[发明专利]一种无人机辅助移动云感知的路径规划与任务分配方案有效

专利信息
申请号: 201810799964.5 申请日: 2018-07-20
公开(公告)号: CN110736478B 公开(公告)日: 2021-05-11
发明(设计)人: 刘朋矩;周振宇 申请(专利权)人: 华北电力大学
主分类号: G01C21/34 分类号: G01C21/34
代理公司: 北京高沃律师事务所 11569 代理人: 杜阳阳
地址: 102206*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 无人机 辅助 移动 感知 路径 规划 任务 分配 方案
【权利要求书】:

1.一种无人机辅助的移动云感知下路径规划和任务分配方法,其特征在于,无人机感知环境包括一个目标传感区域,一个移动云感知载体,和几个配备各种传感器及通信设备的无人机;通过移动云感知过程和任务分配策略对传输过程进行合理安排以提高能效;定义子区域集合为任何子区域的拓扑结构都建立成一个图,并用来表示子区域n中的节点集合,其元素即为目标节点;目标节点i和i′之间的路线段定义为其长度定义为当两个节点之间不存在路线段时,规定进一步包括:

1)移动云感知过程:首先移动云感知载体发出传感请求,并招募无人机通过基于互联网的传感平台执行传感任务;定义可用无人机集合为并假设K>N;每个无人机根据任务分配决策执行感知任务,假设子区域n被分配,那么无人机从目标节点i=1开始,沿路线段飞行,穿过子区域的每个目标节点,并在完成传感任务后返回初始位置,通过互联网将采集到的数据上传至平台;

2)任务分配策略:移动云载体和无人机的任务分配决策分别被表示为一个N×K矩阵XN×K和K×N矩阵YK×N,其中第(n,k)个元素表示为二值变量xn,k,其中xn,k=1表示移动云感知载体更喜欢无人机k来执行子区域n的传感任务,否则令xn,k=0;同样,第(k,n)个元素表示为二值变量yk,n,当yk,n=1时表示无人机k更喜欢在子区域n中执行传感任务;

所述移动云感知过程进一步包括:建立针对于移动云感知载体及无人机的效用方程,

1)移动云感知载体的效用方程:对于移动云感知载体来说,它的收入取决于传感任务完成的程度和速度,感知质量、数量和延迟,因此移动云感知载体通过分无人机k到子区域n来获得收益,这个收益计算为

其中价格系数αn将关键参数变成一个统一的单位;用Dn表示与目标节点数量In正相关的子区域n中需要收集的总数据量;δk表示关联于感知设备精确性的无人机k的数据采集量,并为简化起见将Dn和δk设定为常量值;tk,n是无人机为完成传感任务所需要的总时间,即感应延迟,其值依赖于子区域的拓扑结构和无人机的路径规划方案,这里的仅表示收益和感应延迟成反比的数值关系;对于分配的任务,用βn表示类似于αn的价格系数,则移动云感知载体付给无人机的报酬表示为:

pn,k=βnDnδk

因此移动云感知载体的效用表示为取得的收益和付出的报酬的差值,即

其中xn为矩阵XN×K第n行的元素,即xn={xn,1,...,xn,k,...,xn,K};

2)无人机的效用方程:对于无人机k,从移动云感知载体中获得的奖励为上文定义的pn,k;对应的成本表示为总能耗的线性函数,包含推进消耗的能量、方向调整、数据采集和传输消耗的能量,由于一般来说推进和方向调整的能耗比通信高几个数量级,忽略通信损耗以降低计算复杂度;基于稳态直线飞行模型推导出推力的能量消耗,并做出以下两个假设:

①任何无人机在没有水平加速度和突然转向的情况下,以恒定的速度朝着特定方向飞行;

②任何无人机飞行高度恒定,没有垂直加速度;

因此假设每个无人机的速度在某个路线段内保持不变且不同路线段内能够发生变化,用表示无人机通过子区域n的路线段时的速度,相应的推进功率为

其中为平衡由表面摩擦引起的摩擦阻力所需的功率,为平衡空气摩擦引起的摩擦阻力所需的功率,这两者与无人机及环境参数有关,表达为:

其中和分别代表了空气密度和沿路线段的零升力阻力系数,ηk和Wk分别代表了无人机的机翼长宽比和重量;因此飞过路线段的能量损耗为

在目标节点i′处调整前进方向所消耗的能量表示为

其中a(t)表示无人机调整前进方向时的加速度,Tk′表示调整花费的时间,g是重力加速度;经计算发现的值远小于的值,因此忽略;对无人机k来说,子区域n的路线段选择策略集定义为其中,表示无人机选择了路线段速度控制策略的集合定义为因此无人机在子区域n的总能耗表示为:

其中σn为价格系数,则无人机的效用表示为奖励和成本的差值,即

其中yk是矩阵YK×N第k行的元素,并且有yk={yk,1,...,yk,n,...,yk,N}。

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