[发明专利]一种中继无人机通信与运动耗能联合优化方法

说明书

本发明公开了一种中继无人机通信与运动耗能联合优化方法，目的是解决无人机中继系统总耗能优化的问题。技术方案是：构建由地面移动机器人、空中移动无人机中继U和固定空中基站BS组成无人机中继系统；地面移动机器人将执行任务结果发送给U；U根据地面移动机器人的当前时间步终点位置、总数据信息、环境中障碍物信息和通信环境规划出U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。U及地面移动机器人间以最优通信功率进行数据传输；U将接收的数据同步转发给BS，BS处理数据并根据U的剩余电量发送控制指令给U。本发明可满足有障碍物环境中最低通信需求，最小化通信与运动总耗能，延长服务时长，保障U的航迹更准确。

技术领域

本发明涉及无人机无线通信技术领域，更具体地，涉及一种中继无人机通信与运动耗能联合优化方法。

背景技术

在多机器人系统中，保持机器人与基站间的无线通信质量非常重要。而基站通常远离任务执行现场，环境中的障碍物很可能导致通信发生严重延迟、通信质量受损或者通信范围受限。由于无人机的高速移动性和灵活性，在移动机器人与基站之间部署移动无人机中继是提高通信质量的一种方式。

一般来说，无人机中继系统包括若干链路对，每队链路对包括地面移动机器人、无人机中继和空中基站。由地面移动机器人在地面执行任务，比如采集数据，并将任务数据发送给空中无人机中继。然后空中无人机中继对数据进行转发，发送回基站。但是移动无人机由于本身尺寸与重量限制，电池容量很有限，因此如何合理规划移动无人机航迹和通信功率分配，从而在满足任务需求的同时最大限度地降低系统总耗能以延长系统提供服务的时长，这是多机器人系统中无人机辅助中继通信领域面临的一个挑战。

目前，已有部分研究提出关于无人机航迹和通信功率优化的方法。公开号为CN111107515A，公开日为2020.05.05的发明专利“无人机多链路中继通信系统的功率分配与飞行路线优化方法”，提供了一种联合优化信源/无人机的发射功率以及无人机的飞行轨迹从而最大化多对信源-目标用户链路的最小平均速率的方法，提高了频带利用率，但该方法未考虑无人机的运动能耗问题。S.Zhang和H.Zhang发表在IEEE WirelessCommunications Letters的论文“Joint trajectory and power optimizationforUAVrelay networks”提供了一种联合优化信源/无人机的发射功率和无人机航迹从而提高通信质量的方法，但是该方法未考虑环境中存在障碍物的情况。J.Chen和D.Gesbert发表在IEEE international conference on communications的论文“Optimal positioningof flying relays for wireless networks:ALOS map approach”考虑了环境中存在障碍物的情况，提供了一种考虑直视通信和非直视通信的优化无人机的航迹以提高通信质量的方法，但是该方法只考虑了通信耗能的优化，未考虑无人机运动耗能的优化。

综上所述，现有的无人机中继航迹和通信功率优化方法主要是考虑环境中不存在障碍物的情况，或者只考虑通信能耗的优化，在实际情况下都有性能缺陷。在有障碍物的环境中，最小化无人机中继系统总耗能优化的问题还没有公开文献涉及。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种中继无人机通信与运动耗能联合优化方法，解决存在障碍物的环境中无人机中继系统总耗能优化的问题，通过地面移动机器人、无人机通信功率分配和无人机航迹规划，满足有障碍物环境中系统最低通信需求，最小化无人机中继系统通信与运动总耗能。