一种基于无人机群的无线传感网数据收集方法技术

本发明专利技术涉及一种基于无人机群的无线传感网数据收集方法，通过无人机访问传感器节点以减少传感器节点的传输能耗，无人机之间通过无线通信交换数据，离数据汇聚点较远的无人机通过其他无人机的中继将数据上传到数据汇聚点，每个无人机根据传感器节点的位置规划访问路径，以实现在满足时延的要求下，所有无人机访问的总的传感器节点个数尽可能多。

A Data Collection Method for Wireless Sensor Networks Based on UAV Cluster

【技术实现步骤摘要】
一种基于无人机群的无线传感网数据收集方法
本专利技术涉及无线传感
，特别是一种基于无人机群的无线传感网数据收集方法。
技术介绍
目前，无线传感网在环境监测、军事等领域已得到了广泛的应用。由于传感器设备一般采用电池供电，且无线传感网布置的地方一般不便到达，传感设备一旦电池耗尽即意味着该网络节点的死亡，引起传感网络功能的下降甚至丧失。无线传感网中，传感器节点的能耗主要集中在数据的无线传输。此外，在实际应用中，由于地形环境的阻隔、部分节点故障都可能导致网络连通性丧失，使传感网络无法继续完成数据传输。近年来随着无人机技术的发展，将其作为移动收集器访问传感器节点，从而减少传感器节点传输能耗，且在传感网络不连通时仍能有效收集数据，使其从众多数据收集方案中脱颖而出。在无线传感网的实际应用中，许多情况下对实时性有一定要求，如在灾后应急环境监测中需要传感器周期性地上传检测数据，虽然允许有时间延迟，但延迟的长短是一定的，收集的数据过了规定时限将失去效用。在大范围的应用中，单个无人机往往无法在时延要求时间内访问足够多的传感器节点，而如果将部分传感器节点的数据通过其他传感器节点进行中继传递给无人机，会导致中继节点能量消耗过快，因此，一些应用已采用多个无人机进行数据收集，以在规定时延内访问更多传感器。然而，当前的研究或技术通常聚焦于在访问所有传感器节点的情况下如何最小化时延或最小化无人机数量。而在实际应用中，无人机个数往往有限，无法做到在规定时延内访问所有传感器。所以在满足时延的要求下，有限个数的无人机如何尽可能多地访问传感器节点成为了一个需要解决的新课题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提出一种基于无人机群的无线传感网数据收集方法，以实现在满足时延的要求下，所有无人机访问的总的传感器节点个数尽可能多。本专利技术采用以下方案实现：一种基于无人机群的无线传感网数据收集方法，具体包括以下步骤：步骤S1：设置监测任务；传感器节点部署后，根据无人机个数将待监测区域划分成包括同样个数无人机的子区域，每个无人机在其对应的子区域内按照预设路线探查整个子区域，并周期性广播监测任务(如传感器采样间隔)；传感器收到监测任务后返回带自身当前位置信息的确认消息，传感器配置监测任务后开始监测数据；步骤S2：每个无人机通过无线自组网交换各自子区域内的传感器节点的位置信息，使得每个无人机都得到整个监测区域的传感器节点的位置信息；步骤S3：计算无人机无线传输范围；计算每个无人机与各自子区域中传感器的最大通信距离，将所有无人机的最大通信距离取平均值作为无人机在该区域的无线传输范围R；步骤S4：计算整个监测区域中每个传感器节点在半径R范围内的传感器节点个数，作为该传感器节点在R邻域内的密度值；步骤S5：根据S4中每个传感器节点的位置及其R邻域内的密度值选取无人机的候选航路点，并得到无人机候选航路点集合P；步骤S6：设Lmax是无人机在时延内的最长飞行距离，根据步骤S5中的候选航路点、每个候选航路点的密度值、候选航路点之间的距离以及Lmax，生成每个无人机的飞行路径回路；步骤S7：每个无人机根据各自的飞行路径回路进行飞行，并在飞行过程根据传感器的最新位置调整飞行路线。进一步地，步骤S3具体包括以下步骤：步骤S31：假设无人机i收到传感器节点j返回确认消息时的位置为ULij(ux,uy)，确认消息中传感器的位置为Lj(lx,ly)，根据欧几里得公式计算ULij和Lj之间的距离dij；对于每个无人机，计算它与自身收到的每个确认消息中传感器的距离；步骤S32：设有K个无人机，将作为无人机在该区域的无线传输范围R。进一步地，步骤S5具体包括以下步骤：步骤S51：设整个监测区域所有传感器节点集合为S，将每个传感器节点按其密度值降序排列；步骤S52：从S中将密度值最大的传感器节点作为第一个候选航路点，并将其R邻域内的传感器节点从S中删除；步骤S53：继续从S中将密度值最大的传感器节点作为下一个候选航路点，并将其R邻域内的传感器节点从S中删除；步骤S54：重复步骤S4，直至S为空集，得到无人机候选航路点集合P。进一步地，步骤S6具体包括以下步骤：步骤S61：从无人机候选航路点集合P中选择第一个无人机的航路点，并通过旅行商问题的近似算法生成第一个无人机的飞行路径回路，再将飞行路径回路上的航路点从P中删除；步骤S62：继续从P中选择下一个无人机的航路点，并通过旅行商问题的近似算法生成下一个无人机的飞行路径回路，将该飞行路径回路上的航路点从P中删除；步骤S63：重复步骤S62，直至所有无人机的飞行路径回路都已被生成。进一步地，步骤S61中，从P中选择第一个无人机航路点的方法是：将P中密度值最大的候选航路点选为起点，若起点的半径为的邻域内有其他候选航路点，则将它们按其密度值降序排列并从起点开始依次连接它们，直到路径长度大于则第一个无人机航路点为路径上不包括最后一个连接的候选航路点的节点集合。进一步地，所述传感器节点为固定传感器节点或移动传感器节点。本专利技术通过无人机访问传感器节点以减少传感器节点的传输能耗，无人机之间通过无线通信交换数据，离数据汇聚点较远的无人机通过其他无人机的中继将数据上传到数据汇聚点，每个无人机根据传感器节点的位置规划访问路径，以实现在满足时延的要求下，所有无人机访问的总的传感器节点个数尽可能多。与现有技术相比，本专利技术有以下有益效果：本专利技术自组网的无人机群与传感器节点直接通信，减少传感器传输能耗，也不用担心无线传感网的连通性问题。本专利技术提出的无人机飞行路线规划算法能够使得有限个数的无人机在规定时延内能尽可能多地访问传感器节点。对于大范围的监测区域，以及数据有时延要求而无人机数量又不足的情况，通过本专利技术的基于无人机群的无线传感网数据收集方法，可以最大限度地收集监测区域的数据。附图说明图1为本专利技术实施例的方法流程示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。如图1所示，本实施例提供了一种基于无人机群的无线传感网数据收集方法，具体包括以下步骤：步骤S1：设置监测任务；传感器节点部署后，根据无人机个数将待监测区域划分成包括同样个数无人机的子区域，每个无人机在其对应的子区域内按照预设路线探查整个子区域，并周期性广播监测任务(如传感器采样间隔)；传感器收到监测任务后返回带自身当前位置信息的确认消息，传感器配置监测任务后开始监测数据；步骤S2：每个无人机通过无线自组网交换各自子区域内的传感器节点的位置信息，使得每个无人机都得到整个监测区域的传感器节点的位置信息；步骤S3：计算无人机无线传输范围；计算每个无人机与各自子区域中传感器的最大通信距离，将所有无人机的最大通信距离取平均值作为无人机在该区域的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无人机群的无线传感网数据收集方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：设置监测任务；传感器节点部署后，根据无人机个数将待监测区域划分成包括同样个数无人机的子区域，每个无人机在其对应的子区域内按照预设路线探查整个子区域，并周期性广播监测任务；传感器收到监测任务后返回带自身当前位置信息的确认消息，传感器配置监测任务后开始监测数据；步骤S2：每个无人机通过无线自组网交换各自子区域内的传感器节点的位置信息，使得每个无人机都得到整个监测区域的传感器节点的位置信息；步骤S3：计算无人机无线传输范围；计算每个无人机与各自子区域中传感器的最大通信距离，将所有无人机的最大通信距离取平均值作为无人机在该区域的无线传输范围R；步骤S4：计算整个监测区域中每个传感器节点在半径R范围内的传感器节点个数，作为该传感器节点在R邻域内的密度值；步骤S5：根据S4中每个传感器节点的位置及其R邻域内的密度值选取无人机的候选航路点，并得到无人机候选航路点集合P；步骤S6：设Lmax是无人机在时延内的最长飞行距离，根据步骤S5中的候选航路点、每个候选航路点的密度值、候选航路点之间的距离以及Lmax，生成每个无人机的飞行路径回路；步骤S7：每个无人机根据各自的飞行路径回路进行飞行，并在飞行过程根据传感器的最新位置调整飞行路线。...

