CN112564773A - 一种基于子网络协同的无人机数据收集方法 - Google Patents

一种基于子网络协同的无人机数据收集方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于子网络协同的无人机数据收集方法，其特征在于：包括以下步骤：位于地面的节点之间交互信息，使能够通信的节点组成子网络，同时属于同一子网络的节点存储该子网络所有节点的信息；无人机飞行至不同节点上空获取子网络信息，所述子网络信息为某一节点和该节点所处子网络的隶属关系；无人机根据获取的子网络信息，选择悬停点以覆盖所有子网络，并迭代优化悬停点的选择以缩短无人机飞行路径，直至路径无法进一步被缩短，最终生成悬停点和无人机飞行路径；无人机按照路径飞行采集数据。本发明能够大幅度减少无人机在采集地面节点数据过程中的飞行长度，并且以较短的计算时间来获取新规划的路径。

Description

一种基于子网络协同的无人机数据收集方法
技术领域
本发明属于无线网络技术领域，特别涉及无人机访问地面节点数据时的路径规划方法。
背景技术
无人机是信息时代高技术含量的产物。随着无人机研发技术逐渐成熟，制造成本大幅降低，无人机在各个领域得到了广泛应用，除军事用途外，还包括农业植保、电力巡检、警用执法、地质勘探、环境监测、森林防火以及影视航拍等民用领域，且其适用领域还在迅速拓展。通常无人机因其高移动性被广泛用于对地面节点的数据收集工作，需配合各类地面节点进行使用，基于此无人机的飞行路径优化对于节能和节省时间尤其重要。
传统的利用无人机采集地面数据的方法，将地面节点作为孤立的数据点，在规划无人机的路径时使用经典的旅行商问题的规划方法，其缺点在于，当地面节点较多时，无人机路径长度会明显加长。在无人机能量有限的前提下，无法完成飞行任务。本发明充分利用地面节点之间的协同，将能够互相联通的节点的提前组网，无人机只需要经过其中一个点即可将子网络的数据收集，可显著降低无人机的飞行长度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于子网络协同的无人机数据收集方法，根据所考虑的应用场景，收集地面节点节点数据时无人机的飞行路径进行规划，使得无人机的飞行路径大幅度减少从而达到节能的效果。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于子网络协同的无人机数据收集方法，包括以下步骤：
(1)位于地面的节点之间交互信息，使能够通信的节点组成子网络，同时属于同一子网络的节点存储该子网络所有节点的信息；
(2)无人机飞行至不同节点上空获取子网络信息，所述子网络信息为某一节点和该节点所处子网络的隶属关系；
(3)无人机根据获取的子网络信息，选择悬停点以覆盖所有子网络，并迭代优化悬停点的选择以缩短无人机飞行路径，直至路径无法进一步被缩短，最终生成悬停点和无人机飞行路径；
(4)无人机按照路径飞行采集数据。
所述步骤(1)具体包括：
(1.1)每个节点尝试建立以自身为根的最短路径树，在网络中广播消息；广播消息的格式包括根节点标识、发送节点的标识、发送节点距离根节点的跳数；
(1.2)当节点接收到源自两个不同根节点的广播消息时，选择编号小的根节点作为最短路径树，替其转发广播消息，忽略源自其它根节点的广播消息；
(1.3)若一个节点始终未更改最短路径树的根，即最短路径树的根为自身，则其为子网络的根节点；此时，该节点广播信息收集子网络的节点编号；
(1.4)根节点在接收到子网络中其它节点的编号后，将所有编号广播给其它节点，使得子网络中的所有节点均知悉本子网络中包含哪些节点。
所述步骤(2)具体包括：
(2.1)无人机维护一个未访问的节点的集合，初始状态时，所有节点均为未访问节点；
(2.2)无人机从未访问节点中，挑选一个离自身当前位置最近的节点，飞至该节点上空，与该节点通信，获取该节点所属子网络信息；
(2.3)无人机将获取到的子网络中的所有节点记录到本地，并将子网络中的所有节点从未访问节点集合中删除；
(2.4)无人机重复执行步骤(2.2)，直到未访问节点集合为空；此时，无人机获知所有子网络信息。
所述步骤(3)具体包括：
(3.1)构造一个无人机的初始飞行路径，使其访问每个节点一次并且飞行路径长度最短；
(3.2)利用子网络信息缩短路径；
