[发明专利]一种中继无人机通信与运动耗能联合优化方法

权利要求书

1.一种中继无人机通信与运动耗能联合优化方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，构建无人机中继系统，无人机中继系统由num个地面移动机器人、一个空中移动无人机中继U和一个固定空中基站BS组成；地面移动机器人是同构或异构机器人；空中移动无人机中继U是具有数据转发功能的旋翼无人机；空中基站BS是计算设备，用于处理接收的数据信息；地面移动机器人与空中移动无人机中继U之间通过存在障碍物的空对地通信链路进行通信，空中移动无人机中继U和固定空中基站BS之间通过存在障碍物的空对空通信链路进行通信；

num个地面移动机器人上安装的软件相同，第i个地面移动机器人M_i除了装有操作系统、机器人操作系统、定位装置外，还装有数据采集模块和通信功率控制模块，i＝1,2,...,num；将时间离散为多个时间步周期T，地面移动机器人根据预规划的任务路线前进；数据采集模块进行数据采集，将采集数据信息存储起来，在第t个时间步起点位置处将预规划好的第t个时间步的终点位置信息和数据采样率信息δ_Mi发送给空中移动无人机中继U；通信功率控制模块接收空中移动无人机中继U规划出的第t个时间步的最优发射功率并将地面移动机器人M_i的通信发射功率调成数据采集模块在终点位置处以向空中移动无人机中继U发送在T内的采集数据信息；

空中移动无人机中继U上除了装有操作系统、机器人操作系统、定位装置外，还装有数据转发模块、航迹规划和通信功率规划模块；航迹规划和通信功率规划模块接收地面移动机器人在第t个时间步终点位置信息和数据采样率信息，根据第t个时间步终点位置信息和数据采样率信息规划出满足通信条件且能最小化无人机中继系统通信运动总耗能的无人机航迹、最优无人机通信功率和地面移动机器人M_i的最优发射功率并将发送给地面移动机器人的通信功率控制模块；空中移动无人机中继U按照规划出的航迹飞行且将自身通信功率调为同时，航迹规划和通信功率规划模块还接收固定空中基站传来的控制指令并规划出空中移动无人机中继U的相应路径；数据转发模块接收num个地面移动机器人分别发送的采集数据信息即总数据信息并转发给固定空中基站的数据接收处理模块，同时，数据转发模块将空中移动无人机中继U的剩余电量信息发送给固定空中基站；

固定空中基站上除了装有操作系统外，还装有数据接收处理模块；数据接收处理模块接收并处理空中移动无人机中继发送来的总数据信息和空中移动无人机中继U剩余电量信息，根据总数据信息和空中移动无人机中继U剩余电量信息判断是否发送返回控制指令或降落控制指令；

第二步，初始化时间步变量t＝1；初始化一个时间步的长度为T，T以秒为单位；

第三步，num个地面移动机器人进行数据采集的方法相同，都是数据采集模块进行图片数据信息的采集；δ_Mi表示地面移动机器人M_i的数据采样率，即每秒采集的数据量，单位为bit/s，根据数据采集模块的采样速率获得；在第t个时间步开始时，地面移动机器人M_i的数据采集模块将数据采样率信息δ_Mi和第t个时间步终点位置信息发送给空中移动无人机中继U的航迹规划和通信功率规划模块；

第四步，空中移动无人机中继U的航迹规划和通信功率规划模块接收地面移动机器人M_i传来的数据采样率信息δ_Mi和第t个时间步终点位置信息，根据环境中障碍物信息和当前通信环境规划出空中移动无人机中继U的最优航迹、最优通信功率和地面移动机器人的最优通信功率，方法是：

4.1航迹规划和通信功率规划模块接收地面移动机器人M_i传来的数据采样率信息δ_Mi和第t个时间步终点位置信息，计算出地面移动机器人M_i在T内预计采集的信息总量Tδ_Mi，构建以最小化无人机中继系统通信运动总耗能为目标的中继无人机航迹规划及地面移动机器人、无人机通信功率分配的数学模型，该数学模型由式⑴表示：

