无人机路径规划方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种无人机路径规划方法及装置，该方法以无人机和地面基站为节点构建拓扑网络，建立三维坐标系，并已知坐标系内所有节点的地面坐标和无人际飞行轨迹在地面上的坐标投影，包括：根据地面节点坐标或地面节点的邻居节点数量，确定地面节点访问顺序；通过凸优化方法在地面节点有效传输区域内寻找路径点；按照访问顺序连接给定起点、终点和寻找路径点步骤中寻找到的所有路径点，获得最优路径。该方案用于解决现有技术中时间最小化与路径变化相互影响等问题，优化无人机的路径，最大限度地减少总任务时间，以达到更高效的无人机和地面节点之间的数据采集和分发。

【技术实现步骤摘要】
无人机路径规划方法和装置
本专利技术属于无线通信网络
，涉及一种无人机路径规划方法及装置。
技术介绍
随着物联网的出现，数据和信息收集成为实现物联网功能的基础。类似于无线传感器网络，在物联网中实施数据收集的过程中，现有技术提出了很多通信协议和路由算法但依然无法保证网络连接顺通无阻。因为地面节点的流动性，特别是在紧急情况下，通信协议和路由算法工作效率低下的情况尤为明显。针对这种情况，解决办法是剥削无人机的移动性，通过飞行中的无人机采集数据后转发到最后一个接收器。无人机辅助数据采集与传统方法数据采集方法相比具有以下优势：无人机在三维空间中具有移动性和灵活性，且因其高概率的LoS(lineofsight，无线信号的视线传输)链接方式，无人机以更可靠的方式完成数据采集；因为有LoS链接，可扩大地面节点到无人机的传输范围，同时也缩短了无人机的运动路径；数据采集过程几乎不依赖于连接地面节点网络，降低了地面节点网络部署和管理的复杂性以及成本。由于数据采集调度和无人机的运行轨迹紧密耦合，高效的数据采集和无人机优化的运行轨迹紧密相关。由于非精准或紧急情况的传感器部署导致传统路由式的无线数据采集与分发的连通性无法保证，利用无人机进行灵活的数据采集与分发已成为新的方式。在应急场景中，数据的时效性显得尤为重要。要求无人机需要以最短的时间采集和分发有效数据。一些现有技术提出了以优化数据采集的性能为目的的无人机路径设计。现有的方法中，一般只考虑感知区域，不考虑特定的地面节点。将感知区域分为与数据样本优先级相关的几个子区域。无人机运动路径是通过确定访问子区域的顺序来设计的，目标是在能量有限的情况下，无人机尽可能多地采集更高优先级的数据样本。该方法并不能给出精确高效的无人机运行路径。大部分从大型无线传感器网络采集数据的已有方法中，都着重设计多跳路由算法和基于密度的聚类形成算法。无人机路径只是为了确定组的行进顺序，该问题被建模为经典的旅行商问题。此外，为平衡多跳路由和集群数量应仔细选择簇半径，但是并没有给出具体解决方法。还有一种涉及最小值的基于路由机制的生成树的数据压缩采集方法和基于几乎相等大小的簇形成算法的K-means方法；而且简单针对基于旅行商问题轨迹设计问题提出了最近邻算法。但不足在于，这种方法前提是，无线传感器网络中的任何两个传感器在无线电范围内，但是在实践中这是无法实现的。现有无人机路径规划技术主要存在的主要问题包括：(1)使用路由方案和簇头来中继的地面节点比使用聚类形成算法的地面节点在数据采集中消耗更多能量，这可能会缩短网络的生命周期；(2)大部分方法考虑能效或能源最小化，但在许多紧急情况下，最应该考虑的是任务时间最小化。(3)虽然已经对无人机路径进行了设计，优化速度和高度的需求与传输调度一样，这可能会影响无人机数据采集的性能。
技术实现思路
本专利技术提供一种无人机路径规划方法及装置，用于克服现有技术中存在时间最小化与路径变化相互影响等缺陷。本专利技术把时间最小化问题等效为最短路径问题，并把最短路径问题分解为轨迹优化问题，实现最短路径规划。为实现上述目的，本专利技术提供一种无人机最短路径规划方法，以地面基站为节点构建拓扑网络与无人机交互以完成数据采集与数据分发，建立三维坐标系，并已知坐标系内所有节点的地面坐标和无人际飞行轨迹在地面上的坐标投影，该方法包括：S01，根据地面节点坐标或地面节点的邻居节点数量，确定地面节点访问顺序；S02，在无人机投影所在坐标平面内，按照地面节点的访问顺序，在起点与终点之间通过凸优化方法在地面节点有效传输区域内，按照以同一地面节点的有效传输区域仅计算一次为约束条件寻找最短路径并输出。为实现上述目的，本专利技术还提供一种无人机路径规划装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有无人机路径规划程序，处理器在运行所述无人机路径规划程序时执行所述无人机路径规划方法的步骤。本专利技术提出一种无人机路径规划方法及装置，优化无人机的路径，最大限度地减少总任务时间。以达到更高效的无人机和地面节点之间的数据采集和分发。本专利技术提出了根据地面节点位置确定地面节点访问顺序的基于段的路径规划方法，在路径点的规划过程中通过约束条件以避免重复旅行问题，此外，本专利技术还提出了根据面节点的邻居节点数量，确定地面节点访问顺序的基于组的路径规划方法，在路径点的规划过程中通过约束条件以减少地面节点的重复计算问题，并且为大规模高密度地面节点部署缓解了基于段的轨迹优化算法引入的大规模计算。基于段的轨迹优化算法和基于群的轨迹优化算法都实现了与现有算法相比，轨迹更短，且基于群的轨迹优化算法计算复杂度较低；此外，建议通过与基准比较，时间最小化设计是有效的方案。附图说明图1表示实施例一中一种无人机路径规划方法的整体环境；图2表示实施例一中在城市情景中地面节点数量为20的情况下利用已有路径规划方法AO得到的无人机路径长度；图3表示实施例一中在城市情景中地面节点数量为20的情况下利用基于段的路径规划方法STOA得到的无人机路径长度；图4表示实施例一中在城市情景中地面节点数量为20的情况下利用基于组的路径规划方法GTOA得到的无人机路径长度；图5表示实施例一中在城市情景中地面节点数量为40的情况下利用已有路径规划方法AO得到的无人机路径长度；图6表示实施例一中在城市情景中地面节点数量为40的情况下利用基于段的路径规划方法STOA得到的无人机路径长度；图7表示实施例一中在城市情景中地面节点数量为40的情况下利用基于组的路径规划方法GTOA得到的无人机路径长度；图8表示实施例一中在地面节点的固定传输功率为50dBm，三种方法评估不同数量的地面节点下路径长度变化。图9表示实施例一中在地面节点的固定传输功率为55dBm，三种方法评估不同数量的地面节点下路径长度变化。具体实施方式实施例一如图1所示，一种无人机路径规划方法，在城市情景下，N个地面节点构建拓扑网络，建立三维坐标系，虚线部分为无人机飞行路径，无人机和地面节点n之间的连线和水平方向的夹角为θ，假设已知坐标系内所有地面节点的地面坐标，并把无人机默认为处于固定高度，且无人机的飞行路径在地面上的投影为U(t)，本专利技术以下内容所有坐标都指地面坐标。具体步骤包括：S01，根据地面节点的坐标或地面节点的邻居节点数量，确定地面节点访问顺序；这里提供两种确定地面节点访问顺序的借助手段：一是地面节点的位置即所有地面节点在地面坐标系下的坐标，由于地面节点的位置固定，这些数据可以存储在任意地面节点的服务器中，通过无人机与服务器的交互能够获得数据采集和数据分发局域网内任意地面节点的坐标；二是地面节点的邻居节点数量，将地面节点有效传输区域内的其他所有地面节点称为邻居节点，地面节点的有效传输区域可以通过局域网的无线通信环境和地面节点的发射功率计算获得，无线环境指的是无线通信系统工作的频谱分配，这些参数可以存储在服务器上，需要本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机路径规划方法，以地面基站为节点构建拓扑网络与无人机交互以完成数据采集与数据分发，建立三维坐标系，并已知坐标系内所有节点的地面坐标和无人际飞行轨迹在地面上的坐标投影，其特征在于，该方法包括：/nS01，根据地面节点坐标或地面节点的邻居节点数量，确定地面节点访问顺序；/nS02，在无人机投影所在坐标平面内，按照地面节点的访问顺序，在起点与终点之间通过凸优化方法在地面节点有效传输区域内，按照以同一地面节点的有效传输区域仅计算一次为约束条件寻找最短路径并输出。/n

