具有时效性。

Description

一种应用于无人机收集信息的轨迹规划方法及装置
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，特别是涉及一种应用于无人机收集信息的轨迹规划方法及装置。
背景技术
近年来物联网技术得到了广泛关注和深入发展，在智能物流、智能医疗和智能工农业等领域得到了快速地应用。其中，基于物联网感知层的无线传感器网络技术是实现物联网各种功能的底层关键技术，受到专家学者的广泛重视。
现有技术中，上述无线传感器网络技术所对应的无线传感器网络中包括：在地面上分布的作为信息采集点的传感器节点、无人机和作为信息收集点的基站。其中，无人机与传感器节点通信连接，且无人机和基站通信连接。
基于上述无线传感器网络，现有技术通常是按照如下方式生成飞行轨迹进行收集信息的，具体为：
无人机根据预设的飞行模式、收集信息的收集点的位置和采集信息的采集点的位置，构建了地面节点的传输能量与无人机所使用的飞行能量的关系式，并生成使得无人机飞行所使用的飞行能量达到最小的飞行轨迹，其中，上述地面节点包括采集点和收集点。
然而，现有技术虽然能够使得传输能量与飞行能量均达到最优，但由于信息均具有时效性，使用上述方法生成的飞行轨迹，并不能保证收集到的信息是否新鲜。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种应用于无人机收集信息的轨迹规划方法，以在保证无人机所使用的飞行能量的同时，还能够使收集信息的平均信息年龄具有时效性。
第一方面，本发明实施例提供一种应用于无人机收集信息的轨迹规划方法，应用于无人机，所述方法包括：
利用预设的无人机机翼的参数、无人机的重量和圆弧半径，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式，其中，所述目标帕累托关系式为所述无人机所用飞行能量和收集信息的平均信息年龄之间的关系式；所述飞行轨迹为由两段直线段和两段圆弧段均以等同且相对放置的方式形成的圆环，且两段所述圆弧段的圆心相对，并分别为信息采集点和信息收集点，所述预设约束条件包括以下条件：
所述无人机的飞行速度处于预设的飞行速度区间；所述圆弧段的直径大于或等于由所述无人机机翼的参数、所述无人机的重量和所述半径确定的最小半径；所述飞行功率处于预设的飞行功率区间；
根据所述目标帕累托关系式，在所述无人机机翼的参数、无人机的重量确定的情况下，利用预设的飞行能量或预设的平均信息年龄，分别确定所述圆弧段对应的圆弧半径和所述直线段对应的圆弧半径；
分别以所述信息采集点和所述信息收集点为圆心，利用所确定的任一个圆弧半径，生成飞行轨迹。
本发明的一个实施例中，在所述生成飞行轨迹之后，所述方法还包括：
根据所确定的圆弧半径，利用所述圆弧半径与飞行速度之间的关系，获得所述飞行速度；
以所述飞行速度飞行，沿着所述飞行轨迹，在预设的任务时间内，实时收集所述信息采集点的信息并同时向所述信息收集点发送采集到的信息。
本发明的一个实施例中，所述利用预设的无人机机翼的参数、无人机的重量和圆弧半径，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式，包括：
以所述无人机机翼的参数以及重量为参数，按照以下表达式，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式：
Figure BDA0002408014020000021
Figure BDA0002408014020000022
Figure BDA0002408014020000031
Figure BDA0002408014020000032
pmax≥p≥pmin，
Figure BDA0002408014020000033
vmax≥vc(rc)≥vmin，vmax≥vs(rs)≥vmin，
其中，A(·)为平均信息年龄函数，Ai(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段中继第i个数据包的消耗时间，Ai+1(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段中继第i+1个数据包的消耗时间，B(·)为无人机中继信息的平均信息年龄函数，Bi(·)为无人机在飞行轨迹直线段中继第i个数据包的时间，Bi+1(·)为无人机在飞行轨迹直线段中继第i+1个数据包的时间，i为无人机中继数据包的序号，N为无人机中继数据包总数，T为中继时间，
Figure BDA0002408014020000034
为无人机沿着飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径生成的飞行轨迹飞行一圈的能量消耗函数，
Figure BDA0002408014020000035
为无人机沿着飞行轨迹直线段对应的圆弧半径生成的飞行轨迹一圈的能量消耗函数，rs为无人机在飞行轨迹直线段对应的圆弧半径，rc为无人机在飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径，vc(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段时的飞行速度函数，vs(·)为无人机在飞行轨迹直线段时的飞行速度函数，c1为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第一飞行参数，
Figure BDA0002408014020000036
g为重力加速度，
Figure BDA0002408014020000038
为零升力阻力系数，S为无人机机翼面积，c2为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第二飞行参数，
Figure BDA0002408014020000037
W为无人机的重力，ΑR为无人机机翼的展弦比，e0为奥斯瓦尔德效率，pmax为无人机所使用的最大的飞行功率，p为无人机所使用的飞行功率，pmin为无人机所使用的最小的飞行功率，d为信息收集点和信息采集点之间的距离，vmin为无人机最小的飞行速度；vmax为无人机最大的飞行速度。
本发明的一个实施例中，所述根据所确定的圆弧半径，利用所述圆弧半径与飞行速度之间的关系，获得所述飞行速度，包括：
根据所确定的圆弧半径，利用所述圆弧半径与飞行速度之间的关系，获得所述飞行速度：
所述表达式为：
Figure BDA0002408014020000041
或，
Figure BDA0002408014020000042
其中，vc(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段时的飞行速度函数，vs(·)为无人机在飞行轨迹直线段时的飞行速度函数，rs为无人机在飞行轨迹直线段对应的圆弧半径，rc为无人机在飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径，c1为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第一飞行参数，
Figure BDA0002408014020000043
g为重力加速度，
Figure BDA0002408014020000044
为零升力阻力系数，S为无人机机翼面积，c2为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第二飞行参数，
Figure BDA0002408014020000045
W为无人机的重力，ΑR为无人机机翼的展弦比，e0为奥斯瓦尔德效率。
第二方面，本发明实施例提供一种应用于无人机收集信息的轨迹规划装置，应用于无人机，所述装置包括：
关系式构建模块，用于利用预设的无人机机翼的参数、无人机的重量和圆弧半径，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式，其中，所述目标帕累托关系式为所述无人机所用飞行能量和收集信息的平均信息年龄之间的关系式；所述飞行轨迹为由两段直线段和两段圆弧段均以等同且相对放置的方式形成的圆环，且两段所述圆弧段的圆心相对，并分别为信息采集点和信息收集点，所述预设约束条件包括以下条件：
所述无人机的飞行速度处于预设的飞行速度区间；所述圆弧段的直径大于或等于由所述无人机机翼的参数、所述无人机的重量和所述半径确定的最小半径；所述飞行功率处于预设的飞行功率区间；
