一种面向应急信息采集与传输的无人机路径规划方法技术

本发明专利技术涉及一种面向应急信息采集与传输的无人机路径规划方法，包括以下步骤：步骤S1:基于多目标无人机系统，构建多目标无人机路径规划模型；步骤S2:基于多目标无人机路径规划模型，获取路径规划目标函数；步骤S3:最大化归一化体验质量，并基于路径规划目标函数，生成无人机航点；步骤S4:根据得到的无人机航点，最小化航点遍历时间，生成无人机轨迹。本发明专利技术可以有效实现应急信息的快速采集与可靠传输。以有效实现应急信息的快速采集与可靠传输。以有效实现应急信息的快速采集与可靠传输。

【技术实现步骤摘要】
一种面向应急信息采集与传输的无人机路径规划方法


[0001]本专利技术涉及无人机路径规划领域，具体涉及一种面向应急信息采集与传输的无人机路径规划方法。

技术介绍

[0002]应急信息的采集与传输是构建我国国土资源与生态环境安全应急响应技术体系的关键问题。目前，无线传感网技术虽已广泛应用于应急信息的采集与传输，但是仍存在数据采集与传输过分依赖地面基站的问题与灾害发生后救援人员无法及时进入现场的问题。近年来，无人机技术为地面通讯网络受限情况下的数据采集与传输提供切实可行的方案。针对地面通信网络阻断或不稳定的情况，无人机可在多个用户设备之间提供无线网络连接，以提高地面设备间的连通性；针对现有基础通信设施的服务盲区，无人机可以提供额外的无线网络覆盖，从而有效地补充现有蜂窝网络体系的“盲点”。
[0003]虽然无人机技术有着广泛的应用前景，但也必须克服一些技术挑战。例如，将无人机部署为空中基站时，关键的设计因素包括无线网络性能评价、最优无人机部署、最优路径规划等。而将无人机部署为空中中继时，信道切换与抗干扰管理、低延迟控制、无人机三维定位则是主要的技术挑战。面对上述诸多的技术挑战，其中最基础，也最复杂的问题便是无人机路径规划问题。无人机路径规划，作为无人机实现自主飞行任务的基本部分，是指无人机基于机身性能与环境约束，寻找一条自适应的、能够安全到达目标点的最优或者次优的飞行轨迹。为了解决应急信息的采集与传输问题，顾及无人机性能、环境约束、用户分布、传输需求等因素，亟需一个能实现多无人机数据采集与传输的局部与全局最优路径规划方法。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种面向应急信息采集与传输的无人机路径规划方法，实现多无人机数据采集与传输的局部与全局最优路径规划。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种面向应急信息采集与传输的无人机路径规划方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1:基于多目标无人机系统，构建多目标无人机路径规划模型；
[0008]步骤S2:基于多目标无人机路径规划模型，获取路径规划目标函数；
[0009]步骤S3:最大化归一化体验质量，并基于路径规划目标函数，生成无人机航点；
[0010]步骤S4:根据得到的无人机航点，最小化航点遍历时间，生成无人机轨迹。
[0011]进一步的，所述多目标无人机系统包括空中应急信息获取单元和地面应急信息传输单元；所述空中应急信息获取单元由 M＝{1,2,...,M}台无人机组成；所述地面应急信息传输单由组用户设备组成。
[0012]进一步的，所述多目标无人机路径规划模型包括用户设备分布与任务分配模型、无线传输信道模型和路径规划环境模型。
[0013]进一步的，所述户设备分布与任务分配模型具体为：用户设备的分布满足齐次泊松分布；使用均值漂移算法对整体的用户设备进行聚类，从而确定无人机的数量；无人机基于用户设备簇质心的分布情况，执行全局或局部的应急响应任务。
[0014]进一步的，所述无线传输信道模型，具体为：
[0015][0016]式中表示用户设备的索引，表示无人机的索引，LoS 表示视距通信，NLoS表示非视距通信，UAV表示无人机，与表示信道的发生概率，A与B表示环境常数，θ表示高程角，与表示信道路径损耗；
[0017]所述路径规划环境模型包括地形约束和风速影响，具体为：
[0018](1)地形约束：式中表示无人机的有限集，表示数字高程模型的有限集；
[0019](2)风速影响：V＝v
wb
+v
wg
+v
wr
+v
wn
，式中v
wb
表示基本风风速， v
wg
表示阵风风速，v
wr
表示渐变风风速，v
wn
表示随机风风速，并基于伯努利方程定义风向量f∈R3。
[0020]进一步的，所述路径规划目标函数包括无人机航点规划约束函数和无人机运动规划约束函数；
[0021]所述无人机航点规划约束函数，具体为：式中G表示路径增益，R表示信道容量，C表示蜂窝覆盖率，ω
G
、ω
R
、ω
C
表示变量所对应的权重；
[0022]所述无人机运动规划约束函数，具体为：式中t
i
表示无人机单次位置更新时间，E表示无人机的能量消耗，n 表示无人机位置更新的次数，P表示无人机能够安全返航的能量函数，Q表示总能量。
