一种用于收集森林防火监控数据的无人机部署方法技术

本发明专利技术提供一种用于收集森林防火监控数据的无人机部署方法，具体包括以下步骤：（1）构建地面传感器节点接入空中无人机基站的上行链路通信系统，所述系统包括多个旋翼无人机和地面传感器节点；（2）构建以最大化地面传感器节点上传数据到无人机基站通信的和速率为目标的优化问题；（3）构建基于博弈论的优化模型，将步骤（2）中的问题建模为无人机为参与者的非合作博弈模型；（4）采用分布式学习算法迭代得到无人机的部署策略，直到步骤（2）中的优化问题达到最优，旋翼无人机最终位置被确定。本发明专利技术在保证传感器节点QoS的前提下，达到整个系统中无人机与地面传感器节点之间最大的和速率。

【技术实现步骤摘要】
一种用于收集森林防火监控数据的无人机部署方法
本专利技术属于森林防火监控场景下无线通信
，具体涉及用于收集森林防火监控数据的无人机部署方法。
技术介绍
森林草原防火是林业部门的一项常规且重要的工作，火灾发生对国家和牧民带来了不可估量的损失。1997年夏季被称为“世纪灾难”的印度尼西亚森林大火持续了几个月，烧毁森林30多万公顷，直接经济损失达1250万美元，印尼本国受害者多达2000万，烟雾造成大范围的呼吸道疾病，患者多达5万人以上。2019年我国共发生森林火灾2345起，受害森林面积高达13505公顷，共出动了2.5万人的国家森林消防队伍、12万人的地方专业森林消防队伍以及百余架应急航空救援力量。特别是进入到秋冬季，受高温大风干雷暴等极端天气影响，防火工作依然形势严峻。因此，为了有效降低火情和管控火灾发生的风险，需要对森林草原进行全天候的监控。各地相关部门投入使用森林草原防火综合信息管理平台，推进建设“天空地”一体化监测体系，使用互联网+森林草原防火督查系统，实现对森林草原地区全覆盖、全天候、全要素的防火监控。一般需要在森林区域内安装大量传感器节点，收集相关信息，用于信息平台分析和预测火灾的发生。然而，偏远地区的基础设施成本高昂，无法使用地面通信设施。随着无人机技术的发展，特别是旋翼无人机，安装多旋翼无人机通信基站，可以迅速建立起新的通信链路，无人机飞到相关区域协助收集传感器节点的数据，保障传感器节点数据的及时传输。与部署地面基站相比，无人机可以在没有基础设施覆盖或传统地面基站较难支持的场景，如车森林防火监控数据传输系统，提供更可靠的无线传输。因此，利用无人机进行辅助通信十分有必要。针对森林防火监控数据传输的需求，设计一种无人机作为移动基站的通信方案，可以根据通信的需求，灵活部署或撤离，从而降低运营成本。如何保证传感器节点QoS的前提下确定无人机的最优部署位置非常具有挑战性的。本专利技术设计了一种分布式算法以指导多个无人机的位置部署，在保证传感器节点QoS的前提下，最大化数据传输的和速率。
技术实现思路
本专利技术为解决特殊环境例如受限于通信基础设施成本或者森林草原等通信能力受限的特殊区域而导致了地面传感器终端无法通信的情况，提出用于收集森林防火监控数据的无人机部署方法。
技术实现思路
：本专利技术提出用于收集森林防火监控数据的无人机部署方法，具体包括以下步骤：(1)构建地面传感器节点接入空中无人机基站的上行链路通信系统，所述系统包括多个旋翼无人机和地面传感器节点；(2)构建以最大化地面传感器节点上传数据到无人机基站通信的和速率为目标的优化问题；(3)构建基于博弈论的优化模型，将步骤(2)中的问题建模为无人机为参与者的非合作博弈模型；(4)采用分布式学习算法迭代得到无人机的部署策略，直到步骤(2)中的优化问题达到最优，旋翼无人机最终位置被确定。进一步地，步骤(2)所述优化函数为：其中，为K个地面传感器节点的集合，为M个无人机基站的集合，表示地面传感节点所部署的区域，表示Ω被平均划分为N个小区域中的一个，ρ表示Ω内关于安置的传感器节点的密度函数，ρ(n)是小区域n内存在传感器节点的比例，即满足约束和，定义函数Γn(·)用于衡量随着距离的增大通信性能的减弱情况，即表示在区域n内传感器节点的最小QoS要求，mk表示与地面传感器节点k相关联的无人机m，其中为传感器节点的位置，wm＝(bm，cm)为从无人机m到地面传感器节点k的水平坐标和hm为无人机飞行高度。令为从地面传感器节点k到无人机mk的发射功率，μ0是参考距离d0＝1m的信道增益，是收到节点k数据的噪声，那么节点k和无人机m之间的信道增益为和无人机收到节点k的信噪比为进一步地，所述步骤(3)包括以下步骤：(31)每个无人机的高度固定，并在一定的区域内飞行找到最好的位置，对于无人机m飞行区域投影到地面的区域被均分为个小区域，其中表示所有小区域的集合和表示小区域n的中心位置，那么无人机m的动作策略集合无人机m的行动策略为a＝(a1，a2，…，aM)为所有无人机的行动选择，为所有无人机可能选择的动作空间；(32)将每个无人机视为博弈参与者，将优化问题建模为有QoS约束的非合作博弈模型：其中，是无人机集合，是参与者k的策略空间，uk是参与者k的效用函数，效用函数如下：其中情况1是小区域n的中心位置到无人机k的所有可能飞行到位置之间最小距离大于n和其他无人机之间的距离，情况2是情况1的相对应情况且mn，0表示n内的地面传感器节点关联到一个离n非常远的虚拟无人机。