CN113328775A - 一种uav高度定位系统及计算机存储介质 - Google Patents

一种uav高度定位系统及计算机存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，包括信号强度捕获模块、信号广度捕获模块、UAV交互模块、计算处理模块和高度控制模块，所述信号强度捕获模块用于获取地面能够识别UAV提供信号的强度，所述信号广度捕获模块用于获取UAV提供的信号覆盖的范围，所述计算处理模块用于根据捕获的强度信息和范围信息计算出UAV的合适高度，所述高度控制模块基于计算结果调整UAV至对应高度，UAV将调整信息通过所述UAV交互模块发送至邻近的其余UAV，邻近的UAV根据获取的信息进行高度调整；本系统通过计算出适宜的高度来平衡信号强度与信号范围之间的矛盾，同时通过UAV交互模块构建的无线传感网络形成一个UAV协作团体来应对变化的地面通讯需求。

Description

一种UAV高度定位系统及计算机存储介质
技术领域
本发明涉及UAV控制技术领域，尤其涉及一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统。
背景技术
UAV通信系统具有成本较低的优势和快速部署的能力，使得其特别适合于应急通信场景或者持续时间有限的通信场景，如自然灾害造成的通信基础设施破坏时的通信恢复、体育比赛场馆等热点区域的地面蜂窝基站超负荷时的数据卸载、大规模物联网设备的周期性数据散播/收集等，而UAV的高度选择能都对整个UAV系统的运作效率起到不小的影响。
现在已经开发出了很多UAV控制系统，经过我们大量的检索与参考，发现现有的控制系统有如公开号为KR101418480B1，KR1020170109432A和KR1020170089609A所公开的系统，包括传感监测系统、移动平台系统、一体化Wi-Fi网络通信系统以及调度管制平台；传感器监测系统是指在传感器网络中，任意散落在被监测区内的传感节点实时监测目标区域内的特定变量对象；移动平台系统是挂载Wi-Fi通信模块的UAV，采用旋翼垂直起降平台，实现UAV飞行速度和轨迹的可控性；一体化Wi-Fi网络通信系统指以Wi-Fi通信方式为主，参照蜂窝移动通信网络的结构；所述的调度管制平台是一套用于无人机飞行路径管制、无线网路拓扑控制信息及环境变量信息采集的软件平台。但该系统没有对UAV所处的高度进行优化选择，其所形成的通讯网络的信号强度和覆盖范围没有处于良好的平衡状态，且UAV之间缺少协作。
发明内容
本发明的目的在于，针对所存在的不足，提出了一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，
为了克服现有技术的不足，本发明采用如下技术方案：
一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，包括信号强度捕获模块、信号广度捕获模块、UAV交互模块、计算处理模块和高度控制模块，所述信号强度捕获模块用于获取地面识别到的信号强度，所述信号广度捕获模块用于获取信号覆盖范围，所述计算处理模块用于根据捕获的强度信息和范围信息计算出UAV的合适高度，所述高度控制模块基于计算结果调整UAV至对应高度，所述UAV交互模块构建成无线传感网络用于UAV之间的信息交互以达成协作应对变化的地面通讯需求；
进一步的，所述信号强度捕获模块获取综合信号强度I0，所述信号广度捕获模块获取信号覆盖范围面积S，所述计算处理模块计算出UAV高度适宜指数P：
Figure BDA0003088365800000021
所述高度控制模块调整UAV的高度使其高度适宜指数最大；
进一步的，所述信号强度捕获模块发送查询信号，地面上的无线设备接收查询信号后返回强度信息Ii，返回信息所用的时间为ti，所述信号强度捕获模块根据每个强度信息计算出综合信号强度I0：
Figure BDA0003088365800000022
其中，n为信号网络覆盖范围内无线设备的数量；
进一步的，所述信号广度捕获模块包括定向探测设备，所述探测设备沿(α，θ)方向发射电波后接收的反射电波强度等于阈值时反射点为信号覆盖范围边界，其中α为与正东方向的夹角，θ为与竖直方向的夹角，改变α值，使所述定向探测设备沿水平方向旋转一周并获得函数θ(α)，所述α的变化间隔为Δα，所述Δα设置为能够被2·π整除；
进一步的，所述信号广度捕获模块计算出信号覆盖范围面积S为：
Figure BDA0003088365800000023
其中，所述h为UAV当时所在高度，
Figure BDA0003088365800000024
进一步的，UAV在初始状态时所处高度为h1，对应的高度适宜指数为P1，控制UAV向上移动Δh高度，得到对应的高度适宜指数为P2，再控制UAV向上移动Δh高度，得到对应的高度适宜指数为P3，所述计算处理模块根据上述数据计算出调节高度h′：
