一种通信任务驱动的多无人机路径规划方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113625761A(43)申请公布日2021.11.09(21)申请号202110989272.9(22)申请日2021.08.26(71)申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号(72)发明人杜文博王涛于子兰李宇萌(74)专利代理机构北京永创新实专利事务所11121代理人周长琪(51)Int.Cl.G05D1/10(2006.01)权利要求书5页说明书12页附图2页(54)发明名称一种通信任务驱动的多无人机路径规划方法(57)摘要本发明提供了一种通信任务驱动的多无人机路径规划方法，属于低空无人机通信领域。本发明方法考虑在多无人机对地面用户进行通信服务的场景下，将所有用户总的吞吐量作为优化目标，将无人机的时间调度、通信功率和飞行路径决策作为决策变量，求解吞吐量优化问题。本发明采用联合优化的方法对问题求解，将求解的问题拆解为可联合优化的三个子问题：时间调度优化，通信功率优化，以及路径规划；迭代优化三个子问题，以获取最优无人机路径规划和通信资源调度方案。本发明考虑的问题非常接近现实应用场景，实现了对无人机的通信资源分配和路径的同时优化，能更大程度上发挥无人机的优势。CN113625761ACN113625761A权利要求书1/5页1.一种通信任务驱动的多无人机路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：首先获取各无人机及用户的参数，无人机参数包括无人机的起点和终点、电量、飞行高度及障碍物位置，用户参数包括地面用户的位置及通信需求；然后将所有用户的总吞吐量作为优化目标，优化无人机的时间调度、通信功率分配和飞行路径；设无人机数量为M，用户数量为K，整个通信任务的时隙数量为N，时隙长度为δt；设无人机的时间调度表示为am,k[n]表示无人机m在时隙n是否和用户k连接，am,k[n]取值为1表示连接，取值为0表示未连接；设无人机的通信功率分配表示为pm[n]表示无人机m在时隙n的通信功率；设无人机的飞行路径表示为qm[n]表示无人机m在时隙n的位置；其中，m＝1,2,..M；n＝0,1,2,…N；k＝1,2,…K；则建立优化问题表示如下：其中，Rk[n]表示用户k在时隙n的信号传输速率；建立的优化问题需要满足如下约束条件：(1)预先设置每个无人机m的起点Sm和终点Tm，表示如下：(2)每个用户在整个通信任务结束后，用户的服务吞吐量要达到最低限制量F，表示如下：(3)每个无人机在一个时隙内只能和一个用户保持连接，一个用户在一个时隙内只能和一个无人机保持连接，表示如下：(4)am,k[n]取值为1或0，表示如下：(5)在飞行途中，无人机与障碍物的距离始终不能小于安全半径，表示如下：其中，(ui，vi)为第i个障碍物的中心位置的水平坐标，H为高度，ri为第i个障碍物的安全半径；(6)无人机在每个时隙的通信功率不能超过最大通信功率Pmax，表示如下：(7)无人机在到达终点时不能用完全部电量，表示如下：2CN113625761A权利要求书2/5页其中，E为无人机的电源总电量；Vm[n]为无人机m在时隙n的飞行速度；P(Vm[n])为无人机m在时隙n的功率；(8)在飞行途中，无人机之间的距离需要不小于安全距离dmin，如下：其中，qi[n]、qj[n]分别为无人机i、j在时隙n的位置；(9)无人机的飞行速度不能超过最大速度Vmax，表示如下：其中，qm[n‑1]表示无人机m在时隙n‑1的位置；步骤2：将所述优化问题拆分为三个子问题：时间调度优化、通信功率优化和路径规划，再进行求解，包括如下子步骤：步骤2.1：给定Q和P，求解无人机的时间调度A；步骤2.2：根据步骤2.1得到的A以及给定的Q，求解通信功率分配P；步骤2.3：根据步骤2.1得到的A和步骤2.2得到的P规划无人机飞行路径Q；步骤3：设当前第s次迭代，由步骤2计算得到时间调度As、通信功率分配Ps和飞行路径Qs，计算目标函数值，即所有用户的总吞吐量，与上一次迭代得到的目标函数值相比，判断提升值是否大于设置的阈值ε，若是，则利用第s次迭代的结果再次执行步骤2，进入下一次迭代；否则，输出当前第s次迭代得到的时间调度、通信功率分配和飞行路径给无人机，无人机按照规划的路径飞行，以及进行时间调度、通信功率分配。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的无人机m在时隙n的功率P(Vm[n])根据下面方式计算获得：无人机的功率P(V)计算公式如下：其中，P0表示无人机悬停状态下的叶片剖面功率；Pi表示无人机悬停状态下的感应功率；Utip表示无人机转子叶片的叶尖速度；v0表示无人机平均旋转诱导速度；d0表示机身阻力比；ρ为空气密度；s0表示旋转稳固度；A表示转子旋转面积；将V＝Vm