[發明專利]一種固定翼無人機通信過程能量優化方法

有效

• 申請號: 202110321632.8
• 申請日: 2021-03-25
• 公開（公告）號: CN113050453B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發明（設計）人: 寧召柯;李彬;張藝嚴;余琪;朱勃帆;魏鈺良
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 成都眾恒智合專利代理事務所(普通合伙) 51239
• 代理人: 劉華平

本發明公開了一種固定翼無人機通信過程能量優化方法，首先通過無人機坐標系的轉換推導出無人機在高度固定與高度可變兩種情況下的模型方程；然后建立一個無人機通信過程中的信道方程；建立無人機發動機能耗方程；所需要的方程建立完成后，將研究的問題描述為具有連續狀態不等式約束和等式約束的非線性最優控制問題；最后將最優控制問題方程進行轉換，將無人機無線通信問題轉化為非線性最優參數選擇的典型數學問題，之后通過梯度的方法進行求解，來最小化無人機的能量損耗。與時間優化相比，優化后的能量軌跡更加穩定，能耗降低了很多。

技術領域

本發明涉及無人機技術領域，尤其涉及一種固定翼無人機通信過程能量優化方法。

背景技術

近來，無人飛行器(UAV)無線通信已被廣泛使用，引起了越來越多的關注。使用UAV進行通信的優點是，與使用固定基礎結構進行通信相比，它具有顯著的性能，例如靈活的部署，強大的視線(LoS)鏈接，并且在大多數情況下都可以建立鏈接，從而使其成為可能通過直接交流。它的應用也相當廣泛，并且在民用和商業領域出現了許多新應用，包括天氣監視，森林火災檢測，貨運，緊急搜尋和救援，通訊中繼等。因此，無人機無線通信是當今最熱門的通信手段之一。如何使無人機在通信過程中的能量消耗最小化成為當前比較關注的一個問題，在以上的背景下，需要進行無人機的軌跡優化，以減少無人機在飛行過程中所損耗的能量。

在“An energy efficient design for UAV communication with mobile edgecomputing”這篇文章中提出了一種帶有移動邊緣計算(MEC)的無人機通信系統。同時優化無人機的軌跡和任務分配以及CPU的計算速度，以最小化整個系統的能耗。通過應用離散線性狀態空間近似技術獲得近似優化問題，然后通過線性化將非凸約束轉化為凸約束。最后，提出了一種基于凹凸過程的算法來逼近優化問題。在“Energy-Efficient UAVCommunication With Trajectory Optimization”整篇文章中，綜合考慮了無人機的通信吞吐量和能耗，得出了固定翼無人機推進能耗的理論模型。在此基礎上，定義了無人機通信的能效，并進行了有效的設計，使用離散線性狀態空間逼近和順序凸優化來最大化無人機的能效。

在“基于移動邊緣計算的無人機能耗優化研究”這篇文章中，通過優化固定翼無人機的飛行軌跡、速度、加速度和數據卸載率以及CPU的周期頻率以使得整個網絡的能耗最小化。導出了數據計算的能耗模型，然后結合了數據傳輸能耗模型和固定翼無人機的飛行消耗模型，最后對整個問題進行了建模。由于該問題存在無窮多個優化變量且部分約束是非凸的，難以直接求解，所以首先對優化問題進行離散化，其次導出目標函數的上界并對耦合的優化變量進行解耦合，接著線性化非凸約束，最后提出了一種基于凹凸過程的算法。

以上文章雖然都通過軌跡優化來最小化無人機的能耗，大都是采用凸優化的方法來進行求解，但是可以發現，在他們的文章中都未曾考慮到無人機系統的動力學和運動學方程，也就是說，他們缺少對無人機自身的姿態進行研究。因此，本發明提出了一種控制參數化的方法，將問題轉化為一個具有連續狀態不等式約束和終端等式約束的非線性最優控制問題，通過梯度的方法進行求解，通過仿真，可以發現本發明的方法不僅可以有效的減少無人機在飛行過程中所產生的能耗，還可以使時間盡可能地縮小。

發明內容

本發明的目的是要提供一種固定翼無人機通信過程能量優化方法，首先通過無人機的運動學和動力學方程推導了固定高度和可變高度條件下的固定翼無人機模型。然后將該問題描述為具有連續狀態不等式約束和等式約束的非線性最優控制問題，并通過控制參數化，約束轉錄方法和局部平滑技術等一系列方法加以解決，來最小化無人機通信所損耗的能量。最后提出一個只優化時間的情況進行對比，通過仿真證明本發明的可行性。

為達到上述目的，本發明是按照以下技術方案實施的：

本發明包括以下步驟：

S1：通過無人機坐標系的轉換推導出無人機在高度固定與高度可變兩種情況下的模型方程；