【技术特征摘要】
1.一种基于无人机群的无线传感网数据收集方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：设置监测任务；传感器节点部署后，根据无人机个数将待监测区域划分成包括同样个数无人机的子区域，每个无人机在其对应的子区域内按照预设路线探查整个子区域，并周期性广播监测任务；传感器收到监测任务后返回带自身当前位置信息的确认消息，传感器配置监测任务后开始监测数据；步骤S2：每个无人机通过无线自组网交换各自子区域内的传感器节点的位置信息，使得每个无人机都得到整个监测区域的传感器节点的位置信息；步骤S3：计算无人机无线传输范围；计算每个无人机与各自子区域中传感器的最大通信距离，将所有无人机的最大通信距离取平均值作为无人机在该区域的无线传输范围R；步骤S4：计算整个监测区域中每个传感器节点在半径R范围内的传感器节点个数，作为该传感器节点在R邻域内的密度值；步骤S5：根据S4中每个传感器节点的位置及其R邻域内的密度值选取无人机的候选航路点，并得到无人机候选航路点集合P；步骤S6：设Lmax是无人机在时延内的最长飞行距离，根据步骤S5中的候选航路点、每个候选航路点的密度值、候选航路点之间的距离以及Lmax，生成每个无人机的飞行路径回路；步骤S7：每个无人机根据各自的飞行路径回路进行飞行，并在飞行过程根据传感器的最新位置调整飞行路线。2.根据权利要求1所述的一种基于无人机群的无线传感网数据收集方法，其特征在于：步骤S3具体包括以下步骤：步骤S31：假设无人机i收到传感器节点j返回确认消息时的位置为ULij(ux,uy)，确认消息中传感器的位置为Lj(lx,ly)，根据欧几里得公式计算ULij和Lj之间的距离dij；对于每个无人机，计算它与自身收到的每个确认消息中传感器的距离；步骤S3...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈崇成，潘淼鑫，黄正睿，李邦训，罗海峰，何少东，马腾，黄娟，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35