圆弧半径确定模块，用于根据所述目标帕累托关系式，在所述无人机机翼的参数、无人机的重量确定的情况下，利用预设的飞行能量或预设的平均信息年龄，分别确定所述圆弧段对应的圆弧半径和所述直线段对应的圆弧半径；
飞行轨迹生成模块，用于分别以所述信息采集点和所述信息收集点为圆心，利用所确定的任一个圆弧半径，生成飞行轨迹。
本发明的一个实施例中，所述装置还包括：
飞行速度获得模块，用于根据所确定的圆弧半径，利用所述圆弧半径与飞行速度之间的关系，获得所述飞行速度；
信息收集模块，用于以所述飞行速度飞行，沿着所述飞行轨迹，在预设的任务时间内，实时收集所述信息采集点的信息并同时向所述信息收集点发送采集到的信息。
本发明的一个实施例中，所述关系式构建模块，包括：
关系式构建子模块，用于以所述无人机机翼的参数以及重量为参数，按照以下表达式，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式：
Figure BDA0002408014020000051
Figure BDA0002408014020000052
Figure BDA0002408014020000053
Figure BDA0002408014020000054
pmax≥p≥pmin，
Figure BDA0002408014020000061
vmax≥vc(rc)≥vmin，vmax≥vs(rs)≥vmin，
其中，A(·)为平均信息年龄函数，Ai(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段中继第i个数据包的消耗时间，Ai+1(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段中继第i+1个数据包的消耗时间，B(·)为无人机中继信息的平均信息年龄函数，Bi(·)为无人机在飞行轨迹直线段中继第i个数据包的时间，Bi+1(·)为无人机在飞行轨迹直线段中继第i+1个数据包的时间，i为无人机中继数据包的序号，N为无人机中继数据包总数，T为中继时间，
Figure BDA0002408014020000062
为无人机沿着飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径生成的飞行轨迹飞行一圈的能量消耗函数，
Figure BDA0002408014020000063
为无人机沿着飞行轨迹直线段对应的圆弧半径生成的飞行轨迹一圈的能量消耗函数，rs为无人机在飞行轨迹直线段对应的圆弧半径，rc为无人机在飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径，vc(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段时的飞行速度函数，vs(·)为无人机在飞行轨迹直线段时的飞行速度函数，c1为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第一飞行参数，
Figure BDA0002408014020000064
g为重力加速度，
Figure BDA0002408014020000065
为零升力阻力系数，S为无人机机翼面积，c2为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第二飞行参数，
Figure BDA0002408014020000066
W为无人机的重力，ΑR为无人机机翼的展弦比，e0为奥斯瓦尔德效率，pmax为无人机所使用的最大的飞行功率，p为无人机所使用的飞行功率，pmin为无人机所使用的最小的飞行功率，d为信息收集点和信息采集点之间的距离，vmin为无人机最小的飞行速度；vmax为无人机最大的飞行速度。
本发明的一个实施例中，所述飞行速度获得模块，包括：
飞行速度获得子模块，用于根据所确定的圆弧半径，利用所述圆弧半径与飞行速度之间的关系，获得所述飞行速度：
所述表达式为：
Figure BDA0002408014020000071
或，
Figure BDA0002408014020000072
其中，vc(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段时的飞行速度函数，vs(·)为无人机在飞行轨迹直线段时的飞行速度函数，rs为无人机在飞行轨迹直线段对应的圆弧半径，rc为无人机在飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径，c1为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第一飞行参数，
Figure BDA0002408014020000073
g为重力加速度，
Figure BDA0002408014020000074
为零升力阻力系数，S为无人机机翼面积，c2为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第二飞行参数，
Figure BDA0002408014020000075
W为无人机的重力，ΑR为无人机机翼的展弦比，e0为奥斯瓦尔德效率。
第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，所述处理器、所述通信接口、所述存储器通过所述通信总线完成相互间的通信；
所述存储器，用于存放计算机程序；
所述处理器，用于执行所述存储器上所存放的程序时，实现上述任一所述的应用于无人机收集信息的轨迹规划的步骤。
第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述任一所述的应用于无人机收集信息的轨迹规划方法。
本发明实施例再提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述任一所述的应用于无人机收集信息的轨迹规划方法。
本发明实施例提供一种应用于无人机收集信息的轨迹规划方法及装置，该方法利用预设的无人机机翼的参数、无人机的重量和圆弧半径，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式，根据目标帕累托关系式，利用预设的飞行能量或预设的平均信息年龄，分别确定圆弧段对应的圆弧半径和直线段对应的圆弧半径；分别以信息采集点和信息收集点为圆心，利用所确定的任一个圆弧半径，生成飞行轨迹。相对于现有技术而言，应用本发明实施例提供的方案生成飞行轨迹时，不仅考虑了在无人机收集信息时对无人机自身所使用飞行能量的影响，还考虑了所收集信息的平均信息年龄的时效，这样生成的飞行轨迹使得在保证无人机所使用的飞行能量的同时，还能够使收集信息的平均信息年龄具有时效性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例提供的一种应用于无人机收集信息的轨迹规划方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种预设的飞行轨迹的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种圆形轨迹的示意图；
图4为本发明实施例提供的所收集信息的信息年龄的示意图；
图5为本发明实施例提供的无人机的飞行能量与平均信息年龄的关系仿真图；
图6为本发明实施例提供的直线轨迹下的飞行能量与平均信息年龄的关系仿真图；
图7为本发明实施例提供的地面节点距离与平均信息年龄的仿真图；
图8为本发明实施例提供的一种应用于无人机收集信息的轨迹规划装置的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。
如果对某一种方案而言，存在着一种调整策略，使得原方案经过调整后，能让至少某一方受益的同时不让任何其他受到损失，那么这种调整策略就称为帕累托改进。简单说，针对多方利益而言，帕累托改进就是在每一方利益均不降低的前提下，让某些方的利益变得更好。也就是说，如果对于某种分配方案，再也找不到任何的帕累托改进的余地，就可以说这个方案达到了帕累托最优。这就意味着，帕累托最优的局面是所有方都满意的、且对整体有利的方案。在这种情形下，如果某些方还想增加自身的利益，就只能损害其他方的利益为代价。
基于上述对帕累托关系的描述，本发明实施例提供种应用于无人机收集信息的轨迹规划方法，以使无人机所使用的飞行能量以及收集信息的平均信息年龄均达到帕累托最优，具体的实施方式见如下各个实施例。
