[發明專利]無人機輔助無線能量傳輸系統及節點調度與路徑規劃方法

有效

• 申請號: 201810755376.1
• 申請日: 2018-07-11
• 公開（公告）號: CN109099918B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 王毅;華夢;馬鵬閣;薛鵬;范遠璋;邸金紅;鄭寧;牛銅;黃開枝;陶然
• 申請（專利權）人: 鄭州航空工業管理學院
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;B60L53/12;B64C39/02
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鮑文娟

本發明公開了一種基于公平性原則的無人機輔助無線能量傳輸系統及其節點調度和路徑規劃方法。該無線能量傳輸系統包括一個無人機無線能量傳輸節點和K個地面傳感器節點。無人機節點在一定時間內按照一定路徑飛行，在每一個飛行時刻，無人機節點向當前時刻調度出的地面傳感器節點發射無線信號，傳感器節點進行能量收集和充電，且每一時刻僅對一個傳感器節點進行充電。本發明方法從公平性角度出發，以最大化傳感器節點最小獲取能量為目標，并考慮無人機最大飛行速度約束、起始飛行位置等條件，以傳感器節點調度變量、無人機飛行路徑為變量建立數學優化模型。通過連續凸近似等方法，求解得到一種次優的傳感器節點調度與無人機飛行路徑參量解。

技術領域

本發明屬于無線通信與物聯網技術領域，具體涉及基于公平性準則的無人機輔助無線能量傳輸系統及其節點調度與路徑規劃方法。

背景技術

無線傳感器網絡(Wireless Senor Network,WSN)是物聯網應用中的一種重要形式，通過在指定區域內部署大量低成本低功耗的分布式傳感器節點，實時采集相關數據，通過無線通信方式回傳至控制中心，并通過控制中心進行指令下發與運行管理，從而構成一種多跳自組織網絡，可廣泛應用于軍事、智能交通、環境監控、醫療衛生等多個領域。傳感器節點由于尺寸大小和環境等因素影響，通常都依靠自身負載能量(如電池等)維持運行，屬于能量(或功率)受限型設備，而傳感器節點的能源負載量對于整個無線傳感器網絡的正常運作起到了至關重要的作用，也決定著無線傳感器網絡的生存運行周期。

然而，對于傳感器節點的能源補給目前面臨著諸多的挑戰和困難。一方面，通過人為更換傳感器節點電池進行能源供給，這種方式效率較低，成本較高，對于環境惡劣區域的傳感器網絡而言難于實施。另一方面，通過采用自然界能源收集轉換的方式進行能量補給，諸如太陽能等。然而，這種方式經常受到自然界天氣因素的影響，而使得傳感器節點的充電環境很不穩定。在此背景下，研究人員提出了無線能量傳輸技術(Wireless PowerTransfer)，又稱為能量獲取(Energy Harvest)。無線能量傳輸系統通過無線能量發送節點傳送射頻無線電信號，傳感器節點收集該無線電信號后轉換為自身的有效能源負載，從而補充能量，該種方法既避免了人為更為傳感器節點電池的低效率高成本問題，也不會受到天氣等自然環境因素的制約。然而，無線電信號在傳播過程中會遭受路徑損耗，從而影響傳感器節點接收到的無線電信號強度，進而影響能量轉換效果(比如傳感器節點接收到的無線電信號強度過低時，則無法觸發電能轉換轉置，從而使充電失敗)。為了克服這種情況，通常需要拉近無線能量發射結點與傳感器節點的距離，從而降低無線電信號傳輸損耗。然而，由于無線傳感器網絡通常部署區域較大，指定區域范圍內部署有大量的分布式傳感器節點，這樣一來需要放置數量眾多的無線能量發送節點，由此會大幅增加無線能量傳輸系統的部署成本。

與此同時，無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)技術的快速發展，給借助于空中移動平臺的相關行業帶來了諸多新機遇，諸如，道路交通管理，森林火險監視，災害疫情監測，無人機貨物配送，中繼應急通信，熱點區域基站負載均衡等方面。尤其是對于無線能量傳輸系統而言，可以利用無人機平臺的便捷部署、無高速移動等特性，通過在無人機上集成先進的無線能量發送裝置，在指定的無線傳感器網絡區域內按照一定的路徑飛行，在飛行過程中，通過發射無線電信號，對區覆蓋范圍內的所有傳感器節點進行無線能量傳輸。正因為這一優勢，使得基于無人機輔助的無線能量傳輸系統具備了廣闊的應用前景，也成為無線通信和物聯網領域的又一熱點研究方向。