【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人机通信领域，具体涉及一种多无人机协同通信的中继路径规划方法。
技术介绍
1、雅鲁藏布江是世界上海拔最高的高原河流之一，河流两岸为峡谷地貌地势起伏，当发生冰川滑坡等地质灾害时救援人员、设备无法抵达目标地点，需派遣无人机前往受灾区域勘测灾情。由于雅鲁藏布江两岸山势起伏，任务无人机需沿江面低空飞行，当任务无人机飞过山体拐角处时会因山体遮挡导致与地面站的通信链路中断。
2、针对此问题，可以从物理层的角度出发，无人机采用固定高度在各基站之间寻找最佳中继位置帮助地面站通信，然而在高原等复杂山区执行超视距观测任务时，任务无人机往往要在曲折的山势地形中飞行，中继无人机很难能够在一个固定位置保持全程的中继功能；为使无人机能够动态调整中继位置，还可以构建自由空间光中继通信系统，通过无人机搭载激光发射器或者接收器并根据信道环境动态地调整空间位置，实现中继功能，但自由空间光中继通信系统通信要求严格的视距链路并且受天气影响较大；上述方法是从通信通道模型的角度研究无人机节点之间的通信强度，然而对于复杂的山区环境，山体的遮挡和气候的变化导致自由空间光中继通信系统的不适用并且山区环境中的通信通道模型较为复杂且构建难度较大。
技术实现思路
1、本专利技术技术所解决的问题是：针对多旋翼无人机在复杂山区低空飞行时因山体的遮挡导致与地面站的通信链路中断的问题，提出一种多无人机协同通信的中继路径规划方法，解决了多旋翼无人机在复杂山区低空飞行时因山体的遮挡导致与地面站的通信链路中断的问题。>
2、本专利技术技术的解决方案为：一种多无人机协同通信的中继路径规划方法，包括以下步骤：
3、步骤1、数据采集及预处理：在指定离线地图上提取经纬度信息和高程信息，并任选一点为原点通过米勒投影法将经纬坐标系转化为本地坐标系；
4、步骤2、通视度模型建立：根据本地坐标系和高程信息，构建中继无人机与任务无人机、中继无人机与地面站之间的通信中继视距链路；
5、步骤3、优化问题描述：将多无人机协同通信问题抽象成中继路径规划问题，基于飞行距离最小化准则，建立以中继无人机移动步长为目标函数，考虑通视度约束和无人机机动能力的多步优化模型；
6、步骤4、中继路径规划：根据多步优化模型，结合任务无人机路径和地面站位置，通过粒子群算法得到中继无人机路径。
7、所述步骤2，包括以下步骤：
8、步骤2.1：在中继无人机与、地面站或任务无人机之间的空间连线上，构建两者之间的空间直线方程，
9、
10、其中，(xm,ym,zm)是地面站或任务无人机位置，(xr,yr,zr)是中继无人机位置，t0为比例常数；
11、步骤2.2：以t0为参数，构建空间直线的参数方程，
12、
13、步骤2.3：以地面站或任务无人机位置为初始点、中继无人机位置为终点，每隔间隔interval取一个点、共取n个点，n的取值通过下式得到：
14、
15、其中，函数int()表示舍弃小数向下取整数；
16、步骤2.4：取(xi,yi,zi)i∈1,2,3,…,n，i表示地面站或任务无人机、与中继无人机空间连线上的第i个点，参数ti通过下式得到：
17、
18、步骤2.5：计算地面站或任务无人机、与中继无人机空间连线上第i个点的高度值zi，通过下式得到：
19、zi＝zm+ti×(zr-zm)；
20、步骤2.6：计算第i个点的高度差值δzi，通过下式得到：
21、δzi＝zi-zd(xi,yi)
22、其中，zd(xi,yi)表示高程信息中坐标(xi,yi)对应的地表海拔高度值；
23、步骤2.7：获取中继无人机与地面站之间的通视度，通过下式得到：
24、ivd＝min{δz1,δz2,…,δzn}
25、其中，ivd表示中继无人机与、地面站或任务无人机间的通视度，是n个高度差值中的最小值；当ivd≥0时为通信中继视距链路，即通视状态；当ivd＜0时为非通信中继视距链路，即不通视状态。
26、所述步骤3，包括以下步骤：
27、步骤3.1：构造目标函数，将多步优化模型的目标函数建立为中继无人机多步移动距离之和，通过下式得到：
28、
29、其中，每时刻的时间间隔为10秒，t表示时间变量，t＝0,10,20,…,t-10，t表示飞行总时间，k＝1,2,3,…,j，j表示最大预测步数；
30、步骤3.2：设置通视度约束：t+10k时刻中继无人机与地面站之间的通视约束，通过下式得到：