参见图1，图1为本发明实施例提供的一种应用于无人机收集信息的轨迹规划方法的流程示意图，应用于无线传感器网络中的无人机，所述方法包括：
S101，利用预设的无人机机翼的参数、无人机的重量和圆弧半径，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式，其中，所述目标帕累托关系式为所述无人机所用飞行能量和收集信息的平均信息年龄之间的关系式；所述飞行轨迹为由两段直线段和两段圆弧段均以等同且相对放置的方式形成的圆环，且两段所述圆弧段的圆心相对，并分别为信息采集点和信息收集点，所述预设约束条件包括以下条件：
所述无人机的飞行速度处于预设的飞行速度区间；所述圆弧段的直径大于或等于由所述无人机机翼的参数、所述无人机的重量和所述半径确定的最小半径；所述飞行功率处于预设的飞行功率区间；
其中，无人机机翼的参数可以包括零升力阻力系数、无人机机翼面积、无人机机翼的展弦比和奥斯瓦尔德效率。
奥斯瓦尔德效率也可以为翼展效率。
信息采集点为在地面上分布的任一个传感器节点，信息收集点为基站，二者均为地面节点。
鉴于在直线轨迹中，无人机会在采集点和信息收集点之间以直线进行飞行。但是对于滑翔翼无人机而言，滑翔翼无人机是无法直接掉头飞回。基于此，为了使得该生成的飞行轨迹适应性广，本实施例的飞行轨迹如图2所示，也就是，以一个半圆弧形飞回掉头返回继续以直线进行中继信息。由此可见，由于采集点和信息收集点的位置均是确定的，则表明该飞行轨迹中直线段的长度是确定的，但该圆弧段半径是需要确定的，另外，当圆弧段半径比较小时，无人机距离信息采集点和信息收集点的距离会均相对较小，无人机所消耗的飞行能量会比较大，而此时收集的信息年龄小。而当圆弧段半径比较大时，无人机距离信息采集点和信息收集点的距离会均相对较大，且在相同时间内，无人机所消耗的飞行能量相对会较小，但此时收集的信息年龄会稍微增大。因此，本实施例构建的目标帕累托关系式均是以圆弧段半径为变量构建的关系式。
上述飞行轨迹如图2所示，具体为：一个含有2个地面节点的网络场景，该2个地面节点分别为数据传输节点的信息采集点S，和，数据接收节点的信息收集点D。在该网络中，无人机沿着如图2所示的飞行轨迹即圆弧AB-直线BN-圆弧NM-直线MA构成的圆环飞行，实时收集S处的信息，同时，并向D处发送收集到的信息。在这个收集信息过程中，本实施例将收集信息的平均信息年龄与无人机的飞行能量均达到帕累托最优。
上述飞行速度区间为无人机的飞行速度处于预设的最高飞行速度和最低飞行速度之间。
上述飞行功率区间为无人机的飞行功率处于预设的最高飞行功率和最低飞行功率之间。
另外，本步骤构建两个目标帕累托关系式，一个是以圆弧段对应的目标帕累托关系式，另一个是以直线段对应的目标帕累托关系式。
S102，根据所述目标帕累托关系式，在所述无人机机翼的参数、无人机的重量确定的情况下，利用预设的飞行能量或预设的平均信息年龄，分别确定所述圆弧段对应的圆弧半径和所述直线段对应的圆弧半径。
在S101构建目标帕累托关系式后，飞行能量和平均信息年龄达到一种帕累托关系式，当飞行能量确定后，则根据目标帕累托关系式，便可在不损害飞行能量和平均信息年龄的情况下，确定出平均信息年龄。同理，当收集信息的平均信息年龄确定后，则根据目标帕累托关系式，便可在不损害飞行能量和平均信息年龄的情况下，确定出无人机所用的飞行能量。
根据S01对目标帕累托关系式的描述可知，目标帕累托关系式的参量为预设的无人机机翼的参数、无人机的重量和圆弧半径，在无人机机翼的参数、无人机的重量均已知的情况下，当飞行能量或平均信息年龄确定时，便可以获得本步骤的圆弧半径。
另外，鉴于S101获得的目标帕累托关系式分别为圆弧段对应的目标帕累托关系式和直线段对应的目标帕累托关系式，因此，本步骤根据上述两个目标目标帕累托关系式，确定出所述圆弧段对应的圆弧半径和所述直线段对应的圆弧半径。
S103，分别以所述信息采集点和所述信息收集点为圆心，利用所确定的任一个圆弧半径，生成飞行轨迹。
本实施例生成的飞行轨迹为分别以信息采集点和信息收集点为圆心，S102获得的半径为半径，形成如图2所示的轨迹。
无人机按照S101生成的飞行轨迹，可以在所用飞行能量和收集信息的平均信息年龄均达到最小的情况下，完成收集信息。
本步骤以所述飞行速度飞行，沿着S01飞行轨迹，实时收集所述节点的信息并将信息发送到收集点后，继续收集采集点的信息，再重复发送到接收点，直到无人机在整个中继任务过程中的中继时间T。
由此可见，本发明实施例提供的方法利用预设的无人机机翼的参数、无人机的重量和圆弧半径，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式，根据目标帕累托关系式，利用预设的飞行能量或预设的平均信息年龄，分别确定圆弧段对应的圆弧半径和直线段对应的圆弧半径；分别以信息采集点和信息收集点为圆心，利用所确定的任一个圆弧半径，生成飞行轨迹。相对于现有技术而言，应用本发明实施例提供的方案生成飞行轨迹时，不仅考虑了在无人机收集信息时对无人机自身所使用飞行能量的影响，还考虑了所收集信息的平均信息年龄的时效，这样生成的飞行轨迹使得在保证无人机所使用的飞行能量的同时，还能够使收集信息的平均信息年龄具有时效性。
本发明的一种实施例中，S101的具体实现方式包括：
以所述无人机机翼的参数以及重量为参数，按照以下表达式，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式：
Figure BDA0002408014020000111
Figure BDA0002408014020000112
Figure BDA0002408014020000121
Figure BDA0002408014020000122
pmax≥p≥pmin，
Figure BDA0002408014020000123
vmax≥vc(rc)≥vmin，vmax≥vs(rs)≥vmin，
其中，A(·)为平均信息年龄函数，Ai(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段中继第i个数据包的消耗时间，Ai+1(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段中继第i+1个数据包的消耗时间，B(·)为无人机中继信息的平均信息年龄函数，Bi(·)为无人机在飞行轨迹直线段中继第i个数据包的时间，Bi+1(·)为无人机在飞行轨迹直线段中继第i+1个数据包的时间，i为无人机中继数据包的序号，N为无人机中继数据包总数，T为中继时间，
Figure BDA0002408014020000124
为无人机沿着飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径生成的飞行轨迹飞行一圈的能量消耗函数，
Figure BDA0002408014020000125
为无人机沿着飞行轨迹直线段对应的圆弧半径生成的飞行轨迹一圈的能量消耗函数，rs为无人机在飞行轨迹直线段对应的圆弧半径，rc为无人机在飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径，vc(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段时的飞行速度函数，vs(·)为无人机在飞行轨迹直线段时的飞行速度函数，c1为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第一飞行参数，
Figure BDA0002408014020000126
g为重力加速度，
Figure BDA0002408014020000128
为零升力阻力系数，S为无人机机翼面积，c2为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第二飞行参数，
Figure BDA0002408014020000127
W为无人机的重力，ΑR为无人机机翼的展弦比，e0为奥斯瓦尔德效率，pmax为无人机所使用的最大的飞行功率，p为无人机所使用的飞行功率，pmin为无人机所使用的最小的飞行功率，d为信息收集点和信息采集点之间的距离，vmin为无人机最小的飞行速度；vmax为无人机最大的飞行速度。
本步骤的具体实现过程如下：
构建如图2所示的飞行轨迹中的圆弧段对应的目标帕累托关系式：如图3所示，假设信息采集点为S，信息收集点为D，二者之间的距离为d。以S为原点，以线段SD为水平轴建立如图2所示的空间坐标系，无人机的飞行高度是H。则无人机飞行过程中以圆心(d/2,0,H)，rc为无人机在飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径，无人机飞行一圈的时间为t′，假设无人机需要实时中继时间T的信息，且T>>t′。则可建立如下无人机的飞行功率p与飞行轨迹中圆弧段半径以及飞行速度的关系式：