h′＝(P3-P2)2·(P2-P1)·Δh；
控制UAV调整h′高度，以新高度作为h1不断重复上述过程，直至出现P1＜P2＞P3或者h′＜2Δh，当出现P1＜P2＞P3时，以P2对应的高度作为适宜高度，当出现h′＜2Δh时，选择上述调整过程中出现的最大P值对应的高度作为适宜高度；
进一步的，当所述信号网络覆盖范围内有无线设备进行通讯时，且所述信号强度捕获模块捕获到的该无线设备的信号强度不足时，所述高度控制模块会控制UAV降低高度以增强所述无线设备能够获取的信号强度；
进一步的，所述UAV降低高度后通过所述UAV交互模块向邻近UAV发送调整信息，邻近UAV在接收到调整信息后调整高度以扩大其信号网络的覆盖范围进而弥补所述UAV缩小的信号网络覆盖区域；
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中包括一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统程序，所述基于无线传感网络的UAV高度定位系统程序被处理器执行时，实现一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统步骤。
本发明所取得的有益效果是：
该系统通过计算出UAV的适宜高度来平衡UAV提供信号网络的信号强度与覆盖范围之间的矛盾，提高信号网络的运作效率，并且采用小幅变动-大幅调整的方式快速地挑选出适宜高度，同时利用构建的无线传感网络使邻近的UAV之间形成一个区域协作整体，当其中一个UAV改变高度来应对变化的地面通讯需求时，邻近UAV能够作出相应的调整来弥补覆盖范围的缺失。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
图1为整体结构框架示意图。
图2为信号广度捕获模块获取角度函数θ(α)流程示意图。
图3为UAV适宜高度选择流程示意图。
图4为邻近UAV协作流程示意图。
图5为UAV协作调整时信号覆盖范围变化示意图。
具体实施方式
为了使得本发明的目的.技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它系统.方法和/或特征将变得显而易见。旨在所有此类附加的系统.方法.特征和优点都包括在本说明书内.包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护。在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一。
一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，包括信号强度捕获模块、信号广度捕获模块、UAV交互模块、计算处理模块和高度控制模块，所述信号强度捕获模块用于获取地面识别到的信号强度，所述信号广度捕获模块用于获取信号覆盖范围，所述计算处理模块用于根据捕获的强度信息和范围信息计算出UAV的合适高度，所述高度控制模块基于计算结果调整UAV至对应高度，所述UAV交互模块构建成无线传感网络用于UAV之间的信息交互以达成协作应对变化的地面通讯需求；
所述信号强度捕获模块获取综合信号强度I0，所述信号广度捕获模块获取信号覆盖范围面积S，所述计算处理模块计算出UAV高度适宜指数P：
Figure BDA0003088365800000041
所述高度控制模块调整UAV的高度使其高度适宜指数最大；
所述信号强度捕获模块发送查询信号，地面上的无线设备接收查询信号后返回强度信息Ii，返回信息所用的时间为ti，所述信号强度捕获模块根据每个强度信息计算出综合信号强度I0：
Figure BDA0003088365800000042
其中，n为信号网络覆盖范围内无线设备的数量；
所述信号广度捕获模块包括定向探测设备，所述探测设备沿(α，θ)方向发射电波后接收的反射电波强度等于阈值时反射点为信号覆盖范围边界，其中α为与正东方向的夹角，θ为与竖直方向的夹角，改变α值，使所述定向探测设备沿水平方向旋转一周并获得函数θ(α)，所述α的变化间隔为Δα，所述Δα设置为能够被2·π整除；
所述信号广度捕获模块计算出信号覆盖范围面积S为：
Figure BDA0003088365800000051
其中，所述h为UAV当时所在高度，
Figure BDA0003088365800000052
UAV在初始状态时所处高度为h1，对应的高度适宜指数为P1，控制UAV向上移动Δh高度，得到对应的高度适宜指数为P2，再控制UAV向上移动Δh高度，得到对应的高度适宜指数为P3，所述计算处理模块根据上述数据计算出调节高度h′：
