[發(fā)明專利]一種中繼無人機通信與運動耗能聯(lián)合優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011391208.2
• 申請日: 2020-12-02
• 公開（公告）號: CN112566066B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 史殿習(xí);楊思寧;徐利洋;楊文婧;楊紹武;黃達;藍龍;李林;劉哲;崔玉寧
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號: H04W4/40
• 分類號: H04W4/40;H04W16/14;H04W24/02;H04W52/26;H04W52/46;H04B7/185
• 代理公司: 湖南企企衛(wèi)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 43257
• 代理人: 任合明

本發(fā)明公開了一種中繼無人機通信與運動耗能聯(lián)合優(yōu)化方法，目的是解決無人機中繼系統(tǒng)總耗能優(yōu)化的問題。技術(shù)方案是：構(gòu)建由地面移動機器人、空中移動無人機中繼U和固定空中基站BS組成無人機中繼系統(tǒng)；地面移動機器人將執(zhí)行任務(wù)結(jié)果發(fā)送給U；U根據(jù)地面移動機器人的當前時間步終點位置、總數(shù)據(jù)信息、環(huán)境中障礙物信息和通信環(huán)境規(guī)劃出U最優(yōu)航跡、最優(yōu)通信功率和地面移動機器人的最優(yōu)通信功率。U及地面移動機器人間以最優(yōu)通信功率進行數(shù)據(jù)傳輸；U將接收的數(shù)據(jù)同步轉(zhuǎn)發(fā)給BS，BS處理數(shù)據(jù)并根據(jù)U的剩余電量發(fā)送控制指令給U。本發(fā)明可滿足有障礙物環(huán)境中最低通信需求，最小化通信與運動總耗能，延長服務(wù)時長，保障U的航跡更準確。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無人機無線通信技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種中繼無人機通信與運動耗能聯(lián)合優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

在多機器人系統(tǒng)中，保持機器人與基站間的無線通信質(zhì)量非常重要。而基站通常遠離任務(wù)執(zhí)行現(xiàn)場，環(huán)境中的障礙物很可能導(dǎo)致通信發(fā)生嚴重延遲、通信質(zhì)量受損或者通信范圍受限。由于無人機的高速移動性和靈活性，在移動機器人與基站之間部署移動無人機中繼是提高通信質(zhì)量的一種方式。

一般來說，無人機中繼系統(tǒng)包括若干鏈路對，每隊鏈路對包括地面移動機器人、無人機中繼和空中基站。由地面移動機器人在地面執(zhí)行任務(wù)，比如采集數(shù)據(jù)，并將任務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送給空中無人機中繼。然后空中無人機中繼對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)送回基站。但是移動無人機由于本身尺寸與重量限制，電池容量很有限，因此如何合理規(guī)劃移動無人機航跡和通信功率分配，從而在滿足任務(wù)需求的同時最大限度地降低系統(tǒng)總耗能以延長系統(tǒng)提供服務(wù)的時長，這是多機器人系統(tǒng)中無人機輔助中繼通信領(lǐng)域面臨的一個挑戰(zhàn)。

目前，已有部分研究提出關(guān)于無人機航跡和通信功率優(yōu)化的方法。公開號為CN111107515A，公開日為2020.05.05的發(fā)明專利“無人機多鏈路中繼通信系統(tǒng)的功率分配與飛行路線優(yōu)化方法”，提供了一種聯(lián)合優(yōu)化信源/無人機的發(fā)射功率以及無人機的飛行軌跡從而最大化多對信源-目標用戶鏈路的最小平均速率的方法，提高了頻帶利用率，但該方法未考慮無人機的運動能耗問題。S.Zhang和H.Zhang發(fā)表在IEEE WirelessCommunications Letters的論文“Joint trajectory and power optimizationforUAVrelay networks”提供了一種聯(lián)合優(yōu)化信源/無人機的發(fā)射功率和無人機航跡從而提高通信質(zhì)量的方法，但是該方法未考慮環(huán)境中存在障礙物的情況。J.Chen和D.Gesbert發(fā)表在IEEE international conference on communications的論文“Optimal positioningof flying relays for wireless networks:ALOS map approach”考慮了環(huán)境中存在障礙物的情況，提供了一種考慮直視通信和非直視通信的優(yōu)化無人機的航跡以提高通信質(zhì)量的方法，但是該方法只考慮了通信耗能的優(yōu)化，未考慮無人機運動耗能的優(yōu)化。

綜上所述，現(xiàn)有的無人機中繼航跡和通信功率優(yōu)化方法主要是考慮環(huán)境中不存在障礙物的情況，或者只考慮通信能耗的優(yōu)化，在實際情況下都有性能缺陷。在有障礙物的環(huán)境中，最小化無人機中繼系統(tǒng)總耗能優(yōu)化的問題還沒有公開文獻涉及。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種中繼無人機通信與運動耗能聯(lián)合優(yōu)化方法，解決存在障礙物的環(huán)境中無人機中繼系統(tǒng)總耗能優(yōu)化的問題，通過地面移動機器人、無人機通信功率分配和無人機航跡規(guī)劃，滿足有障礙物環(huán)境中系統(tǒng)最低通信需求，最小化無人機中繼系統(tǒng)通信與運動總耗能。