Figure BDA0002408014020000131
其中，p(rc,vc)为表示与圆弧半径rc和在圆弧段对应的飞行速度vc相关的飞行功率。
由于无人机以圆形轨迹进行飞行时，无人机的速度会影响无人机的能量消耗和通信吞吐量，基于此，建立无人机在圆弧段对应的飞行速度和半径之间的关系式，则有：
Figure BDA0002408014020000132
则基于公式(1)和(2)，以及无人机在实际情况下总时间的飞行功率P，P＝E/T，可得rc的公式：
Figure BDA0002408014020000133
其中，E为无人机在任务过程中的总的可用的飞行能量，T为无人机在整个中继任务过程中的中继时间。
另外，由于假设无人机的飞行任务时间远大于无人机飞行一圈消耗时间。则假设在整个中继时间T内，无人机一共中继了N个信息，并且无人机中继的是同一个信息，则无人机收集信息的信息年龄在没有新消息收到时会一直增长，如图4所示，图4中的A1、A2、A3、A4、A5、……、AN-2、AN-1和AN分别为采集第1个数据包、第2个数据包、第3个数据包、第4个数据包、第5个数据包、……、第N-2个数据包、第N-1个数据包和第N个数据包的信息年龄。其中，
针对收集信息的平均信息年龄A为：
Figure BDA0002408014020000141
其中，ti,1为无人机从信息采集点采集第i个数据包的消耗时间，
Figure BDA0002408014020000142
ti,2为在假设信息不会在无人机处停留的情况下，无人机直接向信息收集点发送采集到的第i个数据包的消耗时间，H为无人机的飞行高度，
Figure BDA0002408014020000143
ti+1,1为无人机从信息采集点采集第i+1个数据包的消耗时间，ti+1,2为在假设信息不会在无人机处停留的情况下，无人机直接向信息收集点发送采集到的第i+1个数据包的消耗时间，p0为信息采集点S的飞行功率，p1为无人机传送信息的功率，Q为信息采集点监测地面产生的信息量，β为预设的参考信噪比，θi,1为无人机在收集第i个数据包时相对于初始位置飞过的角度，
Figure BDA0002408014020000144
θi,2为无人机在发送第i个数据包时相对于初始位置飞过的角度，
Figure BDA0002408014020000145
T0为无人机飞行一圈的时间，
Figure BDA0002408014020000146
W1为采集点S与无人机通信带宽，W2为无人机与节点D的通信带宽，tj,1为无人机从采集点S收集第j个数据包的时间，tj,2为无人机将第j个数据包发送到节点D的时间。
令无人机中继第i个数据包收集时间与发送时间为Ai，Ai＝ti,1+ti,2，则将公式(4)简化为公式(5)，具体为：
Figure BDA0002408014020000151
鉴于
Figure BDA0002408014020000152
Figure BDA0002408014020000153
为无人机收集第N个数据包与发送第N个数据包的时间和，则可得到
Figure BDA0002408014020000154
另外，根据(2)和公式(3)，可获得:
Figure BDA0002408014020000155
基于上述公式，构建的圆弧段对应的目标帕累托关系式为：
Figure BDA0002408014020000156
构建如图2所示的飞行轨迹中的直线段对应的目标帕累托关系式：无人机以图2在信息采集点即传感器节点与信息收集点即基站节点之间以直线轨迹飞行。
通常收集信息所采用的无人机分为两种形式，一种形式为悬停翼无人机，该悬停翼无人机的功率在大部分情况下处于不变，另一种形式为滑翔翼无人机，本申请实施例采用的是滑翔翼无人机。该滑翔翼无人机的功率是与无人机的机翼面积、无人机的速度、加速度以及半径有关。基于上述对无人机的飞行功率的描述可知，与无人机有关系的参量为无人机的速度以及加速度。一般无人机在直线段的飞行状态下，它的加速度以及半径均为0；因此，无人机的飞行功率p为：
Figure BDA0002408014020000157
基于滑翔翼无人机在直线轨迹飞行时无法直接掉头飞回。本申请使无人机以一个半圆弧形飞回头返回继续以直线进行中继信息。基于与上述对飞行轨迹的描述同样的原因，本步骤需要以圆弧段半径为变量构建直线段对应的目标帕累托关系式。
基于公式(3)，可以得到飞行速度与半径之间的最优关系，也就是，使无人机在圆弧段轨迹下的飞行能量消耗最小，此时关系为：
Figure BDA0002408014020000161
因此，需要设计使无人机的能量消耗最小的轨迹下，需要满足这些条件。具体实现方式为：首先，确定与无人机在飞行一圈下无人机所消耗的最小的飞行能量相关的参数以及飞行状态。由于无人机在圆弧段下飞行所消耗最小的飞行能量下，无人机的飞行速度与半径同样需要达到公式(7)的关系，因此，根据公式(7)可以得到无人机在圆弧段下飞行所消耗最小的飞行能量。
将公式(6)以及时间代入到如下公式(8)中，可获知：当无人机的飞行半径越小时，无人机在圆形弧段轨迹飞行时，能量消耗最小。同时，基于确定出的无人机的飞行功率的上限，根据所确定的飞行功率的上限，获得飞行功率的下限所对应的半径。因此，在得到无人机的最小飞行能量时的半径和速度后，基于公式(6)，在无人机的飞行速度允许范围内，无人机直线飞行中，无人机的飞行速度越小，无人机消耗的飞行能量也越小。
基于上述描述，假设无人机在飞行一圈消耗的飞行能量为：
Figure BDA0002408014020000162
对公式(8)进行简化，得到如下公式(9)：
Figure BDA0002408014020000163
为了尽量减小无人机的飞行能量消耗，可以找到无人机在飞行一圈的平均功率p3为：
Figure BDA0002408014020000164
其中，t0为无人机飞行一圈的时间，E0为无人机在直线轨迹下飞行一圈的消耗能量。
通过上面的分析得知无人机飞行一圈的时间t0为：
Figure BDA0002408014020000171
其中，rs为无人机在两个圆弧段的圆弧半径，d为信息采集点和信息收集点之间的距离，vs(rs)为无人机在直线段的飞行速度。
根据已知的无人机的机载能量以及无人机的任务时间，假设无人机的平均飞行功率为p3，无人机在任务过程中的总的可用的飞行能量为E，无人机在整个中继任务过程中的中继时间为T，则有：E＝p3T。
定义如下的无人机的飞行位置，具体为：Ii表示无人机是否在直线段飞行，且当Ii＝1,表示无人机在直线段飞行，当Ii＝0,表示无人机不在直线段飞行。Ii,1表示无人机与节点S通信时，无人机是否在直线段飞行，且当Ii,1＝1,表示无人机与节点S通信时，无人机在直线段飞行，当Ii,1＝0,表示无人机与节点S通信时，无人机不在直线段飞行。Ii,2表示无人机与节点D通信时，无人机是否在直线段飞行，且当Ii,2＝1，表示无人机与节点D通信时，无人机是否在直线段飞行，当Ii,2＝1，表示无人机与节点D通信时，无人机不在直线段飞行。Ki表示无人机是否在半圆弧段飞行，且当Ki＝1，表示无人机在图2中右半圆弧段MN飞行，当Ki＝0，表示无人机在图2中左半圆弧段AB飞行。Ki,1表示无人机与节点S通信时，无人机在左半圆弧段或是右半圆弧段飞行，且当Ki,1＝1，表示无人机与节点S通信时，无人机在右半圆弧段MN飞行，当Ki,1＝0，表示无人机与节点S通信时，无人机在图2中左半圆弧段AB飞行。Ki,2表示无人机与节点D通信时，无人机在图2中左半圆弧段或是右半圆弧段飞行，且当Ki,2＝1，表示无人机与节点D通信时，无人机在图2中右半圆弧段MN飞行，当Ki,2＝0，表示无人机与节点D通信时，无人机在图2中左半圆弧段AB飞行。其中，Ii＝1,Ii,1＝1,Ii,2＝1，表示无人机在直线段飞行，Ii＝0，Ii,1＝0，Ii,2＝0表示无人机在圆弧段飞行，Ki＝0，Ki,1＝0，Ki,2＝0，表示无人机在左半圆弧段飞行，Ki＝1，Ki,1＝1，Ki,2＝1表示无人机在右半圆弧段飞行。
因为无人机在飞行轨迹中的不同位置飞行时，无人机与两个地面节之间的的距离不同，因此，通信信道的质量也会不同，这样，最终造成无人机的中继信息的速率就不同。基于此，需要考虑无人机在不同飞行位置下的飞行状况。其中，在直线段，无人机与信息采集点S之间的距离
Figure BDA0002408014020000172
