一种无人机应急通信飞行控制方法技术

本发明专利技术公开了一种无人机应急通信飞行控制方法，属于无线通讯技术领域。该飞行控制方法包括：S1.基于无人机飞行能量消耗和通信传输能量消耗建立总能量消耗函数，基于最小成功传输速率阈值建立成本能量消耗函数，S2.基于总能量消耗函数和成本能量消耗函数建立全局能量消耗函数，S3.基于最小成功传输速率阈值计算最小成功传输速率时无人机与用户的三维空间距离，将该距离定义为目标距离，使用目标距离和全局成本函数计算最优三维飞行控制策略。本发明专利技术通过使用最小成功传输速率阈值作为连接基准计算无人机与用户的初始距离到目标距离的最短路径，解决了现有技术中无人机仅在高度方向上移动存在能量消耗大的问题。高度方向上移动存在能量消耗大的问题。高度方向上移动存在能量消耗大的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机应急通信飞行控制方法


[0001]本专利技术属于无线通讯
，具体涉及一种无人机应急通信飞行控制方法。

技术介绍

[0002]无人机可作为无线中继或空中基站部署来增强各种场景下的地面无线通讯系统，如应急通信和偏远地区的网络接入，以及在海啸、地震等紧急情况下，由于设备损坏，蜂窝基础设施无法支持通信服务，移动无人机可以建立通信链路，向地面用户发送数据包，但是无人机和用户数量较大时，存在通信干扰严重的问题，因此提高通信链路的连接成功率和考虑无人机自身能量消耗是一个严峻的挑战。
[0003]现有技术虽然解决了无人机通信问题，但是无人机的位移仅是在高度方向上的位移，其无法达到通信传输速率与无人机位移能量消耗的最优解，导致了现有技术还存在无人机自身能量消耗大无法满足长时间通信服务的问题，因此需要提供一种能够降低无人机的空间三维移动能量消耗的飞行控制方法。

技术实现思路

[0004]针对现有技术无人机自身能量消耗大无法满足长时间通信服务的问题，本专利技术提供一种
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出如下技术方案：无人机应急通信飞行控制方法包括：S1.基于无人机飞行能量消耗和通信传输能量消耗建立总能量消耗函数。
[0006]基于最小成功传输速率阈值建立成本能量消耗函数。
[0007]S2.基于总能量消耗函数和成本能量消耗函数建立全局能量消耗函数。
[0008]S3.基于最小成功传输速率阈值计算最小成功传输速率时无人机与用户的三维空间距离，将该距离定义为目标距离，使用目标距离和全局成本函数计算最优三维飞行控制策略。
[0009]在进一步的实施例中，在S1中，总能量消耗函数Ei(t)为：
[0010][0011]e
m，i
(t)＝a
m
f
i
(t)
[0012]e
w，i
(t)＝P
u
+a
e
[0013]其中，e
m，i
(t)为无人机i的飞行消耗能量，e
w，i
(t)为无人机i的通信传输能量消耗，R
i
(t)为无人机i在t时刻的数据传输速率，a
m
是无人机的质量，f
i
(t)为无人机i的飞行距离，P
u
是无人机i的传输功率，a
e
是独立于P
u
的固定能耗。
[0014]通信成功的成本能量消耗函数T
i
(t)为：
[0015][0016]其中，|h
i，k
(t)|2为无人机i和用户k在时间t时的信道增益，P
u
为无人机i的传输功
率，R
th
为最小成功传输速率阈值，B为传输带宽，σ2为噪声功率。
[0017]在S2中，全局能量消耗函数J
i
(t)为：
[0018]J
i
(t)＝ω1E
i
(t)+ω2T
i
(t)
[0019]其中，ω1是E
i
(t)的权重，ω2是T
i
(t)的权重。
[0020]在进一步的实施例中，在成本能量消耗函数中，
[0021][0022][0023]其中，d
i，k
表示无人机i和用户k之间的总距离，α为路径损失指数且α≥2，g
i，k
(t)表示无人机i与用户k在时间t时的信道衰落系数，Δx(t)为无人机i和用户k在时间t的横向坐标距离，Δy(t)为无人机i和用户k在时间t的纵向坐标距离，Δz(t)为无人机i和用户k在时间t的竖向坐标距离，通过引入用户与无人机的三维空间距离和信道衰落系数，进而提高了实际能量消耗与理论能量消耗的符合度。
[0024]在进一步的实施例中，在S3中，目标距离D
i
(t)的计算函数如下：
[0025][0026]无人机的飞行距离f
i
(t)为：
[0027][0028]在进一步的实施例中，使用均值回归的平稳高斯过程对信道衰落系数进行处理：
[0029][0030]其中，μ
g
和C是正实数，μ
g
是平稳高斯过程的长期均值，是平稳高斯过程的向长期均值速度，是平稳高斯过程的长期变化，W1(t)是标准布朗运动。
[0031]有益效果：与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：通过使用最小成功传输速率阈值作为连接基准计算无人机与用户三维空间距离的基础上，使用全局成本函数计算最优三维飞行控制策略，计算无人机与用户的初始距离到目标距离的最短路径，对无人机的三维空间位置进行控制从而获得通信传输速率与无人机位移能量消耗的最优解，解决了现有技术中无人机仅在高度方向上移动存在能量消耗大无法长时间为受灾用户提供通信服务的问题。
[0032]应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本专利技术主题的一部分。
附图说明
[0033]附图不意在按比例绘制，除非特别说明。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。
[0034]图1是本专利技术一种基于平均场博弈的无人机应急通讯飞行控制方法的场景模型
图。
[0035]图2是本专利技术的流程示意图。
[0036]图3是一种基于平均场博弈的无人机应急通讯飞行控制方法中初始所有无人机移动基站和用户的随机分布。
[0037]图4是本专利技术一种基于平均场博弈的无人机应急通讯飞行控制方法中，比较两种基线的飞行能量对比图。
具体实施方式
[0038]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本专利技术的实施例,本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本专利技术保护的范围。除非另作定义,此处使用的技术术语或者科学术语应当为本专利技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
[0039]本专利技术说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。同样,除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制,而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件,并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机应急通信飞行控制方法，其特征在于，包括：S1.基于无人机飞行能量消耗和通信传输能量消耗建立总能量消耗函数；基于最小成功传输速率阈值建立成本能量消耗函数；S2.基于总能量消耗函数和成本能量消耗函数建立全局能量消耗函数；S3.基于最小成功传输速率阈值计算最小成功传输速率时无人机与用户的三维空间距离，将该距离定义为目标距离，使用目标距离和全局成本函数计算最优三维飞行控制策略。2.根据权利要求1所述一种无人机应急通信飞行控制方法，其特征在于，在S1中，总能量消耗函数E
i
(t)为：e
m，i
(t)＝a
m
f
i
(t)e
w，i
(t)＝P
u
+a
e
其中，e
m，i
(t)为无人机i的飞行消耗能量，e
w，i
(t)为无人机i的通信传输能量消耗，R
i
(t)为无人机i在t时刻的数据传输速率，a
m
是无人机的质量，f
i
(t)为无人机i的飞行距离，P
u
是无人机i的传输功率，a
e
是独立于P
u
的固定能耗；成本能量消耗函数T
i
(t)为：其中，|h
i，k
(t)|2为无人机i和用户k在时间t时的信道增益，P
u
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵伟，胡先童，马召标，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：