一种无人机群辅助数据采集系统的终端调度方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及无人机调度技术领域，公开了一种无人机群辅助数据采集系统的终端调度方法及系统，包括以下步骤：S1.构建无人机群辅助数据采集系统模型；S2.构建无人机群辅助数据采集系统的终端调度的优化问题；S3.计算无人机群飞行和悬停的时间成本和能耗成本；S4.通过TSPE，考虑无人机群飞行和悬停的能耗，并更新优化问题；S5.构建每个终端的影响因子；根据终端的影响因子，通过随机优选算法计算每个终端于每个无人机的优先级；S6.进一步更新优化问题；S7.通过迭代优化无人机群，求解进一步更新的优化问题。本发明专利技术解决无人机群辅助数据采集系统的调度技术的无人机之间互相干扰的问题，且具有计算简单，符合实际的特点。符合实际的特点。符合实际的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机群辅助数据采集系统的终端调度方法及系统


[0001]本专利技术涉及无人机调度
，更具体的，涉及一种无人机群辅助数据采集系统的终端调度方法及系统。

技术介绍

[0002]无人机具有高灵活、低成本和广覆盖的特性，在无线通信应用中发挥着重要作用，能够满足无基础设施地区或大规模灾害期间用户对计算和通信资源的需求，相应的应用场景包括空中基站、数据采集/传播、环境交通监控、监控搜索和救援等。在另一方面，随着无线通信技术的迅速发展，物联网在生活中的应用逐渐增多，然而大多数物联网设备由于尺寸的限制，在能源、计算和存储能力方面均受到相当大的约束。当物联网终端有大量数据需要处理时，如何及时地进行数据采集变得十分重要。利用无人机辅助物联网进行数据采集是一种有效方案，因此，研究无人机辅助的无线数据采集系统具有现实意义。
[0003]对于无线通信和无人机的结合使用，已经有很多学者对此做了相关的研究。比如应用无人机从一组移动的地面设备中收集信息，在该系统中，在满足服务需求的情况下以优化无人机轨迹的方式优化总能耗；或者是通过与旅行商问题关联(TSP)来最小化辅助数据收集任务的无人机的任务时间；也有当无人机机载电池耗尽时需要返回一个仓库充电，并在此过程中通过优化飞行速度、传输功率和飞行轨迹以最小化飞行时间。
[0004]现有的研究往往没有考虑到无人机的续航问题，由于无人机电池容量，无人机需多次往返充电桩进行能耗补给。同时在实际应用中常存在大量请求服务的终端，终端上的数据有生命期，超出生命期则数据无效，面对数量庞大的请求服务终端以及时间敏感型数据，如何选择终端进行服务是问题的关键，已有研究基本不能用于这种情况。此外，对于多无人机的应用场景，如何对无人机群进行合理调度以最大化服务终端数量也是常常被忽略的问题。
[0005]针对这一问题，现有一种多终端多无人机分层调度辅助边缘计算资源分配方法，以最小化无人机数量和优化无人机轨迹、任务卸载策略为目标，建立了无人机分层调度模型，并综合考虑任务传输时延、任务卸载决策以及完成任务所需的最小能耗，对各个无人机节点的轨迹分配、飞行速度、数据发射速率、飞行路径等参量进行联合优化，降低无人机辅助边缘计算系统完成任务的能耗，以求得最优的系统资源分配策略，把每个无人机的位置编进一个单元，将其中的可变长度优化问题改编为二维优化问题，并调整无人机悬停能耗加权因子以降低优化问题的复杂度。
[0006]然而现有无人机群辅助数据采集系统的调度技术存在无人机之间互相干扰的问题，如何专利技术一种考虑无人机之间互相干扰的无人机群辅助数据采集系统的终端调度方法，是本
亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术为了解决无人机群辅助数据采集系统的调度技术的无人机之间互相干扰
的问题，提供了一种无人机群辅助数据采集系统的终端调度方法及系统，其具有计算简单，符合实际的特点。
[0008]为实现上述本专利技术目的，采用的技术方案如下：
[0009]一种无人机群辅助数据采集系统的终端调度方法，包括以下步骤：
[0010]S1.构建无人机群辅助数据采集系统模型；
[0011]S2.设无人机群辅助数据采集系统模型的无人机群与其服务的每个终端之间的信道遵循视距衰落模型，构建无人机群辅助数据采集系统的终端调度的优化问题；
[0012]S3.采用飞行—悬停通信协议，把无人机群的任务分解为飞行和悬停两个阶段，计算无人机群飞行和悬停的时间成本和能耗成本；
[0013]S4.通过旅行商问题，即TSPE，考虑无人机群飞行和悬停的能耗，并更新优化问题；
[0014]S5.结合K
‑
means聚类、特征选取和随机优化思想，构建每个终端的影响因子；根据终端的影响因子，通过随机优选算法计算每个终端于每个无人机的优先级；
[0015]S6.对无人机群的功率、速度和轨迹进行优化，进一步更新优化问题；
