一种无人机的能量分配优化方法技术

本发明专利技术适用于能量平衡分配技术改进领域，提供了一种无人机的能量分配优化方法，包括：S1、将无人机、地面终端及基站搭建基本的系统模型；S2、无人机感知基站的状态，若基站忙碌，则无人机沉默，地面终端从基站的无线信号里获取能量，若基站空闲，则无人机评估系统状态并执行下一步；S3、无人机根据估计收益对每种行为计算其对应的发射功率；S4、根据获取的每种行为的发射功率通过函数式确定无人机的行为动作，该方案的时间复杂度低，但效果很接近时间复杂度高的最优策略，可方便地植入无人机系统中并获得较高的数据传输率和能量转换效率。保证时间复杂度低的同时提升了系统的数据传输率。

An optimization method of energy distribution for UAV

【技术实现步骤摘要】
一种无人机的能量分配优化方法
本专利技术属于能量平衡分配技术改进领域，尤其涉及一种无人机的能量分配优化方法。
技术介绍
近年来，无人机的相关技术越来越成熟，其应用领域也在不断扩大，除了侦察和货运以外，还被应用于无线通信和无线充电领域，并发挥着越来越重要的作用。将无人机应用于无线通信和无线充电领域，除了可以更便捷地搭建系统外，还能获得直视信道，从而得到更高的信噪比和能量转化效率。然而，使用无人机进行无线通信时存在以下问题：首先，无人机工作在ISM频段上，这是一个公共频段，很多无线设备所使用的协议(比如Wifi，BlueTooth)都工作在这个频段上，导致有些时候容易发生碰撞，使数据传输率降低；其次，无人机的电量有限，无法一直飞在空中，如何利用无人机有限的能量去最大化其工作时间内的数据传输率是一个具有挑战性的难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种无人机的能量分配优化方法，旨在解决利用无人机有限的能量最大化无人机到地面终端的下行信息传输率的问题。本专利技术是这样实现的，一种无人机的能量分配优化方法，所述方法包括以下步骤：S1、将无人机、地面终端及基站搭建基本的系统模型；S2、无人机感知基站的状态，若基站忙碌，则无人机沉默，地面终端从基站的无线信号里获取能量，若基站空闲，则无人机评估系统状态并执行下一步；S3、无人机根据估计收益对每种行为获取其对应的发射功率；S4、根据获取的每种行为的发射功率通过函数式确定无人机的行为动作，其函数式：其中，S(t)＝(Sp(t)，Er(t)，B(t)，γu(t))代表第t个时隙下的系统状态，它由四个变量复合而成：第t个时隙下的基站状态Sp(t)，无人机剩余电量Er(t)，地面终端电量B(t)和无人机到地面终端的信道状态γu(t)，A(t)＝(a(t),P(t))代表第t个时隙下无人机的动作，它由两个变量复合而成：第t个时隙的行为a(t)和对应的发射功率P(t)，代表在系统状态为S(t)下且无人机的动作为A(t)时，系统能达到的最大数据传输率，a′(t)代表在系统状态为S(t)下无人机的最佳行为。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤S1中在搭建基本的系统模型中基站拥有一个授权频段，基站在忙碌-空闲状态转换中服从二状态马尔科夫链，其转换概率：βss′＝Pr(Sp(t+1)＝s′|Sp(t)＝s)，其中，Pr代表概率，Sp(t)代表第t个时隙下的基站状态，s′代表第t个时隙的系统状态值，s代表基站第t+1个时隙的系统状态值。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤S2中在每个时隙开始时，无人机感知基站的状态，然后向地面终端发送一个二比特指示信号，所述指示信号具有四种取值，分别‘00’表示基站空闲，无人机将向地面终端传输能量；‘01’表示基站空闲，无人机将向地面终端传输信息；‘10’表示基站空闲，无人机保持沉默；‘11’表示基站忙碌，地面终端从基站信号获取能量。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤S3中在最后一个时隙，只要地面终端有能量接收和解码信息，无人机将自身剩余能量尽量给地面终端传输能量。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤S4中无人机选择沉默，a(t)＝0，A(t)＝(0，0)时，有Er(t+1)＝Er(t)，B(t+1)＝B(t)，无人机能获取的估计收益为本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤S4中当无人机选择给地面终端传输能量，即a(t)＝1，A(t)＝(1,Pc(t))时，有Er(t+1)＝Er(t)-Pc(t)，B(t+1)＝B(t)+ηPc(t)γu(t)，无人机能获取的估计收益为本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤S4中当无人机选择给地面终端传输信息，即a(t)＝2，A(t)＝(2,Pm(t))时，有Er(t+1)＝Er(t)-Pm(t)，B(t+1)＝B(t)-Ed，无人机能获取的估计收益为本专利技术的有益效果是：无线设备的使用可以节省布线成本，美化空间，体积小且功率较低，将无人机应用于无线设备的信息和能量传输，提高网络的数据传输率和能量转换效率；该方案的时间复杂度低，但效果很接近时间复杂度高的最优策略，可方便地植入无人机系统中并获得较高的数据传输率和能量转换效率。保证时间复杂度低的同时提升了系统的数据传输率。附图说明图1是本专利技术实施例提供的能量分配优化方法的流程图。图2是本专利技术实施例提供的无人机、基站及地面终端搭建基本的系统模型。具体实施方式如图1所示，本专利技术提供的无人机的能量分配优化方法，其详述如下：增大无人机的传输带宽和合理管理无人机的电量是提高无人机数据传输率的关键性问题。解决这两个问题，我们便可以提高无人机在无线通信和无线充电系统的服务质量。基于无人机在无线信息和无线能量传输领域的不断发展，本文提出一个新的无人机使能的无线通信和充电系统。在该系统中，无人机利用一级用户的频谱空洞给地面终端传输无线信息和无线能量，目标是利用无人机有限的能量最大化无人机到地面终端的下行数据传输率。基于该系统，提出了一种高效的无人机能量分配优化方案，在保证时间复杂度低的同时提升了系统的数据传输率。模型要素及相互关系如图2所示，基本的系统模型包含三个要素：基站、地面终端和无人机。基站拥有一个授权频段，其忙碌-空闲状态转换服从二状态马尔科夫链。其发射功率固定为Pp。地面终端是小功率型物联网设备，内置电池，可以将基站和无人机的信号转化为电能。它与基站的距离为D。无人机是多旋翼型无人机，内置电池，工作时悬停在地面终端正上方，与地面终端的相对高度为H。它有认知无线电功能，即可以感知到基站的忙碌-空闲状态，并在基站空闲时使用基站频段向地面终端发送无线信号或传输微波无线能量，在基站忙碌时保持沉默。我们认为无人机的工作时长是固定的，并且将这段时间离散化为T个时隙，假设每个时隙内的所有信道状态不变。无人机电池容量有限，它悬停在地面终端正上方并使用其电池里的能量来为地面终端服务，其能量可以分为两部分：一部分用来给地面终端传输信息的能量Ep，其他部分用来做其他事情(包括悬停、感知基站状态、信道状态等)，其他的这部分能量是固定值，对模型没有影响，于是不再考虑。无人机的电池电量有限，其最大发射功率为Pmax，在第t个时隙，无人机剩余的可以用来给地面终端做信息和能量传输的电量为Er(t)，当其被耗尽时无人机停止工作，过程结束。假设无人机能百分百精准感知到基站的忙碌-空闲状态，当基站忙碌时无人机沉默，故不会有碰撞发生地面终端的电池可以被充电，其能量来源有两个：当基站忙碌时从基站的无线信号获取；当基站空闲且无人机向其传输能量信号时从无人机的无线信号获取。在第t个时隙，地面终端的电池电量为B(t)，其电池容量上限为Bmax。地面终端还可以接收无人机发送的无线信息，接收和解码无线信息需要一定能量Ed，当其电池电量低于该能量值时无法正确接收无人机的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机的能量分配优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/nS1、将无人机、地面终端及基站搭建基本的系统模型；/nS2、无人机感知基站的状态，若基站忙碌，则无人机沉默，地面终端从基站的无线信号里获取能量，若基站空闲，则无人机评估系统状态并执行下一步；/nS3、无人机根据估计收益对每种行为获取其对应的发射功率；/nS4、根据获取的每种行为的发射功率通过函数式确定无人机的行为动作，其函数式：