(3.3)构造无人机的悬停点序列P0,P1,P2…，Pn，该序列顺序与子网络一一对应，初始值设为c0，c1,c2…,cn的位置坐标，不断迭代优化，缩减路径长度；其中，对于一个地面节点k,如果要与无人机u进行通信需要满足以下公式：
Figure BDA0002826744960000021
其中，R为节点与无人机之间的最大可通信距离，xk和yk、xu和yu分别为节点k和无人机u的横坐标和纵坐标。
所述步骤(3.1)中，采用任意的旅行商问题的求解算法寻找该路径，记此路径访问的节点序列V为v0,v1,v2…。
所述步骤(3.2)具体为：对于节点序列V中任意一个节点，若其所处子网络中有其它节点在其之前，则删除该节点；重复该操作，直到访问序列中的节点个数与子网络个数相同，将新生成的节点访问序列记为c0，c1,c2…，cn对应的子网络序列为C0，C1，C2，…,Cn。
所述步骤(3.3)具体为：
(3.3.1)计算无人机按悬停点序列飞行时的路径长度，记为h；
(3.3.2)当k＝0时，无人机的悬停点P0坐标不变，即为节点c0的坐标位置，将k加1；
(3.3.3)在子网络Ck中寻找离PK-1和PK+1组成直线a最近的节点，将Pk更新为该点的坐标，计算Pk与直线a的距离，记为L，对比L和R的大小；
(3.3.4)如果L<R，则无人机飞至PK+1位置途中即能够与Ck进行数据通信，将访问子网络Ck的悬停点更新为直线a上一的点Pk’，坐标根据如下公式求得：
Figure BDA0002826744960000031
(3.3.5)如果L≥R，访问子网络Ck的悬停点更新为离原悬停点距离为R的Pk’点，坐标根据如下公式求得：
Figure BDA0002826744960000032
(3.3.6)将k加1，若k小于等于n-1，则跳转至步骤(3.3.3)执行；
(3.3.7)计算无人机按照更新后的悬停点P0,P1,P2,…,Pn飞行时的路径长度h’，如果长度缩减，即h’<h，则更新h为h’,跳转至步骤(3.3.2)执行；
(3.3.8)输出悬停点位置P0,P1,P2,…,Pn，无人机的最优路径为依次飞过这些悬停点的路径。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)本发明提出的路径优化方案将无人机访问固定节点问题转化为访问子网络问题，节省了无人机遍历节点需消耗的电量，显著降低无人机飞行距离。
(2)本发明重新对无人机的飞行路径进行规划，进一步缩短了飞行距离，有效地节能和节省时间。
(3)本发明可以用较少的迭代次数达到较大幅度的路径优化效果。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明优化悬停点的方案示意图；
图3为本发明路径优化效果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的一种基于子网络协同的无人机数据收集方法，包括三个阶段，地面节点自组网络，无人机初步访问网络，飞行路径优化，具体步骤如下：
(1)地面节点自组网络：位于地面的节点之间交互信息，使能够通信的节点组成子网络，同时属于同一子网络的节点存储该子网络所有节点的信息，以便于无人机只需要选择子网络中任意一个节点访问即可获得本子网所有节点的信息。具体步骤如下：
(1.1)每个节点尝试建立以自身为根的最短路径树，在网络中广播消息；广播消息的格式包括根节点标识、发送节点的标识、发送节点距离根节点的跳数；
(1.2)当节点接收到源自两个不同根节点的广播消息时，选择编号小的根节点作为最短路径树，替其转发广播消息，忽略源自其它根节点的广播消息；
(1.3)若一个节点始终未更改最短路径树的根，即最短路径树的根为自身，则其为子网络的根节点；此时，该节点广播信息收集子网络的节点编号；
(1.4)根节点在接收到子网络中其它节点的编号后，将所有编号广播给其它节点，使得子网络中的所有节点均知悉本子网络中包含哪些节点。
(2)无人机收集子网络信息：无人机已知所有节点的位置，但无法得知哪些节点属于同一个子网络；在此步骤中，无人机需要获取步骤(1)中形成的子网络信息。具体包括如下步骤：
(2.1)无人机维护一个未访问的节点的集合，初始状态时，所有节点均为未访问节点；
(2.2)无人机从未访问节点中，挑选一个离自身当前位置最近的节点，飞至该节点上空，与该节点通信，获取该节点所属子网络信息；