h′＝(P3-P2)2·(P2-P1)·Δh；
控制UAV调整h′高度，以新高度作为h1不断重复上述过程，直至出现P1＜P2＞P3或者h′＜2Δh，当出现P1＜P2＞P3时，以P2对应的高度作为适宜高度，当出现h′＜2Δh时，选择上述调整过程中出现的最大P值对应的高度作为适宜高度；
当所述信号网络覆盖范围内有无线设备进行通讯时，且所述信号强度捕获模块捕获到的该无线设备的信号强度不足时，所述高度控制模块会控制UAV降低高度以增强所述无线设备能够获取的信号强度；
所述UAV降低高度后通过所述UAV交互模块向邻近UAV发送调整信息，邻近UAV在接收到调整信息后调整高度以扩大其信号网络的覆盖范围进而弥补所述UAV缩小的信号网络覆盖区域；
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中包括一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统程序，所述基于无线传感网络的UAV高度定位系统程序被处理器执行时，实现一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统步骤。
实施例二。
一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，包括信号强度捕获模块、信号广度捕获模块、UAV交互模块、计算处理模块和高度控制模块，所述信号强度捕获模块用于获取地面识别到的信号强度，所述信号广度捕获模块用于获取信号覆盖范围，所述计算处理模块用于根据捕获的强度信息和范围信息计算出UAV的合适高度，所述高度控制模块基于计算结果调整UAV至对应高度，所述UAV交互模块构建成无线传感网络用于UAV之间的信息交互以达成协作应对变化的地面通讯需求；
所述信号强度捕获模块获取综合信号强度I0，所述信号广度捕获模块获取信号覆盖范围面积S，所述计算处理模块计算出UAV高度适宜指数P：
Figure BDA0003088365800000061
所述高度控制模块调整UAV的高度使其高度适宜指数最大；
所述信号强度捕获模块发送查询信号，地面上的无线设备接收查询信号后返回强度信息Ii，返回信息所用的时间为ti，所述信号强度捕获模块根据每个强度信息计算出综合信号强度I0：
Figure BDA0003088365800000062
其中，n为信号网络覆盖范围内无线设备的数量；
所述信号广度捕获模块包括定向探测设备，所述探测设备沿(α，θ)方向发射电波后接收的反射电波强度等于阈值时反射点为信号覆盖范围边界，其中α为与正东方向的夹角，θ为与竖直方向的夹角，改变α值，使所述定向探测设备沿水平方向旋转一周并获得函数θ(α)，所述α的变化间隔为Δα，所述Δα设置为能够被2·π整除；
所述信号广度捕获模块计算出信号覆盖范围面积S为：
Figure BDA0003088365800000063
其中，所述h为UAV当时所在高度，
Figure BDA0003088365800000064
UAV在初始状态时所处高度为h1，对应的高度适宜指数为P1，控制UAV向上移动Δh高度，得到对应的高度适宜指数为P2，再控制UAV向上移动Δh高度，得到对应的高度适宜指数为P3，所述计算处理模块根据上述数据计算出调节高度h′：
h′＝(P3-P2)2·(P2-P1)·Δh；
控制UAV调整h′高度，以新高度作为h1不断重复上述过程，直至出现P1＜P2＞P3或者h′＜2Δh，当出现P1＜P2＞P3时，以P2对应的高度作为适宜高度，当出现h′＜2Δh时，选择上述调整过程中出现的最大P值对应的高度作为适宜高度；
当所述信号网络覆盖范围内有无线设备进行通讯时，且所述信号强度捕获模块捕获到的该无线设备的信号强度不足时，所述高度控制模块会控制UAV降低高度以增强所述无线设备能够获取的信号强度；
所述UAV降低高度后通过所述UAV交互模块向邻近UAV发送调整信息，邻近UAV在接收到调整信息后调整高度以扩大其信号网络的覆盖范围进而弥补所述UAV缩小的信号网络覆盖区域；
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中包括一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统程序，所述基于无线传感网络的UAV高度定位系统程序被处理器执行时，实现一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统步骤；
