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专利号: 2021101149600
申请人: 西安电子科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-08-29
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于量子退火算法的无人机通信网络路由规划方法,其特征在于,包括如下步骤:

(1)初始化无人机机群通信网络模型:初始化包括分布在空间直角坐标系O‑XYZ空间中的无人机机群A={a1,a2,...,an,...,aN}和位于O‑XY平面内的地面控制站G的无人机机群通信网络模型,an的位置坐标为(xn,yn,zn),an通信使用的电池的剩余能量为en,G的位置坐标为(xG,yG,0),其中,an表示第n架无人机,N表示无人机的数量,N≥2;

(2)无人机机群A进行簇划分:

(2a)每架无人机an根据地面控制站G发送的通知信息,向其它无人机广播自己的位置坐标信息(xn,yn,zn);

(2b)无人机机群A中的第一架无人机a1生成一个0到1的随机数,并判断该随机数是否比预设判断阈值T(n)大,若是,将自己作为簇首,否则,将自己作为簇成员,第二架无人机至第N架无人机依次判断,得到簇首无人机集合CH={ch1,ch2,...,chm,...,chM},其中,0<T(n)<1,chm表示第m架簇首无人机,M表示簇首无人机的数量,M≥1;

(2c)每架簇成员无人机向距离最近的簇首无人机发送加入簇的请求,每架发送加入簇请求的簇成员无人机和接收加入簇请求的簇首无人机组成一个簇,得到M个簇;

(3)无人机机群A进行群划分:

(3a)每架簇首无人机chm向其它簇首无人机广播自己的位置坐标信息(xn,yn,zn);

(3b)簇首无人机集合CH中的第一架簇首无人机ch1生成一个0到1的随机数,并判断该随机数是否比预设判断阈值T(n)大,若是,将自己作为群首,而后第二架簇首无人机至第N架簇首无人机依次判断,得到群首无人机集合GH={gh1,gh2,...,ghl,...,ghL},其中,ghl表示第l架群首无人机,L表示群首无人机的数量,L≥1;

(3c)每架簇首无人机向距离最近的群首无人机发送加入群的请求,每架发送加入群请求的簇首无人机和接收加入群请求的群首无人机组成一个群,得到L个群;

(4)无人机机群A向地面控制站G发送数据信息:(4a)每架簇成员无人机以单跳的形式将包含位置信息和剩余能量信息的数据信息传递到所在簇的簇首无人机;

(4b)每架簇首无人机以单跳的形式将本簇内所有无人机的数据信息传递到所在群的群首无人机;

(4c)每架群首无人机ghl以单跳的形式将本群内所有无人机的数据信息传递到地面控制站G;

(5)地面控制站G利用路径积分蒙特卡罗量子退火算法对无人机机群A进行路由规划:(5a)地面控制站G根据接收到的无人机机群A的所有无人机数据信息,将群首无人机集合GH和地面控制站G组成特殊节点集合ghall={G,gh1,gh2,...,ghl,...,ghL};将每一个群中包含的群首无人机和簇首无人机组成群节点集合 得到L个群节点集合,并将L个群节点集合与ghall进行组合,得到节点集合集R={r1,r2,...,rk,...,rL,ghall},其中,k_num表示群节点集合rk中节点数量,k_num≥3;

(5b)地面控制站G分别对节点集合集R中的每一个节点集合构造哈密顿量H:(5b1)地面控制站G构造可以代表路由方案的二维路由矩阵s和二维权重矩阵w,并通过对s进行P次随机赋值得到的副本集合S={s1,s2,...,sz,...,sP}计算动能项Hk,然后通过s和w建立目标函数C0,再通过C0计算势能项HP:其中, 表示从第一个副本到第P‑1个副本依次运算的结果之和,P≥10sz,a,b表示第z个副本sz中第a行第b列的值, 表示对二维矩阵中每个位置依次运算的结果之和,sa,b表示二维路由矩阵s中第a行第b列的值,wa,b表示二维权重矩阵w中第a行第b列的值,wmax表示二维权重矩阵w中的最大值,C1表示第一约束项,C2表示第二约束项;

(5b2)地面控制站G根据势能项HP和动能项Hk,计算哈密顿量H:其中,JΤ表示横向磁场耦合项,JΤ>0;

(5c)地面控制站G对节点集合集R中的每一个节点集合进行路由规划:(5c1)初始化迭代次数为t,最大迭代次数为Mc,Mc>10,当前最优解 为副本集合S={s1,s2,...,sz,...,sP}中的s1,并令t=1;

(5c2)令z=1;

(5c3)地面控制站G由当前副本sz产生新的副本sz',并判断sz'是否满足HP(sz')‑HP(sz)≤0或H(sz')‑H(sz)≤0,若是,令sz=sz',并执行步骤(5c4),否则,执行步骤(5c5);

(5c4)地面控制站G判断sz'是否满足 若是,令 并执行步骤(5c5),否则,直接执行步骤(5c5);

(5c5)地面控制站G判断z≥P是否成立,若是,得到更新的副本集合S,并执行步骤(5c6),否则,令z=z+1,并执行步骤(5c3);

(5c6)地面控制站G判断t≥Mc是否成立,若是,得到当前节点集合规划路由 则节点集合集R所有节点的路由组成无人机机群A的规划路由 否则,令t=t+1,并执行步骤(5c2)。

2.根据权利要求1所述的基于量子退火算法的无人机通信网络路由规划方法,其特征在于,步骤(5b1)中所述的二维路由矩阵s和二维权重矩阵w,其结构分别为:其中,sa,b表示节点a和节点b之间的路由连接状态,sa,b=1表示节点a和节点b有路由连接,sa,b=0表示节点a和节点b没有有路由连接,B表示当前节点集合中节点的数量,B≥3,wa,b表示节点a和节点b之间的连接权重,值为节点a和节点b之间传输单位比特数据消耗的能量。

3.根据权利要求1所述的基于量子退火算法的无人机通信网络路由规划方法,其特征在于,步骤(5b1)中所述的第一约束项C1和第二约束项C2,其计算公式分别为:其中,sz,a,b表示第z个副本sz中节点a和节点b的路由连接状态, 表示第z个副本sz中第b列值为1的位置个数, 表示第z个副本sz中第a行值为1的位置个数,Δ表示节点可连接其它节点的最大数量,Δ>5,Ez,a,e表示二进制数,对于 Ez,a,e=1,否则Ez,a,e=0。

4.根据权利要求1所述的基于量子退火算法的无人机通信网络路由规划方法,其特征在于,步骤(5c3)中所述的地面控制站G由当前副本sz产生新的副本sz',采用如下方法中的一种:

方法一,地面控制站G在当前副本sz中找到任意一个值为1的位置,将其值变为0,再找到任意一个值为0的位置,将其值变为1,并将得到的二维路由矩阵作为新的副本sz';

方法二,地面控制站G在当前副本sz中找到任意一个值为1的位置,将其值变为0,再将它在矩阵中对称位置的值变为1,并将得到的二维路由矩阵作为新的副本sz';

方法三:地面控制站G在当前副本sz中找到任意一个值为1的位置,将其值变为0,在同一列中,再找到任意一个值为0的位置,将其值变为1,并将得到的二维路由矩阵作为新的副本sz'。