[發(fā)明專利]無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中基于自組織優(yōu)化協(xié)作的連續(xù)覆蓋方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011370491.0
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112564767B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張鶴立;張祎;紀(jì)紅;李曦
• 申請（專利權(quán)）人: 北京郵電大學(xué)
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185;H04W16/18
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實(shí)專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 祗志潔

1.一種無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中基于自組織優(yōu)化協(xié)作的連續(xù)覆蓋方法，其特征在于，無人機(jī)靜止部署輔助基站進(jìn)行通信，無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)一個(gè)無人機(jī)判斷電量不足時(shí)，該無人機(jī)將電量和服務(wù)用戶位置信息通過其他無人機(jī)作為中繼節(jié)點(diǎn)回傳給宏基站，宏基站收到無人機(jī)電量不足信息后，從宏基站派遣輔助無人機(jī)接替電量不足無人機(jī)；在過程中，需要最小化信息回傳能耗和輔助無人機(jī)的推進(jìn)能耗；其中：

(1)電量不足無人機(jī)回傳電量和服務(wù)用戶位置信息給宏基站時(shí)，回傳的信息量固定，作為中繼節(jié)點(diǎn)的每個(gè)無人機(jī)分配給回傳信息的帶寬固定，無人機(jī)之間傳輸?shù)陌l(fā)射功率固定，將信息回傳能耗問題轉(zhuǎn)化為信息多跳傳輸?shù)穆窂竭x擇問題，選擇耗時(shí)最低的路徑作為信息回傳路徑；被選擇為中繼節(jié)點(diǎn)的無人機(jī)，無人機(jī)的剩余信息量要大于等于回傳信息量L；

在獲得耗時(shí)最低的信息回傳路徑后，電量不足無人機(jī)選取耗時(shí)最低的路徑的步驟包括：

(1.1)將每個(gè)無人機(jī)和宏基站都作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)間通信情況建立鄰接矩陣A，將電量不足無人機(jī)作為起始節(jié)點(diǎn)，宏基站作為終止節(jié)點(diǎn)，鄰接矩陣A中元素a_ij表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的通信時(shí)延；當(dāng)i＝j(luò)時(shí)，a_ij＝0；當(dāng)節(jié)點(diǎn)i和j存在直接通信鏈路時(shí)，a_ij取值為兩節(jié)點(diǎn)的通信時(shí)延；當(dāng)節(jié)點(diǎn)i和j不存在直接通信鏈路，或者節(jié)點(diǎn)i或j的剩余信息量小于回傳信息量時(shí)，a_ij取值為∞；

(1.2)基于鄰接矩陣A使用Dijkstra算法來尋找起始節(jié)點(diǎn)到終止節(jié)點(diǎn)的耗時(shí)最低路徑；

(2)將輔助無人機(jī)的飛行時(shí)間等分為M個(gè)時(shí)隙，設(shè)無人機(jī)在每個(gè)時(shí)隙中處于勻速飛行，M為正整數(shù)；設(shè)置輔助無人機(jī)的起點(diǎn)位置和終止位置，在輔助無人機(jī)的推進(jìn)路徑上約束飛行位置不與當(dāng)前部署的分布式無人機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞，在最大容忍時(shí)延下優(yōu)化輔助無人機(jī)的飛行軌跡，使推進(jìn)能耗最??；輔助無人機(jī)根據(jù)優(yōu)化的飛行軌跡飛行到終止位置，替換電量不足無人機(jī)；

計(jì)算電量不足無人機(jī)的容忍時(shí)間T_limit，根據(jù)下式計(jì)算獲得：

E_residue-E_reserve-E₀＝P_UT_limit

其中，E_residue代表電量不足無人機(jī)的剩余能耗，E_reserve為電量不足無人機(jī)預(yù)留飛回基站的飛行能耗，E₀為回傳信息的發(fā)射耗能，P_U為電量不足無人機(jī)與覆蓋區(qū)域內(nèi)用戶通信所消耗的發(fā)射功率；

輔助無人機(jī)的最大容忍時(shí)延表示為T_fly，如下：

T_fly＝T_limit-T_tran

其中，T_limit為電量不足無人機(jī)的容忍時(shí)間，T_tran為信息回傳多跳傳輸?shù)目倳r(shí)延；

建立優(yōu)化飛行軌跡以使得輔助無人機(jī)推進(jìn)能耗最小的目標(biāo)函數(shù)，如下：

C1:T_fly＝T_limit-T_tran

C2:q[1]＝ω₁

C3:q[M+1]＝ω_v

C4:||q[i+1]-q[i]||²≤(v_maxτ)²,i∈M

C6:q[i]≠ω_k,k∈κ

其中，q表示輔助無人機(jī)飛行軌跡，飛行軌跡表示為q[1],q[2],…q[M],q[M+1]；q[i]和q[i+1]分別表示輔助無人機(jī)在時(shí)隙i的起始位置和終止位置；T代表輔助無人機(jī)的飛行時(shí)間，T＝T_fly；τ表示時(shí)隙時(shí)長；θ₁代表無人機(jī)推進(jìn)能耗參數(shù)；ω₁和ω_v分別為輔助無人機(jī)的發(fā)射位置和終止位置；v_max表示輔助無人機(jī)的最大飛行速度；ω_k代表當(dāng)前部署的無人機(jī)k的位置，κ代表當(dāng)前部署的無人機(jī)的編號集合；

使用MATLAB中的CVX工具箱對上述目標(biāo)函數(shù)求解，獲取輔助無人機(jī)飛行軌跡。