[發(fā)明專利]基于度量學(xué)習(xí)的路標(biāo)圖著色無人機節(jié)能續(xù)航數(shù)據(jù)收集方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110449681.X
• 申請日: 2021-04-25
• 公開（公告）號: CN113163332B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 唐碧華;王濤;方宏昊;劉亭亭;呂秀莎;張青松;王春輝;張洪光
• 申請（專利權(quán)）人: 北京郵電大學(xué)
• 主分類號: H04W4/021
• 分類號: H04W4/021;H04W4/029;H04W4/06;H04W4/40;H04W74/00;H04W84/18;G06K9/62
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本發(fā)明公布了一種基于度量學(xué)習(xí)的路標(biāo)圖著色無人機節(jié)能續(xù)航數(shù)據(jù)收集方法。主要解決無人機輔助傳感器網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量和能耗問題。所述的方法包括：對無人機輔助傳感器網(wǎng)絡(luò)進行模型建立，提出了一種同構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模型，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點都具有移動行，并且具有群體移動性和群體行為特點。然后應(yīng)用概率路標(biāo)構(gòu)造全局地圖。利用度量學(xué)習(xí)的方法對無人機繼續(xù)軌跡優(yōu)化，離線訓(xùn)練度量矩陣，離線訓(xùn)練階段采用LMNN算法構(gòu)造度量矩陣。為了更新節(jié)點信息采用廣播Hello包機制，從基站開始逐跳廣播Hello包。為了保證較高的傳輸成功率和吞吐量，采用了圖著色的方式減少多跳傳輸?shù)臎_突，由于數(shù)據(jù)包的傳輸可能和廣播信息收集節(jié)點重疊，所以本文存在多跳信道分配問題，因此網(wǎng)絡(luò)可以用圖來表示，圖中的每個點代表網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，連接兩點的邊代表兩點的發(fā)包通信，因此多跳網(wǎng)絡(luò)的信道分配問題可以轉(zhuǎn)換為圖著色問題。在支持快速移動的無人機輔助網(wǎng)絡(luò)中，無人機飛行速度較快，且地面節(jié)點可以是具有移動性的移動機器人，因此采用接觸時間劃分優(yōu)先級的信道接入方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無人機輔助傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別涉及基于度量學(xué)習(xí)的路標(biāo)圖著色無人機節(jié)能續(xù)航數(shù)據(jù)收集方法。

背景技術(shù)

隨著電子、傳感器和通信計數(shù)的飛速發(fā)展，無人機廣泛應(yīng)用于各種軍事和民用領(lǐng)域。將無人機應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以有效地采集傳感器數(shù)據(jù)，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。在無人機輔助傳感器網(wǎng)絡(luò)中(UWSNs)，信道接入算法非常重要，它不僅影響系統(tǒng)性能，而且影響傳感器節(jié)點的能效。因此針對UWSNs設(shè)計高效的信道接入算法是一個值得研究的問題。

在無人機輔助傳感網(wǎng)中，由于無人機通常都具有其他任務(wù)，所以無人機都是按照固定的飛行軌跡飛行，在飛行的過程中順便完成數(shù)據(jù)收集的任務(wù)。而隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，以無人機作為數(shù)據(jù)騾子的飛行基站被開發(fā)出來，無人機可以專門用來做數(shù)據(jù)收集，因此如何有效利用無人機的高速移動性規(guī)劃合理的飛行軌跡收集數(shù)據(jù)提高吞吐量成為了需要解決的問題，而規(guī)劃合理的飛行路徑需要無人機收集全網(wǎng)節(jié)點的信息，網(wǎng)絡(luò)從單跳的星型網(wǎng)絡(luò)擴展成多跳網(wǎng)絡(luò)，因此對無人機輔助網(wǎng)絡(luò)的信道接入算法提出了更高的要求。

在過去的研究中，研究者提出了一系列的無線信道接入算法，大致可以分為兩類，基于競爭的信道接入算法和基于分配的信道接入算法。由于不依賴任何拓?fù)浠蛘咄叫畔?，基于競爭的信道接入算?例如CSMA)對拓?fù)鋭討B(tài)變化是魯棒的，然而由于競爭帶來的沖突，在高競爭環(huán)境下協(xié)議的性能會大幅下降。相反，基于分配的信道接入算法(例如TDMA)則利用相鄰節(jié)點之間的同步性，通過將傳輸時隙分配給各個節(jié)點來實現(xiàn)無沖突傳輸，雖然基于分配的協(xié)議通?？梢栽诟吒偁幁h(huán)境下保證較好的網(wǎng)絡(luò)性能，但在低競爭環(huán)境下由于不能重復(fù)利用時隙以及同步帶來的開銷對協(xié)議性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此如何動態(tài)權(quán)衡CSMA和TDMA是值得研究的問題。

無人機(UAV)無線通信由于其高機動性、低成本、按需部署和固有的視距空對地通道，以及與第四代移動通信系統(tǒng)(5G)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，使無人機在軍事和民用應(yīng)用中受到了廣泛的關(guān)注。無人機與地面設(shè)備之間的通信構(gòu)成了地空通信系統(tǒng)，根據(jù)作用不同大致可以分為兩類：無人機群組成的FANET將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婊疽约盁o人機輔助網(wǎng)絡(luò)，無人機輔助網(wǎng)絡(luò)使用無人機作為空中基站收集地面設(shè)備的數(shù)據(jù)。地空通信系統(tǒng)信道模型可以使用自由空間傳播模型，這意味著傳統(tǒng)信道接入算法可以簡單應(yīng)用在地空通信系統(tǒng)中。視距(LOS)通信組件在許多實際場景中主導(dǎo)著空對地通道，特別是在農(nóng)村地區(qū)或中等高度無人機高度。這種信道特性使得信道狀態(tài)信息可以直接由每個節(jié)點的位置來確定，便于高速通信系統(tǒng)的設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明實例為了解決快速移動無人機輔助網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能低下問題及無人機飛行能耗不足問題，采用度量學(xué)習(xí)方法進行路徑規(guī)劃優(yōu)化吞吐量，該方法通過離線訓(xùn)練獲取度量矩陣，在線使用度量矩陣預(yù)測吞吐量和能耗性能最優(yōu)信息，為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明實例提供了度量學(xué)習(xí)的路標(biāo)圖著色無人機節(jié)能續(xù)航數(shù)據(jù)收集方法。度量學(xué)習(xí)方法用于規(guī)劃無人機飛行軌跡，圖著色方法用于信道接入優(yōu)化，方法包括：

根據(jù)無人機輔助傳感器網(wǎng)絡(luò)進行模型建立，將網(wǎng)絡(luò)模型、能耗模型及移動模型應(yīng)用到無人機輔助傳感器網(wǎng)絡(luò)模型之中。