[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

摘要

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。

主权项

1.一种无人机与多个地面终端进行无线通信的轨迹优化方法，其特征在于，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：其中，表示无人机的瞬时速度与加速度向量，c₁和c₂是与无人机重量，机翼面积，空气密度等有关的两个参数，g是重力加速度值为9.8m/s²，m是无人机的质量，包括其所有有效载荷。(3)通过循环求出最小能耗的转弯半径，对每个地面终端i分别执行步骤1)至6)，i＝1，2，...，n，n是地面终端总数：1)定义k和t均为循环次数，初始化k为1，t为20；定义转弯半径r，初始化为无人机的最小转弯半径；初始化H、B、P、β₀、σ、c₁、c₂；2)由转弯半径r可得无人机的飞行轨迹q(t)，无人机与地面终端i之间传输的数据量是固定的，由步骤(1)中的(5)式可获得无人机的飞行持续时间T；3)计算无人机的瞬时速度与加速度：4)由步骤(2)中的公式计算无人机的能量消耗记为E_k(q(t))；5)k＝k+1，若满足k≤t，则r＝r+5，返回步骤2)，否则，执行步骤6)；6)从E_k(q(t))，k＝1，2，...，20中选择能耗最小值，其对应的半径值r作为地面终端i的转弯半径。