[发明专利]一种无人机与多个地面终端进行无线通信的轨迹优化方法

说明书

本发明提出了一种无人机与多个地面终端进行无线通信的轨迹优化方法。本发明以无人机(针对固定翼无人机)在通信过程中携带的能量是有限的为前提，由于数据传输能耗远小于飞行能耗，所以主要考虑无人机的飞行能耗。本发明以完成通信要求基础之上最小化无人机飞行能耗为目标，利用了系统模型和无人机飞行能耗模型，计算出每个地面终端通信范围内飞行能耗最小的转弯半径，从而得到一条能耗最小的飞行轨迹。本发明提出的方法，可以在无人机与多个地面终端进行通信时，预先为无人机规划出一条低能耗的飞行轨迹。

技术领域

本发明涉及使用无人机进行无线网络数据传输时的能耗优化领域，主要用于无人机与多个地面终端通信时，预先为其规划一条低能耗的飞行轨迹。

背景技术

利用无人机(UAV)的无线通信引起了人们越来越多的兴趣。与地面通信系统或基于高空平台(HAP)的通信系统相比，低空无人机系统由于其具有完全可控的移动性，使得无人机可以按需操作、更加迅速和灵活地进行部署和重新配置，因此通常具有更高的成本效益，并且由于短距离视距(LoS)通信链路的可能性较高，因此可能具有更好的通信信道。

尽管无人机的技术变得越来越复杂，重量越来越轻，飞行时间越来越长，但无人机的能耗问题仍然是一个挑战。当使用无人机进行无线通信时，具有有限能量的无人机无法保证与地面终端进行长时间的数据传输。例如，无人机可以返回到电池充电或交换点补充能量，但这将导致服务的中断。无人机的这一特性严重阻碍了无人机通信的实际实施。

发明内容

发明目的：由于无人机在一次通信过程中携带的能量是有限的，所以如何有效的使用能量，最大化能量效率成为了主要的技术问题。

为解决该技术问题，本发明提出了一种无人机与多地面终端进行无线通信的轨迹生成方法，通过优化轨迹来降低无人机能耗。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出的技术方案为：

一种无人机与多个地面终端进行无线通信的轨迹优化方法，包括步骤：

(1)构建系统模型(假设无人机在三维环境中飞行，地面终端位于原点(0，0，0)处，更进一步，为了简化，假设无人机以固定高度H水平飞行)：

1)无人机的位置

q(t)＝[x(t)，y(t)]^T，0≤t≤T (1)

其中，T是无人机与地面终端通信总时间。

2)无人机与地面终端之间的距离为：

3)无人机到地面终端的信道功率增益为：

其中，β₀表示参考距离d₀＝1米(m)处的信道功率增益，其值取决于载波频率，天线增益等等。

4)无人机到地面终端的瞬时信道容量为：

其中，R(t)的单位是比特/秒，B表示信道带宽，σ²是地面终端接收器的白高斯噪声功率，P是无人机的发送功率，γ₀＝β₀P/σ²。

5)无人机在时间T内与地面终端数据通信总量为：

(2)构建无人机能量消耗模型，无人机的能量消耗包括两部分：与通信相关的能量消耗和动力能量消耗，由于第一部分能量消耗远小于第二部分，所以在此处忽略与通信相关的能量消耗：