[發明專利]一種聯合分簇和三維軌跡規劃的大規模無人機群數據收集方法

有效

• 申請號: 202110268939.6
• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN113055826B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 周海波;傅愛勇;馬婷;錢博;武天雄
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H04W4/029
• 分類號: H04W4/029;H04W16/22;H04W84/18;H04B7/185;H04B17/382;H04B17/391
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 任志艷

1.一種聯合分簇和三維軌跡規劃的大規模無人機群數據收集方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：無人機群從不同區域以任務驅動采集數據，每個區域對應有一個無人機群，每架無人機都機載了傳感器進行數據采集工作；

S2：對無人機群進行分簇，確定無人機群中簇頭CH數目；每個簇中有一個簇頭CH，其余為簇成員CM，每個區域的多個簇頭CH中有一個簇頭CH為Super-CH，每個簇中的簇成員CM將數據傳輸給簇頭CH，每個區域內的簇頭CH將數據傳輸給Super-CH；

S3：選擇每個簇的簇頭CH和每個區域的Super-CH；

S4：根據分簇結果，每個簇中的簇成員CM將數據傳輸給簇頭CH，每個區域內的簇頭CH將數據傳輸給Super-CH；

S5：T為輪渡無人機完成所有Super-CH數據采集所需的任務完成時間，以最小化任務完成時間T為目標，設計輪渡無人機的最優三維軌跡，具體包括如下步驟：

設Super-CH的位置是恒定的，不隨時間變化，T為輪渡無人機完成所有Super-CH數據采集所需的任務完成時間，對于給定的時間T，將每個Super-CH的位置表示為s_i∈R³，i∈u,0≤t≤T，同時表示輪渡無人機的軌跡q(t)∈R³，0≤t≤T，相應地，輪渡無人機與第i個Super-CH的距離公式為

d_i(t)＝||q(t)-s_i||，i∈u (7)

同時，V_max表示為輪渡無人機的最大速度，得到約束式其中表示q(t)對時間t求導；

輪渡無人機與Super-CH之間的通信鏈路為UAV-UAV鏈路，其通信采用LoS鏈路；所以，輪渡無人機與Super-CH之間的通信采用自由空間路徑損耗模型來表征；

因此，由自由空間路徑損耗模型可知，信道功率增益為

h_i(t)＝λ₀d_i(t)^-2，i∈u (8)

其中λ₀表示在參考距離d₀＝1時的信道功率增益，d_i(t)表示輪渡無人機與第i個Super-CH的距離；

用P_i表示第i個Super-CH的發射功率，B表示總可用帶寬；同時，輪渡無人機與Super-CH之間通信采用頻分多址方案，各Super-CH之間動態分配帶寬；α_i(t)表示為第i個Super-CH在t時刻分配的總帶寬的分數，且i∈u，可以得到約束條件如下:

隨后，當第i個Super-CH傳輸數據到輪渡無人機，α_i(t)0，以比特/秒/赫茲表示其瞬時歸一化可達率如下：

其中γ₀＝λ₀/(BN₀)表示參考距離d₀＝1m處的參考信噪比，d_min表示輪渡無人機與Super-CH之間確保避碰的最小安全距離，N₀為加性高斯白噪聲功率譜密度，單位為w/Hz；

當各Super-CH吞吐量滿足目標要求時，完成輪渡無人機任務；用C_i,i∈u表示第i個Super-CH的吞吐量需求，T為輪渡無人機完成所有Super-CH數據采集所需的任務完成時間；

定義輪渡無人機的軌跡集合Q＝{q(t)}和帶寬分配A＝{α_i(t)}，結合上述公式(8)、(9)和(11)，以最小化完成時間T為目標，滿足所有Super-CH的吞吐量要求的情況下求解出無人機的軌跡集合Q就是輪渡無人機的最優三維軌跡；

S6：輪渡無人機根據規劃的路徑收集各個Super-CH的數據，并將數據傳回基站；

S7：返回S2，進行下一周期的數據采集。