[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

本發明屬于無線傳感器網絡技術領域，具體涉及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，根據地理位置，每個區域對應一個無人機群，我們在每個區域選擇一個Super?CH來收集該區域的所有數據，輪渡無人機只需要從幾架Super?CH無人機上收集數據。首先通過優化傳輸時延確定CH的數量，然后應用改進的k?means算法在每個區域的節點中選擇相應的簇頭CH和唯一的Super?CH。隨后，我們提出了一種基于BCD的迭代方法來設計輪渡無人機的最優三維軌跡，從而使其完成Super?CH數據收集的時間最小化。

技術領域

本發明屬于無線傳感器網絡技術領域，具體涉及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。

背景技術

隨著下一代無線網絡數據需求的爆炸性增長，第五代(5G)或后5G(B5G)通信的研究得到快速發展。由于地面基站部署在固定位置，移動性、靈活性等方面受到了限制，為了克服這些缺點，無人機被引入增強地面通信。在無線傳感網中無人機可以實現數據采集并將采集到的數據傳輸給目標基站。由于無人機的高海拔，更可能采用視距(LoS)通信，其具有更穩定的通信鏈路和更快的傳輸速率。與地面固定的傳感器節點相比，無人機作為傳感器節點具有更高的移動性，能夠擴大任務覆蓋范圍。同時對于臨時事件的部署更加靈活和迅速。

無線傳感器網絡的傳統方法是通過多跳傳感器通信來收集數據，這具有很大的能量消耗、高時延和鏈路擁塞等問題。因此，針對由無人機群組成的大規模傳感網絡，采取有效的聚類可以降低通信開銷，提高可擴展性，最大限度地提高吞吐量。具體地說，無人機群被劃分為小群，稱為簇，每個簇中有一個簇頭(cluster head,CH)和簇成員(clustermembers，CMs)，通過簇頭收集每個簇群的數據信息。從無人機群中合理地選擇簇頭CH，可以有效地控制無人機群的通信性能。因此，在每個簇中選擇合適的簇頭CH具有重要意義。

無人機簇成員從地面收集數據并將數據傳輸到簇頭后，簇頭CH需要將數據傳輸到輪渡無人機(Ferry UAV)，然后輪渡無人機將從簇頭CH收集到的數據傳輸到遠距離的目標基站。在選擇簇頭CH無人機后，輪渡無人機只需從每個簇頭CH中采集數據，這大大減少了輪渡無人機的能量消耗和時間消耗。為更進一步提高輪渡無人機的通信性能，我們需要對輪渡無人機的軌跡進行優化設計。

發明內容

本發明要解決的技術問題是對無人機群進行分簇并選擇簇頭CH、以及對輪渡無人機的三維軌跡進行優化設計，進一步提高輪渡無人機的通信性能，從而最小化無人機群的數據收集時間。

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，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，并暫時在本地儲存采集到的數據。

S2：對無人機群進行分簇，確定無人機群中簇頭CHs數目；每個簇中有一個簇頭CH，其余為簇成員CMs，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CMs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。

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。