31、
32、t+10k时刻中继无人机与任务无人机之间的通视度约束，通过下式得到：
33、
34、其中，分别表示中继无人机与地面站之间第i个点的高度差值、中继无人机与任务无人机之间第i个点的高度差值；
35、步骤3.3：设置椭球约束：相对于当前时刻、下一时刻的中继位置在10秒内可达，通过下式得到：
36、
37、其中，a,b,c分别是10秒内中继无人机沿xyz三个方向的最大飞行距离；
38、步骤3.4：建立多步优化模型：考虑t+10k时刻的移动步长、通视度约束和椭球约束，通过下式得到：
39、
40、所述步骤4，包括以下步骤：
41、将中继无人机路径作为粒子，适应度为多步优化模型的目标函数，并结合预先规划的任务无人机路径和地面站位置，通过粒子群算法得到最优的中继无人机路径。
42、一种多无人机协同通信的中继路径规划系统，包括：
43、数据采集及预处理模块，用于在指定离线地图上提取经纬度和高程信息，并以第一个点为原点通过米勒投影法将经纬坐标系转化为本地坐标系；
44、通视度模型建立模块，用于构建中继无人机与任务无人机、中继无人机与地面站之间的通信中继视距链路；
45、优化问题描述模块，用于将多无人机协同通信问题抽象成中继路径规划问题，基于飞行距离最小化准则，建立以中继无人机移动步长为目标函数，考虑通视度约束和无人机机动能力的多步优化模型；
46、中继路径规划模块，用于结合任务无人机和地面站初始位置并通过粒子群算法求解优化问题，计算出满足中继功能的中继路径。
47、一种多无人机协同通信的中继路径规划系统，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现所述的一种多无人机协同通信的中继路径规划方法。
48、一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如所述的一种多无人机协同通信的中继路径规划方法。
49、本专利技术具有以下优点及有益效果：
50、1.本专利技术通过数据采集及预处本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多无人机协同通信的中继路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种多无人机协同通信的中继路径规划方法，其特征在于，所述步骤2，包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种多无人机协同通信的中继路径规划方法，其特征在于，所述步骤3，包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种多无人机协同通信的中继路径规划方法，其特征在于，所述步骤4，包括以下步骤：
5.一种多无人机协同通信的中继路径规划系统，其特征在于，包括：
6.一种多无人机协同通信的中继路径规划系统，其特征在于，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-4任一项所述的一种多无人机协同通信的中继路径规划方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-4任一项所述的一种多无人机协同通信的中继路径规划方法。
【技术特征摘要】
1.一种多无人机协同通信的中继路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种多无人机协同通信的中继路径规划方法，其特征在于，所述步骤2，包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种多无人机协同通信的中继路径规划方法，其特征在于，所述步骤3，包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种多无人机协同通信的中继路径规划方法，其特征在于，所述步骤4，包括以下步骤：
5.一种多无人机协同通信的中...
【专利技术属性】
技术研发人员：何玉庆，杨丽英，常彦春，蒋涵，黄朝雄，李思梁，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：
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