基于此设计了一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，包括信号强度捕获模块、信号广度捕获模块、UAV交互模块、计算处理模块和高度控制模块，所述信号强度捕获模块用于获取地面能够识别UAV提供信号的强度，所述信号广度捕获模块用于获取UAV提供的信号覆盖的范围，所述计算处理模块用于根据捕获的强度信息和范围信息计算出UAV的合适高度，所述高度控制模块基于计算结果调整UAV至对应高度，UAV将调整信息通过所述UAV交互模块发送至邻近的其余UAV，邻近的UAV根据获取的信息进行高度调整；
UAV上搭载通讯模块，通过多架UAV上的通讯模块在某一区域搭建临时信号网络提供该区域临时通讯服务，所述UAV交互模块基于不同于UAV提供的信号网络的无线传感网络，所述信号网络与所述传感网络互不影响；
所述信号强度捕获模块向外发送查询信号，当无线设备在接收到查询信号后反馈包括所述无线设备识别的信号网络强度的返回信号，所述信号强度捕获模块接收所述返回信号并提取其中的强度信息，在该UAV信号网络覆盖范围内有多个无线设备，每个无线设备返回的强度信息为Ii，返回信息所用的时间为ti，所述信号强度捕获模块根据每个强度信息计算出综合信号强度I0：
Figure BDA0003088365800000071
其中，n为信号网络覆盖范围内无线设备的数量；
所述信号广度捕获模块包括定向探测设备，所述定向探测设备使用与通讯模块相同的功率沿一方向发射电波，电波经障碍物反射后再被所述定向探测设备接收，当接收电波的强度恰好等于阈值时，反射点被认为是信号覆盖范围的边界，此时发射方向与竖直方向的夹角为θ，水平转动所述定向探测设备Δα角，再沿经线方向调整所述定向探测设备使其接收的反射电波强度恰好等于阈值，不断重复该过程使所述定向探测设备在水平方向旋转一周，得到角度函数θ(α)的多个离散点，离散点个数为
Figure BDA0003088365800000081
所述Δα设置为能够被2·π整除，并记
Figure BDA0003088365800000082
信号覆盖范围面积S为：
Figure BDA0003088365800000083
其中，所述h为UAV当时所在高度；
所述计算处理模块根据所述综合信号强度I0和信号覆盖范围面积S计算出UAV高度适宜指数P：
Figure BDA0003088365800000084
所述高度控制模块实时记录UAV所处高度h以及对应的高度适宜指数P，并控制UAV上下移动调整高度，选择出使所述高度适宜指数P最大的高度h并将UAV停留在该高度。
实施例三。
一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，包括信号强度捕获模块、信号广度捕获模块、UAV交互模块、计算处理模块和高度控制模块，所述信号强度捕获模块用于获取地面识别到的信号强度，所述信号广度捕获模块用于获取信号覆盖范围，所述计算处理模块用于根据捕获的强度信息和范围信息计算出UAV的合适高度，所述高度控制模块基于计算结果调整UAV至对应高度，所述UAV交互模块构建成无线传感网络用于UAV之间的信息交互以达成协作应对变化的地面通讯需求；
所述信号强度捕获模块获取综合信号强度I0，所述信号广度捕获模块获取信号覆盖范围面积S，所述计算处理模块计算出UAV高度适宜指数P：
Figure BDA0003088365800000085
所述高度控制模块调整UAV的高度使其高度适宜指数最大；
所述信号强度捕获模块发送查询信号，地面上的无线设备接收查询信号后返回强度信息Ii，返回信息所用的时间为ti，所述信号强度捕获模块根据每个强度信息计算出综合信号强度I0：
Figure BDA0003088365800000091
其中，n为信号网络覆盖范围内无线设备的数量；
所述信号广度捕获模块包括定向探测设备，所述探测设备沿(α，θ)方向发射电波后接收的反射电波强度等于阈值时反射点为信号覆盖范围边界，其中α为与正东方向的夹角，θ为与竖直方向的夹角，改变α值，使所述定向探测设备沿水平方向旋转一周并获得函数θ(α)，所述α的变化间隔为Δα，所述Δα设置为能够被2·π整除；
所述信号广度捕获模块计算出信号覆盖范围面积S为：
Figure BDA0003088365800000092
其中，所述h为UAV当时所在高度，
Figure BDA0003088365800000093
UAV在初始状态时所处高度为h1，对应的高度适宜指数为P1，控制UAV向上移动Δh高度，得到对应的高度适宜指数为P2，再控制UAV向上移动Δh高度，得到对应的高度适宜指数为P3，所述计算处理模块根据上述数据计算出调节高度h′：
h′＝(P3-P2)2·(P2-P1)·Δh；
控制UAV调整h′高度，以新高度作为h1不断重复上述过程，直至出现P1＜P2＞P3或者h′＜2Δh，当出现P1＜P2＞P3时，以P2对应的高度作为适宜高度，当出现h′＜2Δh时，选择上述调整过程中出现的最大P值对应的高度作为适宜高度；
