[发明专利]用于辅助通信系统高能效的无人机的三维轨迹优化方法

权利要求书

1.用于辅助通信系统高能效的无人机的三维轨迹优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立地面坐标系和无人机的机体坐标系，根据已知的十字形旋翼动力学模型，建立无人机的平移运动方程和旋转运动方程：

其中m是无人机机体总质量，g是当地重力加速度，L是四旋翼的悬臂长度；J_x,J_y,J_z分别是绕机体x，y，z轴的转动惯量，J_m是电机转动惯量；x,y,z是无人机在地面坐标中的位置坐标，表示x,y,z的一阶导数即无人机各坐标方向的速度；表示x,y,z的二阶导数即无人机各坐标方向的加速度；F_i,i＝1,2,3,4表示各螺旋桨产生的拉力，且F_i(t)＝C_tω_i²(t)，ω_i为相应螺旋桨的旋转角速度；φ,θ,ψ是欧拉角，分别表示无人机的滚转角、俯仰角和偏航角；表示φ,θ,ψ的一阶导数，即各欧拉角的角速度；表示φ,θ,ψ的二阶导数，即各欧拉角的角加速度；C_t是电机拉力系数，C_m是电机单桨综合扭矩系数；C_dx,C_dy,C_dz是机体x，y，z轴方向的阻力系数；C_dmx，C_dmy，C_dmz是机体x，y，z轴方向的阻尼力矩系数；

(2)建立自由空间的LoS信道模型，根据已知的环境噪声、发射功率、以及载波波长，确定每个时刻接收端信道容量：

其中，W是通信带宽，P_c是通信发射端发射功率，σ²表示信道噪声功率，β(d(t))表示路径损耗；γ₀＝P_cβ₀/σ²表示参考距离为1米处的信噪比，β₀表示参考距离为1米时路径损耗；p_x,p_y,p_z表示信息接收端位置坐标；

(3)根据无人机所用电动机性能参数，以及无人机的通信系统额定功率，得到无人机的无刷电机功率消耗：所述无人机的无刷电机功率消耗：

P_m(ω)＝c₄ω⁴+c₃ω³+c₂ω²+c₁ω+c₀

其中

C_m表示电机单桨综合扭矩系数，K_T是转矩常数，I_m0表示电机的空载电流，表示反电动势常数，K_T与K_E之间有关系式：K_T＝9.55K_E，U_m0表示电机的空载电压，R_m0表示空载等效电阻，K_V表示电机标称KV值；

从而得到无人机总体消耗功率：

其中，P_c表示通信设备发射端功率；

(4)根据无人机的平移运动方程和旋转运动方程，信道容量方程和功率消耗方程，由无人机的状态向量为：

及无人机的控制信号向量为：

u＝[u₁,u₂,u₃,u₄]^T；

得到状态空间方程为：

其中

状态空间方程简记为

(5)根据状态空间方程，分别以时间最优性和能量最优性为目标，添加无人机安全飞行状态约束、通信任务约束，建立优化模型，获得无人机的三维优化轨迹；

其中，所述时间最优性目标约束模型为：

P1：

s.t.C₀:

C₁:0≤u₁(t)≤U_1max,t∈[0,T]

C₂:|u_i(t)|≤U_imax,i＝2,3,4,t∈[0,T]

C₃:x(0)＝x₀

C₄:x₁(T)＝x_F

C₅:x₂(T)＝y_F

C₆:x₃(T)＝z_F

C₇:x₁₄(T)≥Q_min

C₈:x₃(t)≥h_min,t∈[0,T]

C₉:|x₇(t)|≤φ_max,t∈[0,T]

C₁₀:|x₈(t)|≤θ_max,t∈[0,T]

其中，U_1max，U_imax为控制量的上界；x₀为无人机初始状态；x_F,y_F,z_F为无人机终端位置；Q_min为最小通信目标吞吐量；h_min为最小安全飞行高度；φ_max，θ_max为最大姿态角；

所述能量最优性模型为：

P2：

s.t.C₀:

C₁:0≤u₁(t)≤U_1max,t∈[0,T]

C₂:|u_i(t)|≤U_imax,i＝2,3,4,t∈[0,T]

C₃:x(0)＝x₀

C₄:x₁(T)＝x_F

C₅:x₂(T)＝y_F

C₆:x₃(T)＝z_F

C₇:x₁₄(T)≥Q_min

C₈:x₃(t)≥h_min,t∈[0,T]

C₉:|x₇(t)|≤φ_max,t∈[0,T]

C₁₀:|x₈(t)|≤θ_max,t∈[0,T]

其中，U_1max，U_imax为控制量的上界；x₀为无人机初始状态；x_F,y_F,z_F为无人机终端位置；Q_min为最小通信目标吞吐量；h_min为最小安全飞行高度；φ_max，θ_max为最大姿态角。

2.根据权利要求1所述的用于辅助通信系统高能效的无人机的三维轨迹优化方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述地面坐标系为以地面O_e为原点东北天为坐标轴正方向的O_e-XYZ；所述机体坐标系为以无人机质心O_b为原点的坐标系O_b-xyz。