其中，表示空中移动无人机中继U在第t个时间步的终点位置；表示空中移动无人机中继U在第t个时间步的通信发射功率，表示第t个时间步地面移动机器人M_i的通信发射功率；J^t表示第t个时间步无人机中继系统的通信和运动总耗能；t_U,i表示空中移动无人机中继U的数据转发模块向固定空中基站转发地面移动机器人M_i发送数据的传输时长，t_Mi表示地面移动机器人M_i向空中移动无人机中继U发送采集数据的传输时长，由式⑵和式⑶计算：

t_U,i＝Tδ_Mi/B₁S_U ⑵

t_Mi＝Tδ_Mi/B₂S_Mi ⑶

其中，S_U表示空中移动无人机中继U传输数据的频谱效率,S_Mi表示地面移动机器人M_i传输数据的频谱效率，B₁表示存在障碍物的空对空通信链路信道带宽，B₂表示存在障碍物的空对地通信链路信道带宽；

E_move表示空中移动无人机中继U的飞行耗能；空中移动无人机中继U在传输数据时为悬停状态，E_hover表示空中移动无人机中继U的悬停耗能，由下面式⑷和式⑸计算：

其中，k是空中移动无人机中继U相关运动耗能参数，根据无人机厂家提供的飞行放电曲线获得；是空中移动无人机中继U在第t个时间步移动的距离；k’是空中移动无人机中继U相关悬停耗能参数，根据无人机厂家提供的悬停放电曲线获得；v_U为空中移动无人机中继U的飞行速度，t_wait为空中移动无人机中继U等待地面移动机器人到达第t个时间步终点位置的时间，由式⑹计算：

式(1)中的表示从地面移动机器人M_i通过空中移动无人机中继U到固定空中基站的端到端包容错率，由式⑺计算：

式(1)中的p_max是无人机中继系统能容忍的端到端包容错率的阈值，数字越小表示对通信链路通信质量的要求越高；式(7)中的α_n是传输模式相关因子，C_Mi,U表示地面移动机器人M_i与空中移动无人机中继U间通信链路的平均信道功率增益，C_U,BS表示空中移动无人机中继U与固定空中基站BS间通信链路的平均信道功率增益，由式⑻和式⑼计算：

C_Mi,U＝||x_Mi-x_U||^-β/N₀B₂Ψ_Mi,U ⑻

C_U,BS＝||x_U-x_BS||^-β/N₀B₁Ψ_U,BS ⑼

其中，x_Mi表示地面移动机器人M_i所在的位置，x_U表示空中移动无人机中继U所在的位置，x_BS表示固定空中基站BS所在的位置，||x_U-x_BS||表示空中移动无人机中继U与固定空中基站BS之间的欧氏距离，||x_Mi-x_U||表示地面移动机器人M_i与空中移动无人机中继U之间的欧氏距离，N₀表示加性高斯白噪声的功率谱密度，β表示路径损耗指数；Ψ_Mi,U表示地面移动机器人M_i与空中移动无人机中继U间的考虑衍射和多径的阴影衰落参数，Ψ_U,BS表示空中移动无人机中继U与固定空中基站BS间的考虑衍射和多径的阴影衰落参数；Ψ_Mi,U和Ψ_U,BS这两个参数统一表示为信息发送方m与信息接收方n之间的考虑衍射和多径的阴影衰落参数Ψ_mn，m代表地面移动机器人M_i、固定空中基站、空中移动无人机中继中任意一个，n代表地面移动机器人M_i、空中移动无人机中继、固定空中基站中任意一个，Ψ_mn服从高斯随机分布，由式⑽计算：

其中，当通信信道不经过障碍物时，为直视通信即LOS时，Ψ_mn的高斯分布参数均值为μ_mn,LOS，方差为Ψ_mn,LOS表示直视通信时的Ψ_mn；当通信信道经过障碍物时，为非直视通信即NLOS时，Ψ_mn的高斯分布参数均值为μ_mn,NLOS，方差为Ψ_mn,NLOS表示非直视通信时的Ψ_mn；上述参数由信息发送方m与信息接收方n之间的通信夹角共同决定；

4.2航迹规划和通信功率规划模块固定空中移动无人机中继U航迹，将公式(1)简化为地面机器人M_i、空中移动无人机中继U通信功率分配问题，由目标函数式⑾和约束函数式⑿表示：