当所述信号网络覆盖范围内有无线设备进行通讯时，且所述信号强度捕获模块捕获到的该无线设备的信号强度不足时，所述高度控制模块会控制UAV降低高度以增强所述无线设备能够获取的信号强度；
所述UAV降低高度后通过所述UAV交互模块向邻近UAV发送调整信息，邻近UAV在接收到调整信息后调整高度以扩大其信号网络的覆盖范围进而弥补所述UAV缩小的信号网络覆盖区域；
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中包括一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统程序，所述基于无线传感网络的UAV高度定位系统程序被处理器执行时，实现一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统步骤；
基于此设计了一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，包括信号强度捕获模块、信号广度捕获模块、UAV交互模块、计算处理模块和高度控制模块，所述信号强度捕获模块用于获取地面能够识别UAV提供信号的强度，所述信号广度捕获模块用于获取UAV提供的信号覆盖的范围，所述计算处理模块用于根据捕获的强度信息和范围信息计算出UAV的合适高度，所述高度控制模块基于计算结果调整UAV至对应高度，UAV将调整信息通过所述UAV交互模块发送至邻近的其余UAV，邻近的UAV根据获取的信息进行高度调整；
UAV上搭载通讯模块，通过多架UAV上的通讯模块在某一区域搭建临时信号网络提供该区域临时通讯服务，所述UAV交互模块基于不同于UAV提供的信号网络的无线传感网络，所述信号网络与所述传感网络互不影响；
所述信号强度捕获模块向外发送查询信号，当无线设备在接收到查询信号后反馈包括所述无线设备识别的信号网络强度的返回信号，所述信号强度捕获模块接收所述返回信号并提取其中的强度信息，在该UAV信号网络覆盖范围内有多个无线设备，每个无线设备返回的强度信息为Ii，返回信息所用的时间为ti，所述信号强度捕获模块根据每个强度信息计算出综合信号强度I0：
Figure BDA0003088365800000101
其中，n为信号网络覆盖范围内无线设备的数量；
所述信号广度捕获模块包括定向探测设备，所述定向探测设备使用与通讯模块相同的功率沿一方向发射电波，电波经障碍物反射后再被所述定向探测设备接收，当接收电波的强度恰好等于阈值时，反射点被认为是信号覆盖范围的边界，此时发射方向与竖直方向的夹角为θ，水平转动所述定向探测设备Δα角，再沿经线方向调整所述定向探测设备使其接收的反射电波强度恰好等于阈值，不断重复该过程使所述定向探测设备在水平方向旋转一周，得到角度函数θ(α)的多个离散点，离散点个数为
Figure BDA0003088365800000102
所述Δα设置为能够被2·π整除，并记
Figure BDA0003088365800000103
信号覆盖范围面积S为：
Figure BDA0003088365800000111
其中，所述h为UAV当时所在高度；
所述计算处理模块根据所述综合信号强度I0和信号覆盖范围面积S计算出UAV高度适宜指数P：
Figure BDA0003088365800000112
所述高度控制模块实时记录UAV所处高度h以及对应的高度适宜指数P，并控制UAV上下移动调整高度，选择出使所述高度适宜指数P最大的高度h并将UAV停留在该高度；
上述选择适宜高度的方法为伪枚举方法，效率较低，下面介绍一种新的方法来挑选出适宜高度；
所述UAV在初始状态时所处高度为h1，对应的高度适宜指数为P1，控制UAV向上移动Δh高度，得到对应的高度适宜指数为P2，再控制UAV向上移动Δh高度，得到对应的高度适宜指数为P3，所述计算处理模块根据上述数据计算出调节高度h′：
h′＝(P3-P2)2·(P2-P1)·Δh；
控制UAV调整h′高度，以新高度作为h1不断重复上述过程，直至出现P1＜P2＞P3或者h′＜2Δh，当出现P1＜P2＞P3时，以P2对应的高度作为适宜高度，当出现h′＜2Δh，选择上述调整过程中出现的最大P值对应的高度作为适宜高度；
当所述信号网络覆盖范围内有无线设备进行通讯时，且所述信号强度捕获模块捕获到的该无线设备的信号强度不足时，所述高度控制模块会控制UAV降低高度以增强所述无线设备能够获取的信号强度，但UAV在降低高度的同时会减小信号网络覆盖范围，此时UAV通过所述UAV交互模块向邻近UAV发送调整信息，邻近UAV在接收到调整信息后调整高度以扩大其信号网络的覆盖范围进而弥补所述UAV缩小的信号网络覆盖区域，当所述无线设备通讯完成后，所述UAV恢复至适宜高度并通过所述UAV交互模块向邻近UAV发送恢复信息，所述邻近UAV在接收到恢复信息后也恢复至原有的适宜高度。
