[发明专利]一种无人机巡航通信的能量最小化方法

说明书

本发明属于空天地一体化领域，涉及无人机巡航和无人机辅助通信技术领域，具体涉及一种无人机巡航通信的能量最小化方法。包括：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；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；计算无人机飞行时间、飞行通信相关的能量、无人机悬停时间和悬停通信相关的能量；计算在整个系统下无人机实现巡航通信的最小化能量。本发明能实现全区域通信覆盖，该发明在提升系统可行性的同时实现无人机通信的节能降耗。

技术领域

本发明属于空天地一体化领域，涉及无人机巡航和无人机辅助通信技术领域，具体涉及一种无人机巡航通信的能量最小化方法。

背景技术

无人机由于其小型化、可任意部署等特点，被大量用于空天地一体化领域，尤其用于无人机辅助通信等，但由于其所携带的能量有限，而大量部署无人机则往往造成能源和成本的浪费，为最大程度地为地面节点提供通信条件并节约成本，有必要研究在满足通信情况下的无人机能量最小化。无人机能量优化所涉及的方面比较多，包括规划无人机飞行路径、优化无人机的飞行时间、优化通信时间等，从而实现无人机的能量最小化。无人机飞行路径的规划方法有多种，考虑到需要对区域实现全覆盖，往往采用网格化、蜂窝化以及圆覆盖方法等。同理优化无人机飞行时间的方法也有多种，包括优化节点通信时间，寻找最优覆盖、最优飞行高度从而减少任务时间等。

目前已有关于无人机能量最小化的研究，但对于节点位置未知的无人机辅助通信的相关研究还比较缺乏。此外，现有技术中，一些研究分析了满足通信延迟的飞行无人机的覆盖率和可达速率，以及满足通信条件的聚集区域的悬停时间最小化以及满足通信下的无人机路径离散化等，但还缺乏满足通信条件下结合无人机路径规划和能量最小化方面的研究。因此，设计一种无人机巡航通信的能量最小化方法对灾后辅助救援以及边缘地区的无线通信有重要意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种无人机巡航通信的能量最小化方法，该方法采用单无人机以“飞行-通信”和“悬停-通信”两种方式实现节点未知区域的通信覆盖和已知聚集区域的悬停覆盖，从而辅助灾后通信；在无人机最大化覆盖区域的同时最小化能耗。

一种无人机巡航通信的能量最小化方法，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；

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；

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；

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。

在一种优选实施方式中，当边界节点的通信数据量大于最小吞吐量Q时，则认为边界节点能实现正常通信，计算表达式为：

其中，P_U表示无人机发射功率，B_l表示子信道带宽，T₁是无人机对边界节点的通信覆盖时间，β中表示参考距离1米的信道功率增益，d(t)表示节点与无人机之间的距离，N₀表示噪声功率。

在一种优选实施方式中，无人机最优飞行速度v′的表达式为：