[发明专利]一种无人机巡航通信的能量最小化方法

权利要求书

1.一种无人机巡航通信的能量最小化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立无人机与地面节点之间的通信，设置满足边界节点通信的最小吞吐量Q，在边界节点达到最小吞吐量的前提下计算满足地面节点通信的无人机最优飞行速度；

当边界节点的通信数据量大于边界节点通信的最小吞吐量Q时，则认为边界节点能实现正常通信，计算表达式为：

其中，T₁是无人机对边界节点的通信覆盖时间，d(t)表示节点与无人机之间的距离；

无人机最优飞行速度v′的表达式为：

其中，B_l表示子信道带宽，P_U表示无人机发射功率，N₀表示噪声功率，R是无人机对地面的覆盖半径，H是无人机飞行高度；

S2、将整片矩形区域网格化，确定无人机最大化区域覆盖同时最小化能耗的飞行路径；具体包括：将整片矩形区域划分为大小相同的矩形网格，确定每个网格的几何中心，无人机以内螺旋方式依次巡航每个网格的几何中心和已知聚集点，实现对整个复杂区域的通信覆盖；

S3、根据无人机最优飞行速度和无人机巡航路径计算无人机飞行时间和飞行通信相关的能量，并根据已知聚集点数和相应地聚集点处的节点数计算无人机悬停时间和悬停通信相关的能量；

无人机飞行时间T_f的表达式：

其中，q_m(t_m)为第m段路径的几何中心点，t_m为对应几何中心点处的飞行时间，q_m+1(t_m+1)为第m+1段路径的几何中心点，t_m+1为对应几何中心点处的飞行时间，M为总的路径段数目，v′_m表示第m段路径无人机最优飞行速度；

无人机飞行通信相关的能量E_f的表达式：

其中，d₀，ρ，s，A，U_tip，v₀均为空地动力学和飞行器设计的有关常数；d₀表示机身阻力比值，ρ表示空气密度，s表示无人机转子坚固性，A表示无人机每平方米转子盘面积，U_tip表示无人机转子叶片的叶尖速度，v₀表示无人机悬停时的平均转子感应速度，P₀和P_i分别表示无人机悬停状态下的螺旋桨叶片轮廓功率和感应功率；

无人机悬停时间T_c的表达式为：

其中，G为已知聚集点个数，g∈G；N为对应聚集点处的节点数目，n∈N；L为子信道数目，l∈L；B_l表示子信道带宽，P_U表示无人机发射功率，β表示参考距离1米的信道功率增益，N₀表示噪声功率，R是无人机对地面的覆盖半径，t_c表示控制信令花费的时间；

无人机悬停通信相关的能量E_c的表达式为：

E_c＝(P₀+P_i)T_c

S4、结合无人机飞行时间、飞行通信相关的能量和无人机悬停时间、悬停通信相关的能量计算出在整个系统下，无人机实现巡航通信的最小化能量E_total：