[0016]S7.通过迭代优化无人机群，求解进一步更新的优化问题，得到无人机群辅助数据采集系统的终端调度方案。
[0017]优选的，所述的步骤S1中，构建无人机群辅助数据采集系统模型，具体为:
[0018]设U为无人机数量，K为请求服务的终端数量；终端i的坐标为设U为无人机数量，K为请求服务的终端数量；终端i的坐标为待采集的数据量为D
i
；无人机从充电桩出发，在数据采集过程中以恒定高度H在终端上方飞行；终端上数据的生命期为T
max
；设无人机u一共从充电桩出发了N
u
次，以变量次，以变量表示第n趟飞行任务无人机的总耗时，以变量q
u,n
(t)＝[l
u,n
(t),H]T
,0≤t≤T
u
(n)表示无人机u在第n趟飞行任务中的位置，其中表示无人机u投影在水平面的二维坐标。
[0019]进一步的，所述的步骤S2中，构建无人机群辅助数据采集系统的终端调度的优化问题，具体步骤为：
[0020]S201.无人机u在第n趟飞行过程中是否为终端i服务的二进制变量为其中，表示无人机u在第n趟飞行任务时间内可完成终端i数据采集的任务，将无人机u在第n趟飞行的t时刻与终端i的传输速率表示为：
[0021][0022]其中，B表示通信带宽，表示无人机与终端i的传输功率，ρ0表示1m距离处的参考通道功率增益，σ2表示通道噪声的功率；
[0023]S202.将无人机u从终端i采集的数据量表示为：
[0024][0025]其中，表示无人机u在第n趟服务终端i需要的时间；
[0026]S203.将无人机u第n趟飞行任务中因通信产生的能耗表示为：
[0027][0028]S204.将无人机的能量消耗功率表达为：
[0029][0030]其中，P0和P
i
分别表示叶片悬停状态下的轮廓功率和诱导功率；
[0031]S205.定义无人机u在t时刻的飞行速度为将每趟飞行任务的飞行总能量消耗表示为：
[0032][0033]其中，表示无人机u第n趟飞行的总时间；
[0034]S206.令变量表示终端的调度情况，变量表示无人机u在第n趟飞行的t时刻的位置，变量表示无人机u与终端通信的传输功率，变量表示无人机u第n趟任务耗时，变量表示T
max
期间飞行任务次数；将无人机群辅助数据采集系统的终端调度的优化问题表示为：
[0035][0036][0037][0038][0039][0040][0041][0042][0043]其中，式(6b)表示每台无人机飞行服务总时长不超过数据的生命期T
max
，式(6c)表示无人机u在第n趟飞行中为终端i服务的时长不超过该趟飞行总时长，式(6d)表示每台无人机每趟飞行的能耗不超过其机载电池容量F
max
，式(6e)表示每台无人机每次出发地点和返程终点是充电桩，式(6f)表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机群辅助数据采集系统的终端调度方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.构建无人机群辅助数据采集系统模型；S2.设无人机群辅助数据采集系统模型的无人机群与其服务的每个终端之间的信道遵循视距衰落模型，构建无人机群辅助数据采集系统的终端调度的优化问题；S3.采用飞行—悬停通信协议，把无人机群的任务分解为飞行和悬停两个阶段，计算无人机群飞行和悬停的时间成本和能耗成本；S4.通过旅行商问题，即TSPE，考虑无人机群飞行和悬停的能耗，并更新优化问题；S5.结合K
‑
means聚类、特征选取和随机优化思想，构建每个终端的影响因子；根据终端的影响因子，通过随机优选算法计算每个终端于每个无人机的优先级；S6.对无人机群的功率、速度和轨迹进行优化，进一步更新优化问题；S7.通过迭代优化无人机群，求解进一步更新的优化问题，得到无人机群辅助数据采集系统的终端调度方案。2.根据权利要求1所述的无人机群辅助数据采集系统的终端调度方法，其特征在于：所述的步骤S1中，构建无人机群辅助数据采集系统模型，具体为:设U为无人机数量，K为请求服务的终端数量；终端i的坐标为设U为无人机数量，K为请求服务的终端数量；终端i的坐标为待采集的数据量为D
i
；无人机从充电桩出发，在数据采集过程中以恒定高度H在终端上方飞行；终端上数据的生命期为T
max
；设无人机u一共从充电桩出发了N
u
次，以变量次，以变量次，以变量表示第n趟飞行任务无人机的总耗时，以变量q
u,n
(t)＝[l
u,n
(t),H]
T
,0≤t≤T
u