实施例四。
一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，包括信号强度捕获模块、信号广度捕获模块、UAV交互模块、计算处理模块和高度控制模块，所述信号强度捕获模块用于获取地面识别到的信号强度，所述信号广度捕获模块用于获取信号覆盖范围，所述计算处理模块用于根据捕获的强度信息和范围信息计算出UAV的合适高度，所述高度控制模块基于计算结果调整UAV至对应高度，所述UAV交互模块构建成无线传感网络用于UAV之间的信息交互以达成协作应对变化的地面通讯需求；
所述信号强度捕获模块获取综合信号强度I0，所述信号广度捕获模块获取信号覆盖范围面积S，所述计算处理模块计算出UAV高度适宜指数P：
Figure BDA0003088365800000121
所述高度控制模块调整UAV的高度使其高度适宜指数最大；
所述信号强度捕获模块发送查询信号，地面上的无线设备接收查询信号后返回强度信息Ii，返回信息所用的时间为ti，所述信号强度捕获模块根据每个强度信息计算出综合信号强度I0：
Figure BDA0003088365800000122
其中，n为信号网络覆盖范围内无线设备的数量；
所述信号广度捕获模块包括定向探测设备，所述探测设备沿(α，θ)方向发射电波后接收的反射电波强度等于阈值时反射点为信号覆盖范围边界，其中α为与正东方向的夹角，θ为与竖直方向的夹角，改变α值，使所述定向探测设备沿水平方向旋转一周并获得函数θ(α)，所述α的变化间隔为Δα，所述Δα设置为能够被2·π整除；
所述信号广度捕获模块计算出信号覆盖范围面积S为：
Figure BDA0003088365800000123
其中，所述h为UAV当时所在高度，
Figure BDA0003088365800000124
UAV在初始状态时所处高度为h1，对应的高度适宜指数为P1，控制UAV向上移动Δh高度，得到对应的高度适宜指数为P2，再控制UAV向上移动Δh高度，得到对应的高度适宜指数为P3，所述计算处理模块根据上述数据计算出调节高度h′：
h′＝(P3-P2)2·(P2-P1)·Δh；
控制UAV调整h′高度，以新高度作为h1不断重复上述过程，直至出现P1＜P2＞P3或者h′＜2Δh，当出现P1＜P2＞P3时，以P2对应的高度作为适宜高度，当出现h′＜2Δh时，选择上述调整过程中出现的最大P值对应的高度作为适宜高度；
当所述信号网络覆盖范围内有无线设备进行通讯时，且所述信号强度捕获模块捕获到的该无线设备的信号强度不足时，所述高度控制模块会控制UAV降低高度以增强所述无线设备能够获取的信号强度；
所述UAV降低高度后通过所述UAV交互模块向邻近UAV发送调整信息，邻近UAV在接收到调整信息后调整高度以扩大其信号网络的覆盖范围进而弥补所述UAV缩小的信号网络覆盖区域；
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中包括一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统程序，所述基于无线传感网络的UAV高度定位系统程序被处理器执行时，实现一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统步骤；
基于此设计了一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，包括信号强度捕获模块、信号广度捕获模块、UAV交互模块、计算处理模块和高度控制模块，所述信号强度捕获模块用于获取地面能够识别UAV提供信号的强度，所述信号广度捕获模块用于获取UAV提供的信号覆盖的范围，所述计算处理模块用于根据捕获的强度信息和范围信息计算出UAV的合适高度，所述高度控制模块基于计算结果调整UAV至对应高度，UAV将调整信息通过所述UAV交互模块发送至邻近的其余UAV，邻近的UAV根据获取的信息进行高度调整；
UAV上搭载通讯模块，通过多架UAV上的通讯模块在某一区域搭建临时信号网络提供该区域临时通讯服务，所述UAV交互模块基于不同于UAV提供的信号网络的无线传感网络，所述信号网络与所述传感网络互不影响；
所述信号强度捕获模块向外发送查询信号，当无线设备在接收到查询信号后反馈包括所述无线设备识别的信号网络强度的返回信号，所述信号强度捕获模块接收所述返回信号并提取其中的强度信息，在该UAV信号网络覆盖范围内有多个无线设备，每个无线设备返回的强度信息为Ii，返回信息所用的时间为ti，所述信号强度捕获模块根据每个强度信息计算出综合信号强度I0：
Figure BDA0003088365800000131
其中，n为信号网络覆盖范围内无线设备的数量；