为：
Figure BDA0002408014020000181
其中，
Figure BDA0002408014020000182
为无人机在直线轨迹下的飞行速度矢量，xi为无人机在收集第i个数据包时与图2中线段AB之间的距离，t为无人机收集第i个数据包时的时刻，而无人机与信息收集点D之间的距离
Figure BDA0002408014020000183
为：
Figure BDA0002408014020000184
同样，无人机在图2中左半圆弧段AB飞行时，无人机与信息采集点之间的距离
Figure BDA0002408014020000185
为：
Figure BDA0002408014020000186
而无人机与信息收集点之间的距离
Figure BDA0002408014020000187
为：
Figure BDA0002408014020000188
其中，θ是无人机在半圆弧段处飞过的角度。由于
Figure BDA0002408014020000189
所以无人机与信息收集点之间的距离可以简化为：
Figure BDA00024080140200001810
同样，可以分别得到无人机在右半圆弧段MN飞行时，无人机分别与信息采集点S之间的距离
Figure BDA00024080140200001811
和无人机与信息收集点D之间的距离
Figure BDA00024080140200001812
为：
Figure BDA00024080140200001813
Figure BDA00024080140200001814
基于无人机在直线段到两个地面节点的距离，获得无人机在直线区域的中继的信息量Q(t)为：
Figure BDA00024080140200001815
其中，
Figure BDA00024080140200001816
表示无人机分别与信息采集点和信息收集点之间的距离，
Figure BDA00024080140200001817
γ0为参考信噪比，W表示通信带宽，p表示通信功率。假设无人机在直线段收集地面节点的第i个数据包所用的时间为
Figure BDA00024080140200001818
无人机向信息收集点发送第i个数据包的时间为
Figure BDA00024080140200001819
则有无人机中继的第i个信息包的信息量Q：
Figure BDA00024080140200001820
Figure BDA0002408014020000191
可以通过一维搜索求解得到
Figure BDA0002408014020000192
和
Figure BDA0002408014020000193
得到无人机以圆弧段轨迹飞行时，无人机在圆弧段飞行时，无人机到信息采集点S的距离d1，与，无人机在圆弧段飞行时，无人机到基站节点D的距离d2分别为：
Figure BDA0002408014020000194
Figure BDA0002408014020000195
无人机在中继第i个数据包时，无人机处于圆弧段时中继一个数据包的消耗时间分别为：
Figure BDA0002408014020000196
Figure BDA0002408014020000197
其中，
Figure BDA0002408014020000198
表示无人机在左半圆弧时中继一个数据包的消耗时间，
Figure BDA0002408014020000199
表示无人机在右半圆弧时中继一个数据包的消耗时间，p0表示采集点S的发射功率，p1表示无人机的信息发射功率。
Ki表示无人机在半圆弧的飞行情况，其中，Ki＝0表示无人机在左半圆弧飞行,Ki＝1表示在无人机右半圆弧飞行。
Figure BDA00024080140200001910
表示无人机在左半圆弧段AB飞行时，无人机与信息采集点S之间的距离。
Figure BDA00024080140200001911
表示无人机在右半圆弧段MN飞行时，无人机到信息采集点S之间的距离。
无人机中继一个信息的时间包括无人机从信息采集点收集信息的时间以及无人机向信息收集点发送信息的时间，记为Bi，基于上述公式，进而得到无人机中继信息的平均信息年龄B为：
Figure BDA00024080140200001912
Figure BDA00024080140200001913
基于AN＜＜T，上述公式简化为：
Figure BDA0002408014020000201
最终，基于上述描述，得到无人机在飞行轨迹中直线段对应的目标帕累托关系式为：
Figure BDA0002408014020000202
Figure BDA0002408014020000203
可见，本发明实施例以所述无人机机翼的参数以及重量为参数，按照以下表达式，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式，能够快速、准确地确定目标帕累托关系式，使得能够保证无人机所使用的飞行能量的同时，还能够使收集信息的平均信息年龄具有时效性。
本发明的一种实施例中，S102的具体实现方式可以包括如下步骤：
根据所确定的圆弧半径，利用所述圆弧半径与飞行速度之间的关系，获得所述飞行速度：
所述表达式为：
Figure BDA0002408014020000204
或，
Figure BDA0002408014020000205
其中，vc(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段时的飞行速度函数，vs(·)为无人机在飞行轨迹直线段时的飞行速度函数，rs为无人机在飞行轨迹直线段对应的圆弧半径，rc为无人机在飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径，c1为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第一飞行参数，
Figure BDA0002408014020000206
g为重力加速度，
Figure BDA0002408014020000207
为零升力阻力系数，S为无人机机翼面积，c2为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第二飞行参数，
Figure BDA0002408014020000208
W为无人机的重力，ΑR为无人机机翼的展弦比，e0为奥斯瓦尔德效率。
其中，奥斯瓦尔德效率也可以叫，取值可以介于[0.7,0.85]。
根据上述对目标帕累托关系式确定的过程中，确定的圆弧半径与无人机在直线段的飞行速度的关系式，或，确定的圆弧半径与无人机在圆弧段的飞行速度的关系式，在圆弧段对应的圆弧半径，或，直线段对应的圆弧半径分别确定的情况下，便可以获得与其对应的飞行速度。
可见，本发明实施例通过根据所确定的圆弧半径，利用圆弧半径与飞行速度之间的关系，能够快速、准确地获得飞行速度，同时，通过上述表达式确定的飞行速度，也能够降低处理器的计算资源。
本发明的一个实施例中，在S103的具体实现方式可以包括步骤A～步骤B：
步骤A，根据所确定的圆弧半径，利用所述圆弧半径与飞行速度之间的关系，获得所述飞行速度；
首先随机给定无人机收集各个传感器节点的顺序，以便将原始问题中既寻求最佳飞行轨迹又寻求最佳飞行状态简化为仅寻求最佳飞行状态的问题。
步骤B，以所述飞行速度飞行，沿着所述飞行轨迹，在预设的任务时间内，实时收集所述信息采集点的信息并同时向所述信息收集点发送采集到的信息。
可见，本发明实施例的方法通过随机设定初始飞行轨迹，并利用传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和设定的初始飞行轨迹，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行状态，并再次利用传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和得到的飞行状态，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹，相对于解决上述涉及的优化问题而言，本发明实施例提供的方法更加简便，且能够提高信息收集效率。
基于上述实施例，与现有技术相比，如图5～7所示，图5～6中设有实心圆圈的实线表示地面节点S与D之间的距离为100m时，无人机在T时间内中继信息的平均信息年龄与无人机的总飞行能量之间的变化曲线；设有实心圆圈的虚线表示距离为300m时，无人机在T时间内中继信息的平均信息年龄与无人机的总飞行能量之间的变化曲线；设有短线段的实线表示距离为500m时，无人机在T时间内中继信息的平均信息年龄与无人机的总飞行能量之间的变化曲线；图7中设有“*”的实线表示圆弧轨迹，设有小实心圆圈的实线表示直线轨迹。具体示例如下：
