[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

本發明公開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u_0獲取無線網絡中M個傳感節點的位置；(2)數據中心u_0根據上述傳感節點的上傳時間和分簇權重γ；(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；(4)存儲當前分簇權重γ對應的無人機數據收集方案；(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^*。本發明提供一種采用分簇方法來預先調整無人機數據收集點位置及其與傳感節點之間的距離，有效地平衡了所有傳感節點數據傳輸時間與無人機飛行時間，使得傳感節點的信息年齡不隨網絡規模增大而急劇增加，從而適用于不同的無線傳感網絡規模。

技術領域

本發明涉及無線傳感網絡數據采集領域，尤其涉及一種基于最小化信息年齡的新型無人機數據收集方法。

背景技術

無線傳感網絡本質是通過靈活部署的傳感器從監視場景中獲取應用所需要的有效數據，它是感知層與應用層之間的紐帶，因此設計合理的無線數據收集方案至關重要；目前廣泛使用的無線數據收集方式包括多跳無線路由轉發、物聯網和衛星通信等，因其功耗大可靠性低、系統維護費用高、建設成本高等缺點，無法有效地應用到一些特殊場景中，尤其對于數據時效性敏感的場景，比如火災、地震等自然災害場景，因此，保證感知數據新鮮度的數據采集方式成為解決上述問題的關鍵。

無人機具有機動性高、部署靈活、運營成本低等特點，近來被廣泛應用到巡航、物流、測繪等各種場景；作為操控性極強的移動數據采集器，無人機特別適用于人煙稀少或不適合人類活動的應用場合，通過飛行和通信控制來提高數據采集性能，一方面，傳感節點無需時刻保持工作狀態，可以在無人機飛近時從休眠狀態中蘇醒，根據無人機指令進行數據采集，做到何時需要何時采集，節省了傳感節點的能量；另一方面，無人機可以在飛近傳感節點時與之建立視距通信鏈路，隨后進行感知數據的傳輸，有效降低了傳感節點的發射功率，也能降低數據包的丟失率；因此，無人機數據采集能夠提高傳感節點的能量效率，延長無線傳感網絡的使用壽命。

為了提高數據采集性能，現有無人機數據采集技術主要在無人機通信與飛行控制兩個方面進行改進和優化；Abdulla等人在“An optimal data collection technique forimproved utility in UAS-aided networks”一文中提出一種基于自適應調制與時分復用的高能效無人機數據收集方法，傳感節點被分成不同的簇，每個簇的簇頭得到公平的時分接入信道機會，與無人機進行直接通信，但是他們并沒有考慮所采集數據的時效性。Tripathi等人在“Age optimal information gathering and dissemination on graphs”一文中提出基于網絡圖的最小化平均和峰值信息年齡的數據收集與傳播方法，無人機作為移動數據中繼節點，在網絡圖中沿著最優的隨機路徑飛行，遍歷訪問每一個傳感節點，當網絡中傳感節點數增多時，所采集的數據信息年齡會增大，數據的時效性無法得到保障。

發明內容

本發明的目的是針對上述現有技術的不足，提出一種基于最小化信息年齡的無人機數據收集方法，通過平衡無人機數據傳輸時間和飛行時間來最小化傳感節點所采樣數據的信息年齡，從而保證采樣數據的時效性。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方法包括如下步驟：

(1)以一個數據中心、M個地面傳感節點和一架無人機的無線傳感網絡為基礎，數據中心獲知M個傳感節點的位置，設定無人機飛行高度和速度，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，計算所有M個傳感節點到候選無人機數據收集點的數據上傳時間；

(2)根據傳感節點數據上傳時間，執行分簇算法，確定一組無人機數據收集點及其坐標、每個收集點關聯的傳感節點及其上傳次序：

(2a)執行分簇算法，將所有M個傳感節點分成K簇，將每簇傳感節點關聯到一個無人機數據收集點；