【技术特征摘要】
1.一种无人机的能量分配优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、将无人机、地面终端及基站搭建基本的系统模型；
S2、无人机感知基站的状态，若基站忙碌，则无人机沉默，地面终端从基站的无线信号里获取能量，若基站空闲，则无人机评估系统状态并执行下一步；
S3、无人机根据估计收益对每种行为获取其对应的发射功率；
S4、根据获取的每种行为的发射功率通过函数式确定无人机的行为动作，其函数式：
其中，S(t)代表t时隙下的系统状态，A(t)代表t时隙下无人机的动作，代表在系统状态为S(t)下且无人机的动作为A(t)时，系统能达到的最大数据传输率，a′(t)代表在系统状态为S(t)下无人机的最佳行为。


2.根据权利要求1所述的无人机的能量分配优化方法，其特征在于，所述步骤S1中在搭建基本的系统模型中基站拥有一个授权频段，基站在忙碌-空闲状态转换中服从二状态马尔科夫链，其转换概率：βss′＝Pr(Sp(t+1)＝s′|Sp(t)＝s)，其中，Pr代表概率，Sp(t)代表第t个时隙下的基站状态，s′代表第t+1个时隙的系统状态值，s代表第t个时隙的系统状态值。


3.根据权利要求2所述的无人机的能量分配优化方法，其特征在于，所述步骤S2中在每个时隙开始时，无人机感知基站的状态，然后向地面终端发送一个二比特指示信号，所述指示信号具有四种取值，分别‘00’表示基站空闲，无人...

【专利技术属性】
技术研发人员：车越岭，赖雅斌，罗胜，伍楷舜，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44