一种面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法技术

本发明专利技术公开了一种面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法，包括：获取并确定感知设备的位置和数据量大小；定义无人机与感知设备之间的数据传输速率、以及无人机的采集时间和采集能耗；形式化无人机采集时间最小化问题；使用区域离散化方法确定有限个无人机候选采集位置；通过贪心策略，获得无人机采集位置集合和对应的感知设备集合；形式化无人机部署成本最小化问题；通过经典带容量约束的DVRP问题算法，获取最少无人机的数量以及无人机的飞行路径。本发明专利技术能够通过能耗约束和存储容量约束的无人机采集所有感知设备，通过确定无人机的采集位置、采集的感知设备和采集路径使得无人机的调度成本最小。机的调度成本最小。机的调度成本最小。

【技术实现步骤摘要】
一种面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法


[0001]本专利技术涉及物联网及灾难数据采集
，具体为一种面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法。

技术介绍

[0002]近年来，无人机在许多领域如智慧城市，交通检测，施工勘察，包裹递送，灾难管理等都具广泛的应用。无人机因其具有低成本，高机动性和部署灵活性等优点，可以很容易地立即进入一些灾后地区。及时全面获取灾难区的感知数据，对灾害复现、加速灾难响应过程和精准做出救援决策至关重要。由于灾后场景中许多中继设备和基站损坏，存储了数据的感知设备，难以通过多跳的方式向基站传输数据。然而，配备了数据接收装置的无人机可以快速部署在灾区，通过测绘技术和图像提供快速态势感知，通过收集感知设备的环境和生活数据，例如在可能的幸存者地点拍摄的摄像机，火灾现场的烟雾探测器等，帮助消防员识别热点、评估财产损失、搜索幸存者等。
[0003]目前，使用无人机进行数据采集的研究大多忽视了距离对采集速率和采集时间的影响，然而实际上在大规模传感器网络中，无人机同一覆盖范围内不同位置的感知设备与无人机的传输速率有很大的不同，进而会显著影响无人机的采集时间。此外，同时考虑能耗约束和存储容量约束的多无人机协同调度还没得到研究，无人机在采集一些感知设备数据，例如：高分辨率的视频信号，高质量的图片语音等等，机载可用内存可以很快被填满，同时在灾后场景中的使用多无人机进行协同调度，能够显著加快数据采集效率，进而加快整体的救援速度，因此亟需能够具有能耗和存储容量约束的多无人机的协同调度的方法。
专利技术内容
[0004]鉴于上述存在的问题，提出了本专利技术。
[0005]因此，本专利技术解决的技术问题是：无人机同一覆盖范围内不同位置的感知设备与无人机的传输速率有很大的不同，从而影响无人机的采集时间不准确、耗时的问题，无能耗约束和存储容量约束的机载可用内存会很快被填满的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法，包括：获取并确定感知设备的位置和数据量大小；定义无人机与所述感知设备之间的数据传输速率、以及无人机的采集时间和采集能耗；形式化无人机采集时间最小化问题；使用区域离散化方法确定有限个无人机候选采集位置；通过贪心策略，获得无人机采集位置集合和对应的感知设备集合；形式化无人机部署成本最小化问题；通过经典带容量约束的DVRP问题算法，获取最少无人机的数量以及无人机的飞行
路径。
[0007]作为本专利技术所述的面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法的一种优选方案，其中，所述感知设备的位置，包括，定义灾后一组感知设备集合为，每个感知设备表示为，，放置在一个二维平面上，固定位置坐标表示为，同时每个感知设备存储的数据量表示为。
[0008]作为本专利技术所述的面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法的一种优选方案，其中，所述数据量大小，包括，使用一批同构无人机来采集所述感知设备中的数据，设无人机集合为 ，无人机的数量表示为，无人机的飞行高度为，固定波束宽度为，无人机在水平方向的通信覆盖半径为，并且每架无人机具有相同的能量约束和内存容量约束。
[0009]作为本专利技术所述的面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法的一种优选方案，其中，所述定义无人机与所述感知设备之间的数据传输速率，包括，设无人机所有候选数据采集位置集合，集合范围无限；集合中具体采集位置坐标为，，；用表示在无人机数据收集位置通信范围内的感知设备集合，即：（1）设每个感知设备只能被采集一次，集合表示中划分后的感知设备集合，；表示中所有采集位置的感知设备划分方案，其中， 中的每个元素与集合中的元素一一对应；每架无人机对应一条具体的飞行路径，表示机库的位置；用，，表示无人机从数据采集位置飞到所需的飞行能耗，其中表示无人机飞行时单位距离能耗，表示无人机采集位置和之间的欧式距离；无人机在采集位置与其通信范围内的任意感知设备之间的数据传输速率为：（2）其中表示感知设备的发射功率，表示信道带宽，表示在参考距离下的信道带宽，，是噪声功率, 表示感知设备与无人机采集位置之间的水平距离。
[0010]作为本专利技术所述的面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法的一种优选方案，其中，所述无人机的采集时间和采集能耗，包括，无人机在采集位置与感知设备之间的数据传输时间为：（3）
在采集位置处，无人机从感知设备集合中采集所有数据所需采集时间为:
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（4）其中，是的子集，是的子集；无人机在位置处采集数据所需的悬停机械能耗为：，表示无人机悬停时的功率；当无人机在机库时，；无人机在悬停时同时接收多个感知设备数据，无人机在采集位置处收集数据所消耗的能量为：处收集数据所消耗的能量为：表示无人机的数据接收功率，由此无人机在位置处的总能耗为:。
