多无人机辅助的数据采集与回传方法、系统、设备及介质技术方案

本发明专利技术提供了一种多无人机辅助的数据采集与回传方法、系统、设备及介质，所述方法包括：构建多无人机感知传输系统模型；多无人机感知传输系统模型包括若干单天线无人机、基站和若干地面传感器用户；根据多无人机感知传输系统模型，以最小化无线通信网络长期平均信息年龄为目标，建立多阶段耦合随机动态规划问题模型；利用李亚普诺夫优化框架将多阶段耦合随机动态规划问题模型转化为单时隙确定性子问题模型；采用交替优化算法，对单时隙确定性子问题模型进行求解，得到无人机调度与移动控制策略。本发明专利技术的多无人机调度与移动控制联合优化方法，能提高基站接收信息的新鲜度，避免无人机间信道竞争，提升通信网络服务性能，保持系统的长期稳定性。系统的长期稳定性。系统的长期稳定性。

【技术实现步骤摘要】
多无人机辅助的数据采集与回传方法、系统、设备及介质


[0001]本专利技术涉及无人机数据感知和传输
，特别是涉及一种多无人机辅助的数据采集与回传方法、系统、计算机设备和存储介质。

技术介绍

[0002]物联网(IoT)技术中许多新兴应用需要及时获取与处理地面上的感知数据。由于无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)具有移动快速、部署灵活的特性，以及空地视距链路增强的优势，而被广泛部署应用于无线网络通信，提供可靠的无线连接以辅助地面用户(GUs)将感知信息传输给基站(BS)；此外，UAV还可以实时动态改变当前所处的位置，根据任务需求改变覆盖范围和UAV之间的连接关系，从而帮助提高BS的网络覆盖率和容量。可见，UAV在各种需要对传感信息进行快速响应的实时传感应用中扮演着举足轻重的角色。然而，无线通信系统的信息年龄(Age of information,AoI)性能与感知信息收集延迟、感知信息传输延迟和报告延迟密切相关，会对BS接收信息的新鲜度产生重要影响，进而降低UAV的实际应用效果和价值。
[0003]现有的UAV辅助实时无线通信系统研究中，关键设计问题通常表述为最小化AoI以保证BS接收信息的新鲜度，对应的技术方案主要有：1)在高度变化的动态信道条件下最小化AoI的基于启发式算法或迭代优化算法的在线调度策略；2)基于机器学习方法来获得单/多UAV的调度决策，在动态环境或有损信道条件下降低感知数据时延，保持信息新鲜度；虽然现有技术能够在一定程度上实现UAV辅助的实时无线通信系统，但都只是追求UAV本身数据量或AoI状态的单个参数最优，无法实现对多UAV间的有效统筹调度，且在维持系统数据队列和AoI的稳定性上表现不佳，难以有效提升通信系统的AoI性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种多无人机辅助的数据采集与回传方法，通过联合优化多无人机的运动轨迹与调度策略来最小化地面传感器用户数据传输的等待时间，利用李亚普诺夫优化框架将多阶段耦合的随机问题转化为每个时隙的确定性优化问题，并在每个时隙中，根据缓存区数据队列和信息年龄的实时状态，采用交替优化算法迭代更新多无人机的调度和移动控制策略，解决现有无人机辅助采集数据与回传的应用缺陷，提高基站接收信息新鲜度的同时，避免无人机之间对信道的竞争，有效提升无线通信网络的服务性能，保持系统的长期稳定性。
[0005]为了实现上述目的，有必要针对上述技术问题，提供了一种多无人机辅助的数据采集与回传方法、系统、计算机设备和存储介质。
[0006]第一方面，本专利技术实施例提供了一种多无人机辅助的数据采集与回传方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]构建多无人机感知传输系统模型；所述多无人机感知传输系统模型包括若干单天线无人机、基站和若干地面传感器用户；
[0008]根据所述多无人机感知传输系统模型，以最小化无线通信网络长期平均信息年龄为目标，建立多阶段耦合随机动态规划问题模型；