【技术特征摘要】
1.一种无人机路径规划方法，以地面基站为节点构建拓扑网络与无人机交互以完成数据采集与数据分发，建立三维坐标系，并已知坐标系内所有节点的地面坐标和无人际飞行轨迹在地面上的坐标投影，其特征在于，该方法包括：
S01，根据地面节点坐标或地面节点的邻居节点数量，确定地面节点访问顺序；
S02，在无人机投影所在坐标平面内，按照地面节点的访问顺序，在起点与终点之间通过凸优化方法在地面节点有效传输区域内，按照以同一地面节点的有效传输区域仅计算一次为约束条件寻找最短路径并输出。


2.如权利要求1所述的一种无人机路径规划方法，其特征在于，在S01之前还包括：
S1，获取地面节点数量及所有地面节点在坐标平面内覆盖的面域；
S2，根据地面节点数量及覆盖的面域值获得用来描述地面节点稀疏度的密度值；
S3，在地面节点密度值小于或等于给定门限值时，使用基于段的路径规划方法进行无人机路径规划；
所述S01包括：
S101a，根据地面节点坐标，确定地面节点访问顺序。


3.如权利要求2所述的一种无人机最短路径规划方法，其特征在于，在S3之后还包括：
S4，当地面节点密度值大于给定门限值时，使用基于组的路径规划方法进行路径规划；
所述S01包括：
S101b，根据地面节点及该地面节点的邻居节点数量，确定地面节点的访问顺序。


4.如权利要求2所述的一种无人机路径规划方法，其特征在于；
所述S02包括：
S201a，按照地面节点的访问顺序，在起点与终点之间通过凸优化方法在地面节点有效传输区域内，寻找最短路径；
S202a，从最短路径的起点或从终点取一路径段，获得有效传输区域与该路径段相交的地面节点；
S203a，将上述获得的地面节点均排除在外并重复S101a、S201a、S202a；直到所有地面节点均被排除完，结束循环；
S204a，按照获取的次序连接所有获取的路径段形成最优路径。


5.如权利要求4所述的一种无人机路径规划方法，其特征在于，所述基于段的路径规划方法包括：
S101a，根据地面节点坐标位置，由旅行商问题算法获得地面节点的访问顺序；
S102a，根据无线通信环境和地面节点发射功率，确定地面节点的最大传输半径，根据最大传输半径确定有效传输区域；
S201a，根据访问顺序和有效传输区域，利用凸优化算法计算出使路径最短的各有效...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵海涛，魏急波，李佳迅，熊俊，黄圣春，辜方林，周力，唐麒，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43