现设有一个无人机无线传感器网络，该网络包括一个基站即信息收集点、一个无人机和一个传感器节点即信息采集点，其中，信息采集点与信息收集点之间的距离位于100m～1000m之间。无人机的飞行高度H设置为100米，该网络系统带宽设置为B＝20kHz，传输距离1m处的参考SNR设置为β＝80dB。无人机的最低速度设置为10m/s，无人机的最大速度设置为20m/s，无人机的信息发射功率为3w，信息采集点S的发射功率为0.5w。
按照上述参数值设置信息采集点和信息收集点的位置，在满足约束条件下，在给定飞行能量的情况下，或，给定平均的信息年龄的情况下，分别测试无人机在飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式，并根据测试结果，得到如下结论：
1)平均信息年龄与无人机能量的关系
在两个地面节点即信息采集点和信息收集点之间的距离固定时，无人机中继信息的平均信息年龄随无人机的可用飞行能量的增大而减小。表明允许无人机飞行能量使用较大时，则可以将中继的信息年龄降到较低水平。
2)信息年龄与地面节点距离之间的关系
当两个地面节点之间的距离增大时，在确定的无人机可用的飞行能量时，无人机中继信息的平均信息年龄随上述信息采集点和信息收集点之间的距离的增大而增大。
3)信息年龄与无人机中继的信息量的关系
在无人机所用的飞行能量，以及，两个地面节点之间的距离均固定时随着无人机中继信息的信息量的增大，无人机的中继信息的平均信息年龄在增大。
4)信息年龄与地面节点的之间的距离以及飞行过轨迹的关系
在无人机采用直线飞行时，无人机的中继信息量随着无人机飞行能量的增加，其信息年龄也会增加。而无人机的在以直线轨迹飞行时，如图6所示，在两个地面节点之间的距离较小时，无人机在直线段下中继信息的平均信息年龄比在圆弧段中继信息的平均信息年龄大，而随着两个地面节点之间的距离的增大，与图5相比，无人机在直线段飞行过程中的信息年龄会比圆形轨迹下的信息年龄小。如图7所示，而且随着两个地面节点之间的距离的增大，直线段和圆弧段下的信息年龄差距会逐渐增大。
与上述轨迹规划相对应，本发明实施例还提供了一种应用于无人机收集信息的轨迹规划装置。
参见图8所示，图8为一种应用于无人机收集信息的轨迹规划的结构示意图，应用于无线传感器网络中的无人机，该装置包括：
关系式构建模块201，用于利用预设的无人机机翼的参数、无人机的重量和圆弧半径，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式，其中，所述目标帕累托关系式为所述无人机所用飞行能量和收集信息的平均信息年龄之间的关系式；所述飞行轨迹为由两段直线段和两段圆弧段均以等同且相对放置的方式形成的圆环，且两段所述圆弧段的圆心相对，并分别为信息采集点和信息收集点，所述预设约束条件包括以下条件：
所述无人机的飞行速度处于预设的飞行速度区间；所述圆弧段的直径大于或等于由所述无人机机翼的参数、所述无人机的重量和所述半径确定的最小半径；所述飞行功率处于预设的飞行功率区间；
圆弧半径确定模块202，用于根据所述目标帕累托关系式，在所述无人机机翼的参数、无人机的重量确定的情况下，利用预设的飞行能量或预设的平均信息年龄，分别确定所述圆弧段对应的圆弧半径和所述直线段对应的圆弧半径；
飞行轨迹生成模块203，用于分别以所述信息采集点和所述信息收集点为圆心，利用所确定的任一个圆弧半径，生成飞行轨迹。
可选的，所述装置还可以包括：
飞行速度获得模块，用于根据所确定的圆弧半径，利用所述圆弧半径与飞行速度之间的关系，获得所述飞行速度；
信息收集模块，用于以所述飞行速度飞行，沿着所述飞行轨迹，在预设的任务时间内，实时收集所述信息采集点的信息并同时向所述信息收集点发送采集到的信息。
可选的，所述关系式构建模块201可以包括：
关系式构建子模块，用于以所述无人机机翼的参数以及重量为参数，按照以下表达式，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式：
Figure BDA0002408014020000231
Figure BDA0002408014020000232
Figure BDA0002408014020000233
Figure BDA0002408014020000234
pmax≥p≥pmin，
Figure BDA0002408014020000241
vmax≥vc(rc)≥vmin，vmax≥vs(rs)≥vmin，
其中，A(·)为平均信息年龄函数，Ai(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段中继第i个数据包的消耗时间，Ai+1(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段中继第i+1个数据包的消耗时间，B(·)为无人机中继信息的平均信息年龄函数，Bi(·)为无人机在飞行轨迹直线段中继第i个数据包的时间，Bi+1(·)为无人机在飞行轨迹直线段中继第i+1个数据包的时间，i为无人机中继数据包的序号，N为无人机中继数据包总数，T为中继时间，
Figure BDA0002408014020000242
为无人机沿着飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径生成的飞行轨迹飞行一圈的能量消耗函数，
Figure BDA0002408014020000243
为无人机沿着飞行轨迹直线段对应的圆弧半径生成的飞行轨迹一圈的能量消耗函数，rs为无人机在飞行轨迹直线段对应的圆弧半径，rc为无人机在飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径，vc(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段时的飞行速度函数，vs(·)为无人机在飞行轨迹直线段时的飞行速度函数，c1为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第一飞行参数，
Figure BDA0002408014020000244
g为重力加速度，
Figure BDA0002408014020000245
为零升力阻力系数，S为无人机机翼面积，c2为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第二飞行参数，
Figure BDA0002408014020000246
W为无人机的重力，ΑR为无人机机翼的展弦比，e0为奥斯瓦尔德效率，pmax为无人机所使用的最大的飞行功率，p为无人机所使用的飞行功率，pmin为无人机所使用的最小的飞行功率，d为信息收集点和信息采集点之间的距离，vmin为无人机最小的飞行速度；vmax为无人机最大的飞行速度。
可选的，所述飞行速度获得模块，包括：
飞行速度获得子模块，用于根据所确定的圆弧半径，利用所述圆弧半径与飞行速度之间的关系，获得所述飞行速度：
所述表达式为：
Figure BDA0002408014020000251
或，
Figure BDA0002408014020000252
其中，vc(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段时的飞行速度函数，vs(·)为无人机在飞行轨迹直线段时的飞行速度函数，rs为无人机在飞行轨迹直线段对应的圆弧半径，rc为无人机在飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径，c1为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第一飞行参数，
Figure BDA0002408014020000253
g为重力加速度，
Figure BDA0002408014020000254
为零升力阻力系数，S为无人机机翼面积，c2为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第二飞行参数，
Figure BDA0002408014020000255
W为无人机的重力，ΑR为无人机机翼的展弦比，e0为奥斯瓦尔德效率。