[0009]利用李亚普诺夫优化框架将所述多阶段耦合随机动态规划问题模型转化为单时隙确定性子问题模型；
[0010]采用交替优化算法，对所述单时隙确定性子问题模型进行求解，得到无人机调度与移动控制策略。
[0011]进一步地，所述根据所述多无人机感知传输系统模型，以最小化无线通信网络长期平均信息年龄为目标，建立多阶段耦合随机动态规划问题模型的步骤包括：
[0012]根据所述多无人机感知传输系统模型，将各个通信时间帧划分为若干个具有单位长度的时隙，并基于被调度无人机在各个时隙的工作过程，得到所述无人机飞行传输协议；所述无人机传输协议包括无人机工作时隙结构和无人机工作约束；所述无人机时隙结构包括感知数据子时隙、飞行子时隙和传输数据子时隙；
[0013]根据所述无人机飞行传输协议，通过优化无人机的调度策略和移动控制策略来最小化无线通信网络长期平均信息年龄，构建所述多阶段耦合随机动态规划问题模型；所述移动控制策略包括各个时隙内无人机的轨迹规划，以及感知数据、飞行和传输数据的时间分配。
[0014]进一步地，所述无人机工作约束包括无人机调度约束、无人机时间分配约束、无人机数据存储约束、无人机飞行约束、无人机信息约束和长期平均信息年龄约束；所述无人机调度约束表示为：
[0015][0016]其中，β
m
[n]表示在第n个时隙内第m个无人机的调度变量；和分别表示无人机集合和时隙集合；
[0017]所述无人机时间分配约束表示为：
[0018][0019]其中，t
m,s
[n]、t
m,f
[n]和t
m,d
[n]分别表示第m个无人机在第n个时隙的感知数据子时隙、飞行子时隙和传输数据子时隙；
[0020]所述无人机数据存储约束表示为：
[0021]s
m
[n]≤Q
max
[0022]其中，s
m
[n]表示第m个无人机在第n个时隙内感知的所有传感数据量；Q
max
表示无人机缓存数据队列的存储上限；
[0023]所述无人机飞行约束表示为：
[0024][0025]式中，
[0026]l
m
[n]＝(x
m
[n],y
m
[n],H)
[0027]l
m'
[n]＝(x
m'
[n],y
m'
[n],H)
[0028]其中，l
m
[n]和l
m'
[n]分别表示第n个时隙内第m个和第m'个无人机的位置；H表示无
人机的固定飞行高度；d
min
表示两架无人机间的最小安全距离；v
max
表示无人机最大飞行速度；
[0029]所述无人机信息约束表示为：
[0030][0031]其中，D
m
[n]表示在第n个时隙内第m个无人机的传输吞吐量；表示到达第m个无人机的缓存数据队列的长期平均传感数据量；表示第m个无人机传输到基站的平均数据量；
[0032]所述长期平均信息年龄约束表示为：
[0033][0034]其中，表示第m个无人机在第n个时隙的长期平均信息年龄；a
max
表示无人机信息年龄上限。
[0035]进一步地，根据所述无人机飞行传输协议，通过优化无人机的调度策略和移动控制策略来最小化无线通信网络长期平均信息年龄，构建所述多阶段耦合随机动态规划问题模型的步骤包括：
[0036]根据所述无人机飞行传输协议，得到各个时隙内每架无人机的传输吞吐量，并根据所述传输吞吐量，动态更新对应的数据队列积压量；所述数据队列积压量的更新公式为：
[0037]Q
m
[n+1]＝[min{Q
m
[n]+s
m
[n],Q