(n)表示无人机u在第n趟飞行任务中的位置，其中表示无人机u投影在水平面的二维坐标。3.根据权利要求2所述的无人机群辅助数据采集系统的终端调度方法，其特征在于：所述的步骤S2中，构建无人机群辅助数据采集系统的终端调度的优化问题，具体步骤为：S201.无人机u在第n趟飞行过程中是否为终端i服务的二进制变量为其中，表示无人机u在第n趟飞行任务时间内可完成终端i数据采集的任务，将无人机u在第n趟飞行的t时刻与终端i的传输速率表示为：其中，B表示通信带宽，表示无人机与终端i的传输功率，ρ0表示1m距离处的参考通道功率增益，σ2表示通道噪声的功率；S202.将无人机u从终端i采集的数据量表示为：其中，表示无人机u在第n趟服务终端i需要的时间；S203.将无人机u第n趟飞行任务中因通信产生的能耗表示为：
S204.将无人机的能量消耗功率表达为：其中，P0和P
i
分别表示叶片悬停状态下的轮廓功率和诱导功率；S205.定义无人机u在t时刻的飞行速度为将每趟飞行任务的飞行总能量消耗表示为：其中，表示无人机u第n趟飞行的总时间；S206.令变量表示终端的调度情况，变量表示无人机u在第n趟飞行的t时刻的位置，变量表示无人机u与终端通信的传输功率，变量表示无人机u第n趟任务耗时，变量表示T
max
期间飞行任务次数；将无人机群辅助数据采集系统的终端调度的优化问题表示为：P1:P1:P1:P1:P1:P1:P1:P1:其中，式(6b)表示每台无人机飞行服务总时长不超过数据的生命期T
max
，式(6c)表示无人机u在第n趟飞行中为终端i服务的时长不超过该趟飞行总时长，式(6d)表示每台无人机每趟飞行的能耗不超过其机载电池容量F
max
，式(6e)表示每台无人机每次出发地点和返程终点是充电桩，式(6f)表示每个终端最多被一台无人机服务一次，式(6g)表示终端调度变量的二进制约束，式(6h)表示无人机和终端的发射功率不超过最大功率P
max
。4.根据权利要求3所述的无人机群辅助数据采集系统的终端调度方法，其特征在于：所述的步骤S3中，采用飞行—悬停通信协议，把无人机群的任务分解为飞行和悬停两个阶段，计算无人机群飞行和悬停的时间成本和能耗成本，具体步骤为：S301.设为无人机的水平坐标，表示无人机u给终端i采集数据时的悬停位置；设无人机u的初始悬停位置为时的悬停位置；设无人机u的初始悬停位置为
即初始状态中无人机于终端正上方进行数据采集；将无人机和终端i之间的传输速率表示为：S302.将无人机u为终端i服务悬停的时间表示为：其中，和分别表示无人机u在服务终端i的离开时刻和到达时刻，D
i
表示终端i的传输数据量；S303.悬停时间段内产生的能耗由传输和悬停两个部分的能耗组成，表示为:其中，P
h
表示无人机的悬停功率；S304.在无人机飞往悬停点的过程中，设表示所有终端顺序的序列对集合为序列对(i,j)表示从终端i到终端j的状态；始末点固定时，无人机以恒定的速度飞行为最优方案；设表示无人机从终端i到终端j的飞行速度，P
f
表示无人机的飞行功率；将无人机u从终端i飞向终端j的时间消耗表示为：S305.将飞行能耗化简为：其中，ψ1、ψ2、ψ3和ψ4分别表示与无人机相关的常量；S306.将每个终端的时间成本划分为悬停虚拟耗时和飞行虚拟耗时，将悬停虚拟耗时和飞行虚拟耗时分别称为悬停VTC和飞行VTC；其中，每段VTC包括实际时长和该阶段能耗充电时长；设P
r
表示对无人机的充电功率，将无人机u与终端i通信中悬停阶段的VTC表示为：S307.将从终端i飞向终端j的飞行VTC表示为：
其中，τ1、τ2、τ3和τ4分别表示与无人机相关的常量；S308.视充电桩为终端0，包括充电桩的终端集合为由于充电时间在VTC中已计算，所以每台无人机在充电阶段的悬停时间与能耗设为0，调度变量θ
u,0
为1，表示充电桩被调度，将充电桩状态为：5.根据权利要求4所述的无人机群辅助数据采集系统的终端调度方法，其特征在于：所述的步骤S4中，通过旅行商问题，即TSPE，考虑无人机群飞行和悬停的能耗，并更新优化问题，具体步骤为：S401.设终端调度变量为表示可充电无人机u能否在T
max
内完成终端i的数据采集；设二进制变量表示对终端的访问顺序，若x
u,ij
＝1则表示服务过程中存在从终端i飞往终端j的路线，反之x
u,ij
＝0；设表示能耗变化情况，这一阶段无人机u上能耗变化，其中终端j的上一采集点为终端i；将优化问题P1中对无人机u飞行轨迹的约束式(6c)与式(6f)等价为：采集点为终端i；将优化问题P1中对无人机u飞行轨迹的约束式(6c)与式(6f)等价为：采集点为终端i；将优化问题P1中对无人机u飞行轨迹的约束式(6c)与式(6f)等价为：采集点为终端i；将优化问题P1中对无人机u飞行轨迹的约束式(6c)与式(6f)等价为：其中，式(15a)表示从充电桩出发的次数与回到充电桩次数相等，保证无人机u的每个子行程的起点和终点都是充电桩；式(15b)与式(15c)表示x
u,ij
受终端调度变量的约束；式(15d)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广驰，李茜雯，崔苗，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：