[發(fā)明專利]無(wú)人機(jī)輔助無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)及節(jié)點(diǎn)調(diào)度與路徑規(guī)劃方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810755376.1
• 申請(qǐng)日: 2018-07-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109099918B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王毅;華夢(mèng);馬鵬閣;薛鵬;范遠(yuǎn)璋;邸金紅;鄭寧;牛銅;黃開(kāi)枝;陶然
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院
• 主分類號(hào): G01C21/20
• 分類號(hào): G01C21/20;B60L53/12;B64C39/02
• 代理公司: 北京正陽(yáng)理工知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鮑文娟

1.一種無(wú)人機(jī)輔助無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)調(diào)度與路徑規(guī)劃方法，所述無(wú)人機(jī)輔助無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)包括一個(gè)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)和K個(gè)地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)，所述無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)是無(wú)線能量發(fā)送節(jié)點(diǎn)，在一定時(shí)間內(nèi)按照一定路徑飛行，在每一個(gè)飛行時(shí)刻，無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)向當(dāng)前時(shí)刻調(diào)度出的地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)發(fā)射無(wú)線信號(hào)，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量收集和充電，且每一時(shí)刻僅對(duì)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電，所述方法包括步驟：

1).建立三維空間直角坐標(biāo)系(x,y,z)，z軸坐標(biāo)表示空間的高度位置信息；K個(gè)地面單天線傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在xy平面內(nèi)，即K個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的z軸坐標(biāo)均為0，第k個(gè)地面終端節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)可表示為(x_k,y_k)^T，且所有終端節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)組成集合其中，(·)^T表示矩陣/向量轉(zhuǎn)置；無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)在三維空間中以固定高度H飛行，即無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)的z軸坐標(biāo)均始終為H；無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)單次飛行時(shí)間為T，將該時(shí)間段分割為N個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙寬度為δ，即T＝Nδ；第n個(gè)時(shí)隙無(wú)人機(jī)的位置坐標(biāo)為q[n]＝(x[n],y[n])^T；無(wú)人機(jī)的飛行路徑由各時(shí)隙其所處的位置點(diǎn)集合所描述，即在第n個(gè)時(shí)隙無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)以最大發(fā)射功率P向一個(gè)地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)傳輸無(wú)線能量；以a_k[n]表示第n個(gè)時(shí)隙第k個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的調(diào)度變量，該變量為二進(jìn)制變量，非0即1，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)被選出進(jìn)行能量傳輸和充電時(shí)，a_k[n]＝1，否則，a_k[n]＝0，每個(gè)時(shí)刻最多只有一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)被選出，即其它未被選出的傳感器節(jié)點(diǎn)則處于休眠狀態(tài)；假設(shè)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)到地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的信號(hào)傳輸信道為直視徑，則第n時(shí)隙內(nèi)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)到第k個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的自由空間路徑損耗為

其中，d_k[n]表示第n時(shí)隙無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)到第k個(gè)地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的距離，β₀表示距離為1m、信號(hào)發(fā)射功率為1W時(shí)的信道增益參考值，||·||表示歐幾里得范數(shù)；

2).建立以無(wú)人機(jī)飛行路徑和地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)調(diào)度策略為變量，以最大化傳感器節(jié)點(diǎn)最小獲取能量為目標(biāo)的優(yōu)化模型，并考慮無(wú)人機(jī)最大飛行速度和起止位置，所述優(yōu)化模型如下：

其中，表示在單次飛行時(shí)長(zhǎng)內(nèi)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)到K個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的最小能量獲取值，表示第k個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的總能量，表示第k個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)自有負(fù)載能量，且服從均值為λ_k的泊松分布，表示第n個(gè)時(shí)隙內(nèi)第k個(gè)用戶接收到的無(wú)線信號(hào)功率，其中，k＝1,...,K，η_k∈(0,1)表示第k個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量轉(zhuǎn)換效率，P表示無(wú)人機(jī)無(wú)線能量傳輸裝置的發(fā)射功率，V_max表示無(wú)人機(jī)最大飛行速度，q₀表示無(wú)人機(jī)起始位置，q_F表示無(wú)人機(jī)終止位置；所述無(wú)人機(jī)按照滿足上述優(yōu)化模型約束條件的方式飛行，所述地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)按照滿足上述優(yōu)化模型約束條件的調(diào)度策略運(yùn)行。

2.如權(quán)利要求1所述的無(wú)人機(jī)輔助無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)調(diào)度與路徑規(guī)劃方法，其特征在于，將步驟2)中優(yōu)化問(wèn)題，分解為如下兩個(gè)子優(yōu)化問(wèn)題：

3.1).給定無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)飛行路徑優(yōu)化傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)度變量，如下：

3.2).給定用戶調(diào)度策略{a_k[n]}，優(yōu)化無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)飛行路徑，如下：

3.如權(quán)利要求2所述的無(wú)人機(jī)輔助無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)調(diào)度與路徑規(guī)劃方法，其特征在于，將步驟3.1)中優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換為凸問(wèn)題，包含步驟具體如下：

4.1).將約束條件C3中的傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)度變量a_k[n]松弛為連續(xù)變量，得到步驟3.1)中子問(wèn)題約束條件C3為

由此將步驟3.1)子問(wèn)題轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的線性規(guī)劃問(wèn)題，如下所示：

該線性規(guī)劃問(wèn)題采用標(biāo)準(zhǔn)凸優(yōu)化方法進(jìn)行求解。