[发明专利]一种联合分簇和三维轨迹规划的大规模无人机群数据收集方法

权利要求书

1.一种联合分簇和三维轨迹规划的大规模无人机群数据收集方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：无人机群从不同区域以任务驱动采集数据，每个区域对应有一个无人机群，每架无人机都机载了传感器进行数据采集工作；

S2：对无人机群进行分簇，确定无人机群中簇头CH数目；每个簇中有一个簇头CH，其余为簇成员CM，每个区域的多个簇头CH中有一个簇头CH为Super-CH，每个簇中的簇成员CM将数据传输给簇头CH，每个区域内的簇头CH将数据传输给Super-CH；

S3：选择每个簇的簇头CH和每个区域的Super-CH；

S4：根据分簇结果，每个簇中的簇成员CM将数据传输给簇头CH，每个区域内的簇头CH将数据传输给Super-CH；

S5：T为轮渡无人机完成所有Super-CH数据采集所需的任务完成时间，以最小化任务完成时间T为目标，设计轮渡无人机的最优三维轨迹，具体包括如下步骤：

设Super-CH的位置是恒定的，不随时间变化，T为轮渡无人机完成所有Super-CH数据采集所需的任务完成时间，对于给定的时间T，将每个Super-CH的位置表示为s_i∈R³，i∈u,0≤t≤T，同时表示轮渡无人机的轨迹q(t)∈R³，0≤t≤T，相应地，轮渡无人机与第i个Super-CH的距离公式为

d_i(t)＝||q(t)-s_i||，i∈u (7)

同时，V_max表示为轮渡无人机的最大速度，得到约束式其中表示q(t)对时间t求导；

轮渡无人机与Super-CH之间的通信链路为UAV-UAV链路，其通信采用LoS链路；所以，轮渡无人机与Super-CH之间的通信采用自由空间路径损耗模型来表征；

因此，由自由空间路径损耗模型可知，信道功率增益为

h_i(t)＝λ₀d_i(t)^-2，i∈u (8)

其中λ₀表示在参考距离d₀＝1时的信道功率增益，d_i(t)表示轮渡无人机与第i个Super-CH的距离；

用P_i表示第i个Super-CH的发射功率，B表示总可用带宽；同时，轮渡无人机与Super-CH之间通信采用频分多址方案，各Super-CH之间动态分配带宽；α_i(t)表示为第i个Super-CH在t时刻分配的总带宽的分数，且i∈u，可以得到约束条件如下:

随后，当第i个Super-CH传输数据到轮渡无人机，α_i(t)0，以比特/秒/赫兹表示其瞬时归一化可达率如下：

其中γ₀＝λ₀/(BN₀)表示参考距离d₀＝1m处的参考信噪比，d_min表示轮渡无人机与Super-CH之间确保避碰的最小安全距离，N₀为加性高斯白噪声功率谱密度，单位为w/Hz；

当各Super-CH吞吐量满足目标要求时，完成轮渡无人机任务；用C_i,i∈u表示第i个Super-CH的吞吐量需求，T为轮渡无人机完成所有Super-CH数据采集所需的任务完成时间；

定义轮渡无人机的轨迹集合Q＝{q(t)}和带宽分配A＝{α_i(t)}，结合上述公式(8)、(9)和(11)，以最小化完成时间T为目标，满足所有Super-CH的吞吐量要求的情况下求解出无人机的轨迹集合Q就是轮渡无人机的最优三维轨迹；

S6：轮渡无人机根据规划的路径收集各个Super-CH的数据，并将数据传回基站；

S7：返回S2，进行下一周期的数据采集。