所述信号广度捕获模块包括定向探测设备，所述定向探测设备使用与通讯模块相同的功率沿一方向发射电波，电波经障碍物反射后再被所述定向探测设备接收，当接收电波的强度恰好等于阈值时，反射点被认为是信号覆盖范围的边界，此时发射方向与竖直方向的夹角为θ，水平转动所述定向探测设备Δα角，再沿经线方向调整所述定向探测设备使其接收的反射电波强度恰好等于阈值，不断重复该过程使所述定向探测设备在水平方向旋转一周，得到角度函数θ(α)的多个离散点，离散点个数为
Figure BDA0003088365800000141
所述Δα设置为能够被2·π整除，并记
Figure BDA0003088365800000142
信号覆盖范围面积S为：
Figure BDA0003088365800000143
其中，所述h为UAV当时所在高度；
所述计算处理模块根据所述综合信号强度I0和信号覆盖范围面积S计算出UAV高度适宜指数P：
Figure BDA0003088365800000144
所述高度控制模块实时记录UAV所处高度h以及对应的高度适宜指数P，并控制UAV上下移动调整高度，选择出使所述高度适宜指数P最大的高度h并将UAV停留在该高度；
上述选择适宜高度的方法为伪枚举方法，效率较低，下面介绍一种新的方法来挑选出适宜高度；
所述UAV在初始状态时所处高度为h1，对应的高度适宜指数为P1，控制UAV向上移动Δh高度，得到对应的高度适宜指数为P2，再控制UAV向上移动Δh高度，得到对应的高度适宜指数为P3，所述计算处理模块根据上述数据计算出调节高度h′：
h′＝(P3-P2)2·(P2-P1)·Δh；
控制UAV调整h′高度，以新高度作为h1不断重复上述过程，直至出现P1＜P2＞P3或者h′＜2Δh，当出现P1＜P2＞P3时，以P2对应的高度作为适宜高度，当出现h′＜2Δh，选择上述调整过程中出现的最大P值对应的高度作为适宜高度；
当所述信号网络覆盖范围内有无线设备进行通讯时，且所述信号强度捕获模块捕获到的该无线设备的信号强度不足时，所述高度控制模块会控制UAV降低高度以增强所述无线设备能够获取的信号强度，但UAV在降低高度的同时会减小信号网络覆盖范围，此时UAV通过所述UAV交互模块向邻近UAV发送调整信息，邻近UAV在接收到调整信息后调整高度以扩大其信号网络的覆盖范围进而弥补所述UAV缩小的信号网络覆盖区域，当所述无线设备通讯完成后，所述UAV恢复至适宜高度并通过所述UAV交互模块向邻近UAV发送恢复信息，所述邻近UAV在接收到恢复信息后也恢复至原有的适宜高度；
无线设备能够流畅通讯的信号强度为Ilow，当所述无线设备的信号强度I＜Ilow时，降低UAV高度用来增强信号强度I，所述计算处理模块计算出需要降低的高度ht：
Figure BDA0003088365800000151
其中，n为传播因子，h为原有的适宜高度；
所述信号广度捕获模块在UAV降低高度后重新获取信号覆盖范围并得到新的角度函数θ′(α)，UAV通过所述UAV交互模块将所述新角度函数θ′(α)信息、在适宜高度时的角度函数θ(α)信息以及高度信息发送至邻近的UAV，其中α角是与正东方向之间的夹角，且顺时针为正，逆时针为负；
以UAV为顶点，UAV与邻近UAV的连线以及正东方向构成的夹角为β，则邻近UAV所需要的角度函数中的信息为满足
Figure BDA0003088365800000152
的信息，邻近UAV利用角度函数计算出范围变化函数L(α)：
Figure BDA0003088365800000153
但α仍是以UAV为圆心的角度，邻近UAV需将范围变化函数转换为以邻近UAV为圆心的调整函数L′(α)：
Figure BDA0003088365800000154
邻近UAV通过调整高度使其覆盖范围满足调整函数L′(α)，从而弥补UAV减少的部分覆盖区域；
通过所述UAV交互模块使某一区域内的多个UAV能够在无需外部主控中心情况下自主协调工作，灵活地应对该区域内变化的通讯需求。
虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。也就是说上面讨论的方法，系统和设备是示例。各种配置可以适当地省略，替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行方法，和/或可以添加，省略和/或组合各种部件。而且，关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合，如可以以类似的方式组合配置的不同方面和元素。此外，随着技术发展其中的元素可以更新，即许多元素是示例，并不限制本公开或权利要求的范围。