所述步骤(4)包括以下步骤：(41)初始化：在迭代t＝0时，根据无人机的数目M把地面传感器节点聚类为相同数目的区域并标记相同的集合确定聚类后小区域的均分集合基于此设置所有无人机的初始位置和无人机的位置选择概率矢量(42)对于每次迭代t＝1，2，…循环，直到任意无人机不改变其动作策略，即存在(43)更新无人机的部署策略：无人机依据目前的位置选择概率矢量pk(t)确定部署位置ak(t)；(44)计算无人机的效用函数：每个无人机根据其确定的部署位置，计算无人机的效用函数uk(t)；(45)更新位置选择策略：每个无人机使用以下规则更新其在下一次迭代中的位置选择概率矢量：其中，b是步长，是归一化的效用值，即(46)结束循环。有益效果：本专利技术提出了一种用于收集森林防火监控数据的无人机部署方法，即在森林地区部署多架无人机来为地面传感器节点提供通信服务，构建以最大化地面传感器节点和无人机之间通信的和速率为目标的优化函数，将每个无人机视为参与者通过博弈论进行建模，然后采用一种分布式算法优化无人机的部署策略，在保证传感器节点QoS的前提下，达到整个系统中无人机与地面传感器节点之间最大的和速率。附图说明图1为构建无人机辅助通信收集节点数据的上行链路系统模型图；图2为无人机部署策略优化算法流程图；图3为某个无人机的位置选择概率趋势图；图4为算法收敛行为与不同切分节点安装区域大小的关系；图5为算法收敛行为与不同切分飞行区域大小的关系。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。本实施例提供一种用于收集森林防火监控数据的无人机部署方法，具体包括以下步骤：步骤1：构建地面传感器节点接入空中无人机基站的上行链路通信系统，所述系统包括多个旋翼无人机和地面传感器节点，无人机能够低空静止飞行，且飞行高度被预先指定了不同的值，这样就防止了避免之间碰撞。如图1所示，构建地面传感器节点接入空中无人机基站的上行链路通信系统，无人机基站个，表示无人机集合。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于收集森林防火监控数据的无人机部署方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)构建地面传感器节点接入空中无人机基站的上行链路通信系统，所述系统包括多个旋翼无人机和地面传感器节点；/n(2)构建以最大化地面传感器节点上传数据到无人机基站通信的和速率为目标的优化问题；/n(3)构建基于博弈论的优化模型，将步骤(2)中的问题建模为无人机为参与者的非合作博弈模型；/n(4)采用分布式学习算法迭代得到无人机的部署策略，直到步骤(2)中的优化问题达到最优，旋翼无人机最终位置被确定。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于收集森林防火监控数据的无人机部署方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建地面传感器节点接入空中无人机基站的上行链路通信系统，所述系统包括多个旋翼无人机和地面传感器节点；
(2)构建以最大化地面传感器节点上传数据到无人机基站通信的和速率为目标的优化问题；
(3)构建基于博弈论的优化模型，将步骤(2)中的问题建模为无人机为参与者的非合作博弈模型；
(4)采用分布式学习算法迭代得到无人机的部署策略，直到步骤(2)中的优化问题达到最优，旋翼无人机最终位置被确定。


2.根据权利要求1所述一种用于收集森林防火监控数据的无人机部署方法，其特征在于，
步骤(2)所述的优化目标为：



其中，为K个地面传感器节点的集合，为M个无人机基站的集合，表示地面传感节点所部署的区域，表示Ω被平均划分为N个小区域中的一个，ρ表示Ω内关于安置的传感器节点的密度函数，ρ(n)是小区域n内存在传感器节点的比例，即满足约束ρ(n)≥0，和定义函数Γn(·)用于衡量随着距离的增大通信性能的减弱情况，即表示在区域n内传感器节点的最小QoS要求，mk表示与地面传感器节点k相关联的无人机m，其中为传感器节点的位置，wm＝(bm，cm)为从无人机m到地面传感器节点k的水平坐标和hm为无人机飞行高度；令为从地面传感器节点k到无人机mk的发射功率，μ0是参考距离d0＝1m的信道增益，是收到节点k数据的噪声，那么节点k和无人机m之间的信道增益为：



无人机收到节点k的信噪比为：





3.根据权利要求1所述的一种用于收集森林防火监控数据的无人机部署方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：
(31)每个无...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟春婕，王新猛，吴育宝，
申请(专利权)人：南京森林警察学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32