采用凸优化问题求解方法对式⑾和式⑿进行求解，得到固定中继无人机航迹的通信功率分配方案，即如式⒁和式⒂所示的用表示和地面移动机器人M_i在第t个时间步的最优通信功率以及空中移动无人机中继U在第t个时间步的最优通信功率如式⒁和式⒂所示：

其中，参数s的含义和范围与i相同，和b^t是为了简便表达设置的参数，由式⒃和式⒄计算：

4.3航迹规划和通信功率规划模块将4.2中得到的以及带入公式⑴，得到无人机航迹规划问题并求解；无人机航迹规划问题由目标函数式⒅和约束函数⒆组成：

4.4航迹规划和通信功率规划模块将目标函数式⒅定义域划分为直视通信区域D_LOS和非直视通信区域D_NLOS，并将直视通信区域和非直视通信区域分别划分为凸子区域，得到N个凸子区域即D₁,D₂,…,D_j,…,D_N，j＝1,2,…,N，N为正整数，将无人机航迹规划问题的定义域D限定在任意一个凸子区域D_j，无人机航迹规划问题成为凸优化问题；

4.5利用凸优化问题求解方法求解公式(18)和(19)，将定义域D限定在任意一个凸子区域D_j内的子问题，得到无人机航迹规划问题即式⒅和式⒆在多个凸子区域内的最优解，令为{(J₁,x₁),(J₂,x₂),…,(J_j,x_j),…,(J_N,x_N)}，通过对比J₁,J₂,…,J_j,…,J_N的数值，得到耗能最少的最优解，令为J_k，k＝1,2,…,N，则对应的解x_k即为第t个时间步最优的无人机终点位置将离散的时间连续起来看，多个时间步的最优的无人机终点位置共同构成了空中移动无人机中继的最优航迹；

4.6航迹规划和通信功率规划模块将第t个时间步最优的无人机航迹带入的式⒁和式⒂，得到地面移动机器人M_i在第t个时间步的最优通信功率以及空中移动无人机中继U在第t个时间步的最优通信功率

第五步，空中移动无人机中继U飞行到航迹规划和通信功率规划模块规划出的第t个时间步的最优航迹处即处，待地面移动机器人M_i也到第t个时间步的终点位置时，航迹规划和通信功率规划模块将M_i在第t个时间步的最优通信功率发送给M_i，M_i的通信功率控制模块接收并将M_i的通信功率调成同时航迹规划和通信功率规划模块将U的通信功率调为

第六步，num个地面移动机器人的数据采集模块按照各自的最优通信功率将各自采集的数据信息发送给空中移动无人机中继U的数据转发模块；

第七步，空中移动无人机中继U的数据转发模块从num个地面移动机器人的数据采集模块接收各自发送的采集数据信息即总数据信息，按照U的最优通信功率将总数据信息转发给固定空中基站BS的数据接收处理模块；同时，U的数据转发模块将U的剩余电量信息发给固定空中基站BS；

第八步，固定空中基站BS的数据接收处理模块一边接收空中移动无人机中继U发送的总数据信息和U的剩余电量信息，对总数据信息和剩余电量信息进行处理；一边判断U剩余电量是否充足，发送相应控制指令给U；具体方法是：

8.1数据接收处理模块接收U发送的总数据信息和剩余电量信息；

8.2数据接收处理模块对U转发的总数据信息进行图像识别，得到图像识别结果；同时数据接收处理模块根据U的剩余电量信息判断U的电量是否充足，若剩余电量大于等于剩余电量阈值，表示剩余电量充足，转至8.3；若剩余电量小于剩余电量阈值，表示不充足，转至8.4；

8.3第t个时间步结束，令t＝t+1，转至第三步，进入下一时间步的中继处理过程；

8.4数据接收处理模块根据空中移动无人机中继U发送的剩余电量信息和无人机中继当前定位判断U剩余电量是否能支撑U飞到固定空中基站BS；用E_left表示剩余电量信息，若则转至8.6；否则，转至8.5；

8.5数据接收处理模块发送降落控制指令给空中移动无人机中继U，U的航迹规划和通信功率规划模块接收降落控制指令，U原地降落，转第九步；

8.6数据接收处理模块发送返回控制指令给无人机中继U，U的航迹规划和通信功率规划模块接收返回控制指令，U返回固定空中基站所在位置，转第九步；

第九步，结束。