[發明專利]一種基于最小化信息年齡的無人機數據收集方法

有效

• 申請號: 201910658753.4
• 申請日: 2019-07-19
• 公開（公告）號: CN110543185B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 劉娟;童鵬;王璽鈞;陳波;謝玲富;屈龍
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G08C17/02;H04B7/185;H04W4/38;H04W40/32;H04W84/18
• 代理公司: 寧波中致力專利代理事務所(普通合伙) 33322
• 代理人: 周凱

1.一種基于最小化信息年齡的無人機數據收集方法，包括如下步驟：

(1)數據中心u₀獲取無線網絡中M個傳感節點的位置w_S，m(m＝1，…，M)，設定無人機飛行高度h和速度v的值，將任意一個傳感節點位置設為無人機數據收集點的水平坐標，數據中心u₀計算傳感節點m到候選無人機數據收集點k的上傳時間初始化分簇權重γ、最大分簇權重γ_max和迭代步長為Δγ；

(2)數據中心u₀根據上述傳感節點的上傳時間和分簇權重γ，執行分簇算法：

(2a)將M個傳感節點分成K簇，將每簇節點關聯到一個無人機數據收集點，確定數據收集點k關聯的傳感節點集合J_k(k＝1，…，K)，根據每簇內傳感節點位置w_S，i(i∈J_k)，更新無人機數據收集點k的位置w_k；

(2b)根據上述數據收集點位置w_k(k＝1，…，K)和傳感節點位置w_S，i(i∈J_k)，重新計算傳感節點m到無人機收集點k的數據上傳時間對數據收集點k關聯的傳感節點集合J_k中的節點上傳時間從大到小進行排序，以此作為|J_k|個傳感節點的上傳次序V_k；

(2c)根據上述數據收集點位置w_k，計算無人機在任意兩個數據收集點k和k′之間的飛行時間η_k，k′，以及數據收集點k到數據中心的飛行時間η_k，0；

(3)根據得到的數據上傳時間和無人機的飛行時間η_k，k′，執行路徑規劃算法，確定節點信息年齡效用函數最大的無人機飛行軌跡：

(3a)根據得到的數據上傳時間計算數據收集點k關聯的傳感節點總的上傳時間計算無人機在數據中心的數據卸載時間

(3b)執行信息年齡最優的無人機飛行軌跡規劃算法，確定無人機沿著數據收集點的飛行路徑u＝[u₀，u₁，…，u_K，u₀]，其中u_k是第k個訪問的數據收集點，計算無人機沿著u中每一小段路徑的飛行時間η_k，k+1(k＝0，1，…，K)；

(3c)根據上述得到的無人機飛行路徑u，數據上傳時間總的上傳時間χ_k和飛行時間η_k，k+1，計算傳感節點信息年齡的效用函數值A_u；

(4)存儲當前分簇權重γ對應的無人機數據收集方案，包括無人機數據收集點數K及其坐標w_k、每個數據收集點k關聯的傳感節點集合J_k及其最優的上傳次序V_k、無人機沿著數據收集點的飛行軌跡u、傳感節點信息年齡的效用函數值A_u，更新分簇權重γ＝γ+Δγ，如果γ≤γ_max，執行步驟(2)；否則，比較多組傳感節點信息年齡的效用函數值，選擇使信息年齡效用函數值最小的分簇權重γ^*，確定最優的無人機數據收集方案執行步驟(5)；

(5)無人機從數據中心出發，根據上述得到的最優的無人機飛行軌跡u^*，逐一訪問數據收集點，收集并存儲所關聯的傳感節點的感知數據，飛回數據中心進行數據卸載和處理：

(5a)無人機從u_k(k＝0，1，…，K^*)出發，以速度v直線飛向下一站u_k+1；

(5b)如果u_k+1是數據收集點，執行步驟(5c)；否則執行步驟(5g)；

(5c)無人機向此數據收集點u_k+1關聯的傳感節點廣播一個握手消息，傳感節點收到握手消息后將回傳一個確認消息，建立無人機與傳感節點之間的通信鏈路，初始化上傳節點次序i＝1；

(5d)按照規定的上傳次序，無人機向傳感節點廣播一個上傳指令消息，其中包含第i個上傳的傳感節點的ID；

(5e)傳感節點收到上傳指令消息后，將節點ID與自身ID比較，如果相同，執行感知數據采樣，將數據和時間戳一起封裝在數據包中，以功率P_m向無人機上傳數據包，否則忽略該消息；

(5f)無人機接收并存儲來自傳感節點m的數據包，更新上傳節點次序i＝i+1；如果上傳節點次序執行步驟(5d)；否則，更新數據收集點序號k＝k+1，執行步驟(5a)；

(5g)無人機向數據中心發送握手消息，在收到確認消息后與其建立通信鏈路，以功率P傳輸所存儲的感知數據；數據中心收到所有節點的感知數據包。