[发明专利]无人机网络中基于自组织优化协作的连续覆盖方法

权利要求书

1.一种无人机网络中基于自组织优化协作的连续覆盖方法，其特征在于，无人机静止部署辅助基站进行通信，无人机自组织网络，当一个无人机判断电量不足时，该无人机将电量和服务用户位置信息通过其他无人机作为中继节点回传给宏基站，宏基站收到无人机电量不足信息后，从宏基站派遣辅助无人机接替电量不足无人机；在过程中，需要最小化信息回传能耗和辅助无人机的推进能耗；其中：

(1)电量不足无人机回传电量和服务用户位置信息给宏基站时，回传的信息量固定，作为中继节点的每个无人机分配给回传信息的带宽固定，无人机之间传输的发射功率固定，将信息回传能耗问题转化为信息多跳传输的路径选择问题，选择耗时最低的路径作为信息回传路径；被选择为中继节点的无人机，无人机的剩余信息量要大于等于回传信息量L；

在获得耗时最低的信息回传路径后，电量不足无人机选取耗时最低的路径的步骤包括：

(1.1)将每个无人机和宏基站都作为一个节点，根据节点间通信情况建立邻接矩阵A，将电量不足无人机作为起始节点，宏基站作为终止节点，邻接矩阵A中元素a_ij表示节点i和节点j之间的通信时延；当i＝j时，a_ij＝0；当节点i和j存在直接通信链路时，a_ij取值为两节点的通信时延；当节点i和j不存在直接通信链路，或者节点i或j的剩余信息量小于回传信息量时，a_ij取值为∞；

(1.2)基于邻接矩阵A使用Dijkstra算法来寻找起始节点到终止节点的耗时最低路径；

(2)将辅助无人机的飞行时间等分为M个时隙，设无人机在每个时隙中处于匀速飞行，M为正整数；设置辅助无人机的起点位置和终止位置，在辅助无人机的推进路径上约束飞行位置不与当前部署的分布式无人机节点发生碰撞，在最大容忍时延下优化辅助无人机的飞行轨迹，使推进能耗最小；辅助无人机根据优化的飞行轨迹飞行到终止位置，替换电量不足无人机；

计算电量不足无人机的容忍时间T_limit，根据下式计算获得：

E_residue-E_reserve-E₀＝P_UT_limit

其中，E_residue代表电量不足无人机的剩余能耗，E_reserve为电量不足无人机预留飞回基站的飞行能耗，E₀为回传信息的发射耗能，P_U为电量不足无人机与覆盖区域内用户通信所消耗的发射功率；

辅助无人机的最大容忍时延表示为T_fly，如下：

T_fly＝T_limit-T_tran

其中，T_limit为电量不足无人机的容忍时间，T_tran为信息回传多跳传输的总时延；

建立优化飞行轨迹以使得辅助无人机推进能耗最小的目标函数，如下：

C1:T_fly＝T_limit-T_tran

C2:q[1]＝ω₁

C3:q[M+1]＝ω_v

C4:||q[i+1]-q[i]||²≤(v_maxτ)²,i∈M

C6:q[i]≠ω_k,k∈κ

其中，q表示辅助无人机飞行轨迹，飞行轨迹表示为q[1],q[2],…q[M],q[M+1]；q[i]和q[i+1]分别表示辅助无人机在时隙i的起始位置和终止位置；T代表辅助无人机的飞行时间，T＝T_fly；τ表示时隙时长；θ₁代表无人机推进能耗参数；ω₁和ω_v分别为辅助无人机的发射位置和终止位置；v_max表示辅助无人机的最大飞行速度；ω_k代表当前部署的无人机k的位置，κ代表当前部署的无人机的编号集合；

使用MATLAB中的CVX工具箱对上述目标函数求解，获取辅助无人机飞行轨迹。