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多无人机辅助的数据采集与回传方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：构建多无人机感知传输系统模型；所述多无人机感知传输系统模型包括若干单天线无人机、基站和若干地面传感器用户；根据所述多无人机感知传输系统模型，以最小化无线通信网络长期平均信息年龄为目标，建立多阶段耦合随机动态规划问题模型；利用李亚普诺夫优化框架将所述多阶段耦合随机动态规划问题模型转化为单时隙确定性子问题模型；采用交替优化算法，对所述单时隙确定性子问题模型进行求解，得到无人机调度与移动控制策略。2.如权利要求1所述的多无人机辅助的数据采集与回传方法，其特征在于，所述根据所述多无人机感知传输系统模型，以最小化无线通信网络长期平均信息年龄为目标，建立多阶段耦合随机动态规划问题模型的步骤包括：根据所述多无人机感知传输系统模型，将各个通信时间帧划分为若干个具有单位长度的时隙，并基于被调度无人机在各个时隙的工作过程，得到所述无人机飞行传输协议；所述无人机传输协议包括无人机工作时隙结构和无人机工作约束；所述无人机时隙结构包括感知数据子时隙、飞行子时隙和传输数据子时隙；根据所述无人机飞行传输协议，通过优化无人机的调度策略和移动控制策略来最小化无线通信网络长期平均信息年龄，构建所述多阶段耦合随机动态规划问题模型；所述移动控制策略包括各个时隙内无人机的轨迹规划，以及感知数据、飞行和传输数据的时间分配。3.如权利要求2所述的多无人机辅助的数据采集与回传方法，其特征在于，所述无人机工作约束包括无人机调度约束、无人机时间分配约束、无人机数据存储约束、无人机飞行约束、无人机信息约束和长期平均信息年龄约束；所述无人机调度约束表示为：其中，β
m
[n]表示在第n个时隙内第m个无人机的调度变量；和分别表示无人机集合和时隙集合；所述无人机时间分配约束表示为：其中，t
m,s
[n]、t
m,f
[n]和t
m,d
[n]分别表示第m个无人机在第n个时隙的感知数据子时隙、飞行子时隙和传输数据子时隙；所述无人机数据存储约束表示为：s
m
[n]≤Q
max
其中，s
m
[n]表示第m个无人机在第n个时隙内感知的所有传感数据量；Q
max
表示无人机缓存数据队列的存储上限；所述无人机飞行约束表示为：式中，
l
m
[n]＝(x
m
[n],y
m
[n],H)l
m'
[n]＝(x
m'
[n],y
m'
[n],H)其中，l
m
[n]和l
m'
[n]分别表示第n个时隙内第m个和第m'个无人机的位置；H表示无人机的固定飞行高度；d
min
表示两架无人机间的最小安全距离；v
max
表示无人机最大飞行速度；所述无人机信息约束表示为：其中，D
m
[n]表示在第n个时隙内第m个无人机的传输吞吐量；表示到达第m个无人机的缓存数据队列的长期平均传感数据量；表示第m个无人机传输到基站的平均数据量；所述长期平均信息年龄约束表示为：其中，表示第m个无人机在第n个时隙的长期平均信息年龄；a
max
表示无人机信息年龄上限。4.如权利要求2所述的多无人机辅助的数据采集与回传方法，其特征在于，所述根据所述无人机飞行传输协议，通过无人机的调度策略和移动控制策略来最小化无线通信网络长期平均信息年龄为目标，构建所述多阶段耦合随机动态规划问题模型的步骤包括：根据所述无人机飞行传输协议，确定得到各个时隙内每架无人机的传输吞吐量，并根据所述传输吞吐量，动态更新对应的数据队列积压量；所述数据队列积压量的更新公式为：Q
m
[n+1]＝[min{Q
m
[n]+s
m
[n],Q
max
}
‑
D
m
[n]]
+
其中，s
m
[n]和D
m
[n]分别表示在第n个时隙内第m个无人机的传感数据量和传输吞吐量；Q
max
表示缓存数据队列的存储上限；Q
m
[n+1]和Q
m
[n]分别表示第m个无人机在第n+1个时隙和第n个时隙内缓存数据队列的数据队列积压量；根据所述传输吞吐量和所述数据队列积压量，动态更新无人机缓存数据信息年龄；所述无人机缓存数据信息年龄的更新公式为：其中，a
m
[n]和a
m
[n+1]分别表示第m个无人机在第...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚世民，龙钰斯，庄嘉琳，崔磊洋，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：