[0011]作为本专利技术所述的面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法的一种优选方案，其中，所述形式化无人机采集时间最小化问题，包括，建立约束，建立约束，从而得到无人机采集时间最小化问题，表示为，
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（5）
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（6）
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（7）作为本专利技术所述的面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法的一种优选方案，其中，所述使用区域离散化方法确定有限个无人机候选采集位置，包括，确定无人机采集位置的候选区域，设感知设备区域为一个矩形，将设备区域沿水平和垂直方向扩大作为无人机的采集位置候选区域；将采集位置候选区域划分成边长为均匀网格，若候选区域不能被均匀划分，则将其沿水平和垂直方向继续扩大至能被边长为的正方形均匀划分，其中网格边长需要满足；通过绘制以感知设备为圆心，为半径的圆来进一步划分子区域，用集合表示划分后的子区域集合，将子区域中每个所有可能的采集位置都近似为一个相同的采集位置，用集合表示所有近似后的采集位置集合；根据无人机在采集位置的真实采集时间，将中具有相同的无人机采集位置集合中采集时间最小的采集位置放入集合中，得到无相同覆盖的无人机采集位置集合和与之对应的感知设备集族。
[0012]作为本专利技术所述的面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法的一种优选方案，
其中，所述通过贪心策略，获得无人机采集位置集合和对应的感知设备集合，包括，A1：将每一个无人机采集位置所覆盖的设备集合划分为两个子集，第一子集为没有重复覆盖的感知设备集合，第二子集为有重复覆盖的感知设备集合，并将集合加入未被选择的感知设备集合中，将集合加入已经选择的感知设备集合中，即，；A2：对于，先从集合中去除已经被选择的感知设备，即；后执行时间成本效益最小化算法，包括，对中的感知设备根据采集时间由小到大排序；向集合中依次加入个感知设备，，并求出由个感知设备组成的集合的采集成本效益，得到采集成本效益最小的最优子集和最优值；A3：获得在所有候选采集位置中时间成本效益最优值最小的感知设备集合；A4：更新没有重复覆盖的感知本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法，其特征在于，包括：获取并确定感知设备的位置和数据量大小；定义无人机与所述感知设备之间的数据传输速率、以及无人机的采集时间和采集能耗；形式化无人机采集时间最小化问题；使用区域离散化方法确定有限个无人机候选采集位置；通过贪心策略，获得无人机采集位置集合和对应的感知设备集合；形式化无人机部署成本最小化问题；通过经典带容量约束的DVRP问题算法，获取最少无人机的数量以及无人机的飞行路径。2.如权利要求1所述的面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法，其特征在于， 所述感知设备的位置，包括，定义灾后一组感知设备集合为，每个感知设备表示为，，放置在一个二维平面上，固定位置坐标表示为，同时每个感知设备存储的数据量表示为。3.如权利要求2所述的面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法，其特征在于，所述数据量大小，包括，使用一批同构无人机来采集所述感知设备中的数据，设无人机集合为，无人机的数量表示为，无人机的飞行高度为，固定波束宽度为，无人机在水平方向的通信覆盖半径为，并且每架无人机具有相同的能量约束和内存容量约束。4.如权利要求3所述的面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法，其特征在于，所述定义无人机与所述感知设备之间的数据传输速率，包括，设无人机所有候选数据采集位置集合，集合范围无限；集合中具体采集位置坐标为，，；用表示在无人机数据收集位置通信范围内的感知设备集合，即：
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（1）设每个感知设备只能被采集一次，集合表示中划分后的感知设备集合，；表示中所有采集位置的感知设备划分方案，其中， 中的每个元素与集合中的元素一一对应；每架无人机对应一条具体的飞行路径，表示机库的位置；用，，表示无人机从数据采集位置飞到所需的飞行能耗，其中表示无人机飞行时单位距离能耗，表示无人机采集位置和之间的欧式距离；无人机在采集位置与其通信范围内的任意感知设备之间的数据传输速率为：
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（2）其中表示感知设备的发射功率，表示信道带宽，表示在参考距离下的信道带
宽，，是噪声功率,表示感知设备与无人机采集位置之间的水平距离。5.如权利要求4所述的面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法，其特征在于，所述无人机的采集时间和采集能耗，包括，无人机在采集位置与感知设备之间的数据传输时间为：（3）在采集位置处，无人机从感知设备集合中采集所有数据所需采集时间为:（4）其中，是的子集，是的子集；无人机在位置处采集数据所需的悬停机械能耗为：，表示无人机悬停时的功率；当无人机在机库时，；无人机在悬停时同时接收多个感知设备数据，无人机在采集位置处收集数据所消耗的能量为：处收集数据所消耗的能量为：表示无人机的数据接收功率，由此无人机在位置处的总能耗为:。6.如权利要求5所述的面向灾难数据采集的多无人机协同调度方法，其特征在于，所述形式化无人机采集时间最小化问题，包括，建立约束，建立约束，从而得到无人机采集时间最小化问题，表示为，（5）（6）（7）。7.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭芯，徐佳，许琳昊，袁鸣，刘林峰，徐力杰，梁颖红，肖甫，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：