在说明书中给出了具体细节以提供对包括实现的示例性配置的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践配置例如，已经示出了众所周知的电路，过程，算法，结构和技术而没有不必要的细节，以避免模糊配置。该描述仅提供示例配置，并且不限制权利要求的范围，适用性或配置。相反，前面对配置的描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。
综上，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，包括信号强度捕获模块、信号广度捕获模块、UAV交互模块、计算处理模块和高度控制模块，所述信号强度捕获模块用于获取地面识别到的信号强度，所述信号广度捕获模块用于获取信号覆盖范围，所述计算处理模块用于根据捕获的强度信息和范围信息计算出UAV的合适高度，所述高度控制模块基于计算结果调整UAV至对应高度，所述UAV交互模块构建成无线传感网络用于UAV之间的信息交互以达成协作应对变化的地面通讯需求。
2.如权利要求1所述的一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，所述信号强度捕获模块获取综合信号强度I0，所述信号广度捕获模块获取信号覆盖范围面积S，所述计算处理模块计算出UAV高度适宜指数P：
Figure FDA0003088365790000011
所述高度控制模块调整UAV的高度使其高度适宜指数最大。
3.如上述权利要求之一所述的一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，所述信号强度捕获模块发送查询信号，地面上的无线设备接收查询信号后返回强度信息Ii，返回信息所用的时间为ti，所述信号强度捕获模块根据每个强度信息计算出综合信号强度I0：
Figure FDA0003088365790000012
其中，n为信号网络覆盖范围内无线设备的数量。
4.如上述权利要求之一所述的一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，所述信号广度捕获模块包括定向探测设备，所述探测设备沿(α，θ)方向发射电波后接收的反射电波强度等于阈值时反射点为信号覆盖范围边界，其中α为与正东方向的夹角，θ为与竖直方向的夹角，改变α值，使所述定向探测设备沿水平方向旋转一周并获得函数θ(α)，所述α的变化间隔为Δα，所述Δα设置为能够被2·π整除。
5.如上述权利要求之一所述的一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，所述信号广度捕获模块计算出信号覆盖范围面积S为：
Figure FDA0003088365790000013
其中，所述h为UAV当时所在高度，
Figure FDA0003088365790000014
6.如上述权利要求之一所述的一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，UAV在初始状态时所处高度为h1，对应的高度适宜指数为P1，控制UAV向上移动Δh高度，得到对应的高度适宜指数为P2，再控制UAV向上移动Δh高度，得到对应的高度适宜指数为P3，所述计算处理模块根据上述数据计算出调节高度h′：
h′＝(P3-P2)2·(P2-P1)·Δh；
控制UAV调整h′高度，以新高度作为h1不断重复上述过程，直至出现P1＜P2＞P3或者h′＜2Δh，当出现P1＜P2＞P3时，以P2对应的高度作为适宜高度，当出现h′＜2Δh时，选择上述调整过程中出现的最大P值对应的高度作为适宜高度。
7.如上述权利要求之一所述的一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，当所述信号网络覆盖范围内有无线设备进行通讯时，且所述信号强度捕获模块捕获到的该无线设备的信号强度不足时，所述高度控制模块会控制UAV降低高度以增强所述无线设备能够获取的信号强度。
8.如上述权利要求之一所述的一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统，所述UAV降低高度后通过所述UAV交互模块向邻近UAV发送调整信息，邻近UAV在接收到调整信息后调整高度以扩大其信号网络的覆盖范围进而弥补所述UAV缩小的信号网络覆盖区域。
9.一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中包括一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统程序，所述基于无线传感网络的UAV高度定位系统程序被处理器执行时，实现如权利要求1至8中任一项所述的一种基于无线传感网络的UAV高度定位系统步骤。
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