由此可见，本发明实施例提供的装置，该装置利用预设的无人机机翼的参数、无人机的重量和圆弧半径，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式，根据目标帕累托关系式，利用预设的飞行能量或预设的平均信息年龄，分别确定圆弧段对应的圆弧半径和直线段对应的圆弧半径；分别以信息采集点和信息收集点为圆心，利用所确定的任一个圆弧半径，生成飞行轨迹。相对于现有技术而言，应用本发明实施例提供的方案生成飞行轨迹时，不仅考虑了在无人机收集信息时对无人机自身所使用飞行能量的影响，还考虑了所收集信息的平均信息年龄的时效，这样生成的飞行轨迹使得在保证无人机所使用的飞行能量的同时，还能够使收集信息的平均信息年龄具有时效性。
本发明实施例还提供了一种电子设备，如图9所示，包括处理器301、通信接口302、存储器303和通信总线304，其中，处理器301，通信接口302，存储器303通过通信总线304完成相互间的通信，
存储器303，用于存放计算机程序；
处理器301，用于执行存储器303上所存放的程序时，实现本发明实施例提供的一种应用于无人机收集信息的轨迹规划方法。
具体的，上述一种应用于无人机收集信息的轨迹规划方法，应用于无线传感器网络中的无人机，所述方法包括：
利用预设的无人机机翼的参数、无人机的重量和圆弧半径，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式，其中，所述目标帕累托关系式为所述无人机所用飞行能量和收集信息的平均信息年龄之间的关系式；所述飞行轨迹为由两段直线段和两段圆弧段均以等同且相对放置的方式形成的圆环，且两段所述圆弧段的圆心相对，并分别为信息采集点和信息收集点，所述预设约束条件包括以下条件：
所述无人机的飞行速度处于预设的飞行速度区间；所述圆弧段的直径大于或等于由所述无人机机翼的参数、所述无人机的重量和所述半径确定的最小半径；所述飞行功率处于预设的飞行功率区间；
根据所述目标帕累托关系式，在所述无人机机翼的参数、无人机的重量确定的情况下，利用预设的飞行能量或预设的平均信息年龄，分别确定所述圆弧段对应的圆弧半径和所述直线段对应的圆弧半径；
分别以所述信息采集点和所述信息收集点为圆心，利用所确定的任一个圆弧半径，生成飞行轨迹。
由此可见，执行本实施例提供的电子设备，通过利用预设的无人机机翼的参数、无人机的重量和圆弧半径，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式，根据目标帕累托关系式，利用预设的飞行能量或预设的平均信息年龄，分别确定圆弧段对应的圆弧半径和直线段对应的圆弧半径；分别以信息采集点和信息收集点为圆心，利用所确定的任一个圆弧半径，生成飞行轨迹。相对于现有技术而言，应用本发明实施例提供的方案生成飞行轨迹时，不仅考虑了在无人机收集信息时对无人机自身所使用飞行能量的影响，还考虑了所收集信息的平均信息年龄的时效，这样生成的飞行轨迹使得在保证无人机所使用的飞行能量的同时，还能够使收集信息的平均信息年龄具有时效性。
上述的相关内容轨迹规划方法的实施方式与前述方法实施例部分提供的轨迹规划方法的管理方式相同，这里不再赘述。
上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(Peripheral ComponentInterconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，EISA)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一上述的应用于无人机收集信息的轨迹规划方法。
在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一上述的应用于无人机收集信息的轨迹规划方法。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于电子设备、存储介质和程序产品实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种应用于无人机收集信息的轨迹规划方法，其特征在于，应用于无线传感器网络中的无人机，所述方法包括：
利用预设的无人机机翼的参数、无人机的重量和圆弧半径，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式，其中，所述目标帕累托关系式为所述无人机所用飞行能量和收集信息的平均信息年龄之间的关系式；所述飞行轨迹为由两段直线段和两段圆弧段均以等同且相对放置的方式形成的圆环，且两段所述圆弧段的圆心相对，并分别为信息采集点和信息收集点，所述预设约束条件包括以下条件：
所述无人机的飞行速度处于预设的飞行速度区间；所述圆弧段的直径大于或等于由所述无人机机翼的参数、所述无人机的重量和所述半径确定的最小半径；所述飞行功率处于预设的飞行功率区间；
根据所述目标帕累托关系式，在所述无人机机翼的参数、无人机的重量确定的情况下，利用预设的飞行能量或预设的平均信息年龄，分别确定所述圆弧段对应的圆弧半径和所述直线段对应的圆弧半径；
分别以所述信息采集点和所述信息收集点为圆心，利用所确定的任一个圆弧半径，生成飞行轨迹。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述生成飞行轨迹之后，所述方法还包括：
根据所确定的圆弧半径，利用所述圆弧半径与飞行速度之间的关系，获得所述飞行速度；
以所述飞行速度飞行，沿着所述飞行轨迹，在预设的任务时间内，实时收集所述信息采集点的信息并同时向所述信息收集点发送采集到的信息。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用预设的无人机机翼的参数、无人机的重量和圆弧半径，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式，包括：
以所述无人机机翼的参数以及重量为参数，按照以下表达式，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式：
Figure FDA0002408014010000021
Figure FDA0002408014010000022
Figure FDA0002408014010000023
Figure FDA0002408014010000024
pmax≥p≥pmin，
Figure FDA0002408014010000025
vmax≥vc(rc)≥vmin，vmax≥vs(rs)≥vmin，
其中，A(·)为平均信息年龄函数，Ai(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段中继第i个数据包的消耗时间，Ai+1(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段中继第i+1个数据包的消耗时间，B(·)为无人机中继信息的平均信息年龄函数，Bi(·)为无人机在飞行轨迹直线段中继第i个数据包的时间，Bi+1(·)为无人机在飞行轨迹直线段中继第i+1个数据包的时间，i为无人机中继数据包的序号，N为无人机中继数据包总数，T为中继时间，
Figure FDA0002408014010000026
为无人机沿着飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径生成的飞行轨迹飞行一圈的能量消耗函数，
Figure FDA0002408014010000027
为无人机沿着飞行轨迹直线段对应的圆弧半径生成的飞行轨迹一圈的能量消耗函数，rs为无人机在飞行轨迹直线段对应的圆弧半径，rc为无人机在飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径，vc(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段时的飞行速度函数，vs(·)为无人机在飞行轨迹直线段时的飞行速度函数，c1为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第一飞行参数，
Figure FDA0002408014010000031
g为重力加速度，
Figure FDA0002408014010000038
为零升力阻力系数，S为无人机机翼面积，c2为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第二飞行参数，