[0023]进一步的，所述最大化归一化体验质量包括最大化路径增益、最大化信道容量和最大化蜂窝覆盖率；
[0024]所述最大化路径增益，具体为：
[0025][0026]扩展为式中式中分别表示额外视距与非视距路径损耗系数，θ＝arcsin(h
i，j
/d
i，j
) 表示高程角，h
i,j
表示无人机与用户设备间的高度差，G
l
表示天线增益，λ表示波长；
[0027]所述最大化信道容量，具体为：
[0028][0029]式中B
w
表示带宽，P
t
表示发射功率，N0表示噪声功率，I表示干扰功率；
[0030]所述最大化蜂窝覆盖率，具体为：
[0031][0032]式中表示距离 R处的接收功率，P
min
表示最小接收功率的阈值。
[0033]进一步的，所述步骤S4具体为：
[0034]步骤S41:最大化四旋翼无人机加速度：设A点坐标为(x
A
,y
A
,z
A
)， B点坐标为(x
B
,y
B
,z
B
)，机体升力为l∈R3，机体所受外力为f∈R3，升力在惯性参考系下的极角为α，方位角为β，且升力与的夹角为p，外力与的夹角为q，则最大化无人机加速度的最优朝向表示为：
[0035]式中式中A表示f+l的合力大小；
[0036]步骤S42:基于最优控制理论的无人机运动规划：
[0037]步骤S43:基于PID控制算法的生成无人机运动轨迹。
[0038]进一步的，所述基于最优控制理论的无人机运动规划，具体为：
[0039][0040]式中τ最短的运动时间；
[0041]设无人机需要以最短的时间τ从A点运动到B点，基于不同的控制持续时间，无人机的位移表示为如下分段函数：
[0042][0043]式中t
*
表示最优的控制转换时间，且速度的变化满足： v
A
+a
max
t
*
+a
min
(τ
‑
t
*
)＝v
B
，式中v
A
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向应急信息采集与传输的无人机路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1:基于多目标无人机系统，构建多目标无人机路径规划模型；步骤S2:基于多目标无人机路径规划模型，获取路径规划目标函数；步骤S3:最大化归一化体验质量，并基于路径规划目标函数，生成无人机航点；步骤S4:根据得到的无人机航点，最小化航点遍历时间，生成无人机轨迹。2.根据权利要求1所述的一种面向应急信息采集与传输的无人机路径规划方法，其特征在于，所述多目标无人机系统包括空中应急信息获取单元和地面应急信息传输单元；所述空中应急信息获取单元由M＝{1,2,...,M}台无人机组成；所述地面应急信息传输单由组用户设备组成。3.根据权利要求1所述的一种面向应急信息采集与传输的无人机路径规划方法，其特征在于，所述多目标无人机路径规划模型包括用户设备分布与任务分配模型、无线传输信道模型和路径规划环境模型。4.根据权利要求3所述的一种面向应急信息采集与传输的无人机路径规划方法，其特征在于，所述户设备分布与任务分配模型具体为：用户设备的分布满足齐次泊松分布；使用均值漂移算法对整体的用户设备进行聚类，从而确定无人机的数量；无人机基于用户设备簇质心的分布情况，执行全局或局部的应急响应任务。5.根据权利要求3所述的一种面向应急信息采集与传输的无人机路径规划方法，其特征在于，所述无线传输信道模型，具体为：式中表示用户设备的索引，表示无人机的索引，LoS表示视距通信，NLoS表示非视距通信，UAV表示无人机，与表示信道的发生概率，A与B表示环境常数，θ表示高程角，与表示信道路径损耗；所述路径规划环境模型包括地形约束和风速影响，具体为：(1)地形约束：式中表示无人机的有限集，表示数字高程模型的有限集；(2)风速影响：V＝v
wb
+v
wg
+v
wr
+v
wn
，式中v
wb
表示基本风风速，v
wg
表示阵风风速，v
wr
表示渐变风风速，v
wn
表示随机风风速，并基于伯努利方程定义风向量f∈R3。6.根据权利要求1所述的一种面向应急信息采集与传输的无人机路径规划方法，其特征在于，所述路径规划目标函数包括无人机航点规划约束函数和无人机运动规划约束函数；所述无人机航点规划约束函数，具体为：式中G表示路径增益，R表示信道容量，C表示蜂窝覆盖率，ω
G
、ω
R
、ω
C
表示变量所对应的权重；所述无人机运动规划约束函数，具体为：式中t
i
表示无人机单次位置更新时间，E表示无人机的能量消耗，n表示无人机位置更新的次数，P表示无人机能够安全返航的能量函数，Q表示总能量。
7.根据权利要求1所述的一种面向应急信息采集与传输的无人机路径规划方法，其特征在于，所述最大化归一化体验质量包括最大化路径增益、最大化信道容量和最大化蜂窝覆盖率；所述最大化路径增益，具体为：扩展为式中分别表示额外视距与非...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈崇成，黄正睿，吕贵杰，潘淼鑫，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：