(2.3)无人机将获取到的子网络中的所有节点记录到本地，并将子网络中的所有节点从未访问节点集合中删除；
(2.4)无人机重复执行步骤(2.2)，直到未访问节点集合为空；此时，无人机获知所有子网络信息。
(3)构造覆盖子网络的飞行路径：无人机根据获取的子网络信息，选择悬停点以覆盖所有子网络，并迭代优化悬停点的选择以缩短无人机飞行路径，直至路径无法进一步被缩短，最终生成悬停点和无人机飞行路径；具体包括如下步骤：
(3.1)构造一个无人机的初始飞行路径，使其访问每个节点一次并且飞行路径长度最短，可采用任意的旅行商问题的求解算法寻找该路径。记此路径访问的节点序列V为v0,v1,v2…；
(3.2)根据子网络信息，步骤(3.1)访问的节点序列对应于一个子网络访问序列，但由于一个子网络可能包含多个节点，因此，该序列将访问子网络多次，造成路径浪费。本步利用子网络信息缩短路径，具体操作方法为，对于节点序列V中任意一个节点，若其所处子网络中有其它节点在其之前，则删除该节点。重复该操作，直到访问序列中的节点个数与子网络个数相同，将新生成的节点访问序列记为c0，c1,c2…，cn对应的子网络序列为C0，C1，C2，…,Cn；
(3.3)构造无人机的悬停点序列P0,P1,P2…，Pn该序列顺序与子网络一一对应，初始值设为c0，c1,c2…,cn的位置坐标。应当指出，一个地面节点k,如果要与无人机u进行通信需要满足以下公式:
Figure BDA0002826744960000051
其中R为节点与无人机之间的最大可通信距离，xk和yk、xu和yu分别为节点k和无人机u的横坐标和纵坐标。如图2所示，假设无人机当前要访问子网络Ck，无人机不必飞行至Ck子网络中的节点ck位置，只需要到离节点坐标长度为R的Pk位置处悬停即可获取该子网络数据，从而节省飞行路程。
因此按如下步骤利用迭代算法不停更新Pk序列即可获得最优路径：
(3.3.1)计算无人机按悬停点序列飞行时的路径长度，记为h；
(3.3.2)当k＝0时，无人机的悬停点P0坐标不变，即为节点c0的坐标位置，将k加1；
(3.3.3)在子网络Ck中寻找离PK-1和PK+1组成直线a最近的节点，将Pk更新为该点的坐标，计算Pk与直线a的距离，记为L，对比L和R的大小；
(3.3.4)如果L<R，则无人机飞至PK+1位置途中即能够与Ck进行数据通信，将访问子网络Ck的悬停点更新为直线a上一的点Pk’，坐标根据如下公式求得：
Figure BDA0002826744960000061
(3.3.5)如果L≥R，访问子网络Ck的悬停点更新为离原悬停点距离为R的Pk’点，坐标根据如下公式求得：
Figure BDA0002826744960000062
(3.3.6)将k加1，若k小于等于n-1，则跳转至步骤(3.3.3)执行；
(3.3.7)计算无人机按照更新后的悬停点P0,P1,P2,…,Pn飞行时的路径长度h’，如果长度缩减，即h’<h，则更新h为h’,跳转至步骤(3.3.2)执行；
(3.3.8)输出悬停点位置P0,P1,P2,…,Pn，无人机的最优路径为依次飞过这些悬停点的路径。
(4)无人机收集数据：无人机按照步骤(3)输出的悬停点飞行，在悬停点收集子网络数据。
本发明的效果可以用以下仿真实验进一步说明：在仿真中，地面节点的子网数量为5，无人机访问每个节点需走过的路径为457.313米，经过路径优化后无人机需走过的路径为149.958米，飞行长度大幅下降。附图3中给出迭代12次过程中总路径的变化曲线。可以看出，经过三次迭代无人机的飞行路径就可以达到预期优化效果。
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 (7)

1.一种基于子网络协同的无人机数据收集方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)位于地面的节点之间交互信息，使能够通信的节点组成子网络，同时属于同一子网络的节点存储该子网络所有节点的信息；
(2)无人机飞行至不同节点上空获取子网络信息，所述子网络信息为某一节点和该节点所处子网络的隶属关系；
(3)无人机根据获取的子网络信息，选择悬停点以覆盖所有子网络，并迭代优化悬停点的选择以缩短无人机飞行路径，直至路径无法进一步被缩短，最终生成悬停点和无人机飞行路径；
(4)无人机按照路径飞行采集数据。