Figure FDA0002408014010000032
W为无人机的重力，ΑR为无人机机翼的展弦比，e0为奥斯瓦尔德效率，pmax为无人机所使用的最大的飞行功率，p为无人机所使用的飞行功率，pmin为无人机所使用的最小的飞行功率，d为信息收集点和信息采集点之间的距离，vmin为无人机最小的飞行速度；vmax为无人机最大的飞行速度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所确定的圆弧半径，利用所述圆弧半径与飞行速度之间的关系，获得所述飞行速度，包括：
根据所确定的圆弧半径，利用所述圆弧半径与飞行速度之间的关系，获得所述飞行速度：
所述表达式为：
Figure FDA0002408014010000033
或，
Figure FDA0002408014010000034
其中，vc(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段时的飞行速度函数，vs(·)为无人机在飞行轨迹直线段时的飞行速度函数，rs为无人机在飞行轨迹直线段对应的圆弧半径，rc为无人机在飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径，c1为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第一飞行参数，
Figure FDA0002408014010000035
g为重力加速度，
Figure FDA0002408014010000036
为零升力阻力系数，S为无人机机翼面积，c2为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第二飞行参数，
Figure FDA0002408014010000037
W为无人机的重力，ΑR为无人机机翼的展弦比，e0为奥斯瓦尔德效率。
5.一种应用于无人机收集信息的轨迹规划装置，其特征在于，应用于无线传感器网络中的无人机，所述装置包括：
关系式构建模块，用于利用预设的无人机机翼的参数、无人机的重量和圆弧半径，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式，其中，所述目标帕累托关系式为所述无人机所用飞行能量和收集信息的平均信息年龄之间的关系式；所述飞行轨迹为由两段直线段和两段圆弧段均以等同且相对放置的方式形成的圆环，且两段所述圆弧段的圆心相对，并分别为信息采集点和信息收集点，所述预设约束条件包括以下条件：
所述无人机的飞行速度处于预设的飞行速度区间；所述圆弧段的直径大于或等于由所述无人机机翼的参数、所述无人机的重量和所述半径确定的最小半径；所述飞行功率处于预设的飞行功率区间；
圆弧半径确定模块，用于根据所述目标帕累托关系式，在所述无人机机翼的参数、无人机的重量确定的情况下，利用预设的飞行能量或预设的平均信息年龄，分别确定所述圆弧段对应的圆弧半径和所述直线段对应的圆弧半径；
飞行轨迹生成模块，用于分别以所述信息采集点和所述信息收集点为圆心，利用所确定的任一个圆弧半径，生成飞行轨迹。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
飞行速度获得模块，用于根据所确定的圆弧半径，利用所述圆弧半径与飞行速度之间的关系，获得所述飞行速度；
信息收集模块，用于以所述飞行速度飞行，沿着所述飞行轨迹，在预设的任务时间内，实时收集所述信息采集点的信息并同时向所述信息收集点发送采集到的信息。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述关系式构建模块，包括：
关系式构建子模块，用于以所述无人机机翼的参数以及重量为参数，按照以下表达式，在满足预设约束条件下，分别构建预设的飞行轨迹中圆弧段和直线段对应的目标帕累托关系式：
Figure FDA0002408014010000041
Figure FDA0002408014010000051
Figure FDA0002408014010000052
Figure FDA0002408014010000053
pmax≥p≥pmin，
Figure FDA0002408014010000054
vmax≥vc(rc)≥vmin，vmax≥vs(rs)≥vmin，
其中，A(·)为平均信息年龄函数，Ai(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段中继第i个数据包的消耗时间，Ai+1(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段中继第i+1个数据包的消耗时间，B(·)为无人机中继信息的平均信息年龄函数，Bi(·)为无人机在飞行轨迹直线段中继第i个数据包的时间，Bi+1(·)为无人机在飞行轨迹直线段中继第i+1个数据包的时间，i为无人机中继数据包的序号，N为无人机中继数据包总数，T为中继时间，
Figure FDA0002408014010000055
为无人机沿着飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径生成的飞行轨迹飞行一圈的能量消耗函数，
Figure FDA0002408014010000056
为无人机沿着飞行轨迹直线段对应的圆弧半径生成的飞行轨迹一圈的能量消耗函数，rs为无人机在飞行轨迹直线段对应的圆弧半径，rc为无人机在飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径，vc(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段时的飞行速度函数，vs(·)为无人机在飞行轨迹直线段时的飞行速度函数，c1为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第一飞行参数，
Figure FDA0002408014010000057
g为重力加速度，
Figure FDA0002408014010000058
为零升力阻力系数，S为无人机机翼面积，c2为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第二飞行参数，
Figure FDA0002408014010000061
W为无人机的重力，ΑR为无人机机翼的展弦比，e0为奥斯瓦尔德效率，pmax为无人机所使用的最大的飞行功率，p为无人机所使用的飞行功率，pmin为无人机所使用的最小的飞行功率，d为信息收集点和信息采集点之间的距离，vmin为无人机最小的飞行速度；vmax为无人机最大的飞行速度。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述飞行速度获得模块，包括：
飞行速度获得子模块，用于根据所确定的圆弧半径，利用所述圆弧半径与飞行速度之间的关系，获得所述飞行速度：
所述表达式为：
Figure FDA0002408014010000062
或，
Figure FDA0002408014010000063
其中，vc(·)为无人机在飞行轨迹圆弧段时的飞行速度函数，vs(·)为无人机在飞行轨迹直线段时的飞行速度函数，rs为无人机在飞行轨迹直线段对应的圆弧半径，rc为无人机在飞行轨迹圆弧段对应的圆弧半径，c1为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第一飞行参数，
Figure FDA0002408014010000064
g为重力加速度，
Figure FDA0002408014010000065
为零升力阻力系数，S为无人机机翼面积，c2为由预设的无人机机翼的参数以及无人机的重量确定的第二飞行参数，
Figure FDA0002408014010000066
W为无人机的重力，ΑR为无人机机翼的展弦比，e0为奥斯瓦尔德效率。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，所述处理器、所述通信接口、所述存储器通过所述通信总线完成相互间的通信；
所述存储器，用于存放计算机程序；
所述处理器，用于执行所述存储器上所存放的程序时，实现权利要求1-4任一所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-4任一所述的方法步骤。
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