[发明专利]一种固定翼无人机通信过程能量优化方法

说明书

本发明公开了一种固定翼无人机通信过程能量优化方法，首先通过无人机坐标系的转换推导出无人机在高度固定与高度可变两种情况下的模型方程；然后建立一个无人机通信过程中的信道方程；建立无人机发动机能耗方程；所需要的方程建立完成后，将研究的问题描述为具有连续状态不等式约束和等式约束的非线性最优控制问题；最后将最优控制问题方程进行转换，将无人机无线通信问题转化为非线性最优参数选择的典型数学问题，之后通过梯度的方法进行求解，来最小化无人机的能量损耗。与时间优化相比，优化后的能量轨迹更加稳定，能耗降低了很多。

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种固定翼无人机通信过程能量优化方法。

背景技术

近来，无人飞行器(UAV)无线通信已被广泛使用，引起了越来越多的关注。使用UAV进行通信的优点是，与使用固定基础结构进行通信相比，它具有显着的性能，例如灵活的部署，强大的视线(LoS)链接，并且在大多数情况下都可以建立链接，从而使其成为可能通过直接交流。它的应用也相当广泛，并且在民用和商业领域出现了许多新应用，包括天气监视，森林火灾检测，货运，紧急搜寻和救援，通讯中继等。因此，无人机无线通信是当今最热门的通信手段之一。如何使无人机在通信过程中的能量消耗最小化成为当前比较关注的一个问题，在以上的背景下，需要进行无人机的轨迹优化，以减少无人机在飞行过程中所损耗的能量。

在“An energy efficient design for UAV communication with mobile edgecomputing”这篇文章中提出了一种带有移动边缘计算(MEC)的无人机通信系统。同时优化无人机的轨迹和任务分配以及CPU的计算速度，以最小化整个系统的能耗。通过应用离散线性状态空间近似技术获得近似优化问题，然后通过线性化将非凸约束转化为凸约束。最后，提出了一种基于凹凸过程的算法来逼近优化问题。在“Energy-Efficient UAVCommunication With Trajectory Optimization”整篇文章中，综合考虑了无人机的通信吞吐量和能耗，得出了固定翼无人机推进能耗的理论模型。在此基础上，定义了无人机通信的能效，并进行了有效的设计，使用离散线性状态空间逼近和顺序凸优化来最大化无人机的能效。

在“基于移动边缘计算的无人机能耗优化研究”这篇文章中，通过优化固定翼无人机的飞行轨迹、速度、加速度和数据卸载率以及CPU的周期频率以使得整个网络的能耗最小化。导出了数据计算的能耗模型，然后结合了数据传输能耗模型和固定翼无人机的飞行消耗模型，最后对整个问题进行了建模。由于该问题存在无穷多个优化变量且部分约束是非凸的，难以直接求解，所以首先对优化问题进行离散化，其次导出目标函数的上界并对耦合的优化变量进行解耦合，接着线性化非凸约束，最后提出了一种基于凹凸过程的算法。

以上文章虽然都通过轨迹优化来最小化无人机的能耗，大都是采用凸优化的方法来进行求解，但是可以发现，在他们的文章中都未曾考虑到无人机系统的动力学和运动学方程，也就是说，他们缺少对无人机自身的姿态进行研究。因此，本发明提出了一种控制参数化的方法，将问题转化为一个具有连续状态不等式约束和终端等式约束的非线性最优控制问题，通过梯度的方法进行求解，通过仿真，可以发现本发明的方法不仅可以有效的减少无人机在飞行过程中所产生的能耗，还可以使时间尽可能地缩小。

发明内容

本发明的目的是要提供一种固定翼无人机通信过程能量优化方法，首先通过无人机的运动学和动力学方程推导了固定高度和可变高度条件下的固定翼无人机模型。然后将该问题描述为具有连续状态不等式约束和等式约束的非线性最优控制问题，并通过控制参数化，约束转录方法和局部平滑技术等一系列方法加以解决，来最小化无人机通信所损耗的能量。最后提出一个只优化时间的情况进行对比，通过仿真证明本发明的可行性。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

本发明包括以下步骤：

S1：通过无人机坐标系的转换推导出无人机在高度固定与高度可变两种情况下的模型方程；