2.根据权利要求1所述的基于子网络协同的无人机数据收集方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括：
(1.1)每个节点尝试建立以自身为根的最短路径树，在网络中广播消息；广播消息的格式包括根节点标识、发送节点的标识、发送节点距离根节点的跳数；
(1.2)当节点接收到源自两个不同根节点的广播消息时，选择编号小的根节点作为最短路径树，替其转发广播消息，忽略源自其它根节点的广播消息；
(1.3)若一个节点始终未更改最短路径树的根，即最短路径树的根为自身，则其为子网络的根节点；此时，该节点广播信息收集子网络的节点编号；
(1.4)根节点在接收到子网络中其它节点的编号后，将所有编号广播给其它节点，使得子网络中的所有节点均知悉本子网络中包含哪些节点。
3.根据权利要求1所述的基于子网络协同的无人机数据收集方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括：
(2.1)无人机维护一个未访问的节点的集合，初始状态时，所有节点均为未访问节点；
(2.2)无人机从未访问节点中，挑选一个离自身当前位置最近的节点，飞至该节点上空，与该节点通信，获取该节点所属子网络信息；
(2.3)无人机将获取到的子网络中的所有节点记录到本地，并将子网络中的所有节点从未访问节点集合中删除；
(2.4)无人机重复执行步骤(2.2)，直到未访问节点集合为空；此时，无人机获知所有子网络信息。
4.根据权利要求1所述的基于子网络协同的无人机数据收集方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括：
(3.1)构造一个无人机的初始飞行路径，使其访问每个节点一次并且飞行路径长度最短；
(3.2)利用子网络信息缩短路径；
(3.3)构造无人机的悬停点序列P0,P1,P2…，Pn，该序列顺序与子网络一一对应，初始值设为c0，c1,c2…,cn的位置坐标，不断迭代优化，缩减路径长度；其中，对于一个地面节点k,如果要与无人机u进行通信需要满足以下公式：
Figure FDA0002826744950000021
其中，R为节点与无人机之间的最大可通信距离，xk和yk、xu和yu分别为节点k和无人机u的横坐标和纵坐标。
5.根据权利要求4所述的基于子网络协同的无人机数据收集方法，其特征在于：所述步骤(3.1)中，采用任意的旅行商问题的求解算法寻找该路径，记此路径访问的节点序列V为v0,v1,v2…。
6.根据权利要求4所述的基于子网络协同的无人机数据收集方法，其特征在于：所述步骤(3.2)具体为：对于节点序列V中任意一个节点，若其所处子网络中有其它节点在其之前，则删除该节点；重复该操作，直到访问序列中的节点个数与子网络个数相同，将新生成的节点访问序列记为c0，c1,c2…，cn对应的子网络序列为C0，C1，C2，…,Cn。
7.根据权利要求4所述的基于子网络协同的无人机数据收集方法，其特征在于：所述步骤(3.3)具体为：
(3.3.1)计算无人机按悬停点序列飞行时的路径长度，记为h；
(3.3.2)当k＝0时，无人机的悬停点P0坐标不变，即为节点c0的坐标位置，将k加1；
(3.3.3)在子网络Ck中寻找离PK-1和PK+1组成直线a最近的节点，将Pk更新为该点的坐标，计算Pk与直线a的距离，记为L，对比L和R的大小；
(3.3.4)如果L<R，则无人机飞至PK+1位置途中即能够与Ck进行数据通信，将访问子网络Ck的悬停点更新为直线a上一的点Pk’，坐标根据如下公式求得：
Figure FDA0002826744950000022
(3.3.5)如果L≥R，访问子网络Ck的悬停点更新为离原悬停点距离为R的Pk’点，坐标根据如下公式求得：
Figure FDA0002826744950000031
(3.3.6)将k加1，若k小于等于n-1，则跳转至步骤(3.3.3)执行；
(3.3.7)计算无人机按照更新后的悬停点P0,P1,P2,…,Pn飞行时的路径长度h’，如果长度缩减，即h’<h，则更新h为h’,跳转至步骤(3.3.2)执行；
(3.3.8)输出悬停点位置P0,P1,P2,…,Pn，无人机的最优路径为依次飞过这些悬停点的路径。
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