1.一种联合优化无人机飞行轨迹与地面节点发射功率的数据采集方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
S1、根据地面节点坐标确定使无人机初始采集轨迹最短的节点采集顺序Sw;
S2、建立飞行采集和飞行悬停采集两种模式下无人机采集吞吐量最大化问题,求解获得两种模式下的最大吞吐量阈值,包括:当无人机采集数据时穿过圆心且悬停点位于各圆圆心,即飞过且悬停点位于各节点正上方,此时,无人机与地面节点间的距离最小,采集速率最大,无人机能获得最大的采集吞吐量;因此,建立节点i在非重叠悬停采集模式下无人机最大吞吐量优化问题,如下所示:s.t.Ri(t)=Wlog2(1+γi(t))
式中,Ui(t)表示无人机在时隙t服务于节点i的轨迹,由起始点SPi、驶入点FIPi、悬停点OHi和驶出点FOPi连接形成; 表示节点i的圆心; 和 分别表示节点i的发射功率和信号处理功率; 表示节点i总能量;Pmin和Pmax分别表示节点的最小和最大发射功率;Ri(t)表示无人机在时隙t的传输速率,W表示信道带宽,γi(t)表示无人机和节点间的信噪比,表示路径损失,δ表示路径衰落因子, 表示无人机与节点成功通信的信噪比阈值;
和 分别表示无人机服务节点i的飞行时间、飞行采集时间和悬停采集时间;v表示无人机速度;
采用序列最小二乘法求解上述优化问题得到的最大吞吐量,即为非重叠悬停采集模式下无人机的最大吞吐量同理,当无人机未在节点上方悬停采集时,即令 通过求解上述吞吐量最大化问题,获得非重叠飞行采集模式下最大吞吐量S3、根据各节点待上传数据量和获得的吞吐量阈值,判断节点采集顺序Sw中各节点在其能量限制下能否完整传输数据;若不能,则无人机放弃本节点的数据采集,前往下一节点;
若能,则判断无人机的采集模式;
其中,根据节点i的剩余能量 选择无人机的采集模式:
1)当 时,若 采用非重叠悬停采集模式,且有约束:悬停点OHi固定在GNi正上方,即 若 则进一步根据||GNi‑FIPi||与||GNi‑SPi||的大小判断采集模式;其中,Ci表示节点i的待传输数据量,GNi表示节点i的坐标;
当||GNi‑FIPi||>||GNi‑SPi||时,选择重叠飞行采集模式,且SPi=FIPi=FOPi‑1, 当||GNi‑FIPi||≤||GNi‑SPi||时,选择非重叠飞行采集模式,且
2)当 时,若 采用重叠悬停采集模式,且有约束:SPi=FIPi=FOPi‑1,悬停点OHi固定在GNi正上方,即 若 则进一步根据||GNi‑FIPi||与||GNi‑SPi||的大小判断采集模式;
当||GNi‑FIPi||>||GNi‑SPi||时,选择重叠飞行采集模式;当||GNi‑FIPi||≤||GNi‑SPi||时,选择非重叠飞行采集模式;
S4、根据所选择的采集模式,联合优化节点的发射功率和无人机的轨迹,最小化无人机任务完成时间;
对于节点i,根据该节点所选择的采集模式以及采集模式下相应的FIPi、OHi和 建立任务完成时间最小化问题:Ri(t)=Wlog2(1+γi(t))
根据上述约束,通过序列最小二乘法获得节点i的发射功率和无人机的采集轨迹;
选择重叠飞行采集模式或非重叠飞行采集模式时,若求解的FIPi→OHi→FOPi轨迹为一条直线,则判断无人机获得的数据吞吐量是否大于节点i待上传数据量,若大于,则进一步优化节点发射功率:令||GNi‑OHi||为最小传输半径,该半径对应的发射功率 为最小传输功率,即此时,节点发射功率位于 区间,将该区间替换约束条件中节点发射功率的限制条件,再采用二分搜索法对任务完成时间最小化问题重新求解,获得新的FIPi和FOPi点,以进一步优化任务完成时间;
S5、根据节点采集顺序Sw依次连接各节点的采集轨迹,得到采集时间最小的无人机飞行轨迹,无人机根据所述飞行轨迹飞行完成数据采集。
2.根据权利要求1所述的数据采集方法,其特征在于:步骤S1具体为:在确定使无人机初始采集轨迹最短的节点采集顺序时,不考虑数据采集任务;
地面节点数记为N,节点采集顺序Sw=(sw1,sw2,…,swN),将采集顺序对应的节点坐标依次连接得到初始采集轨迹,初始采集轨迹对应的总飞行时间T为:式中, 表示按照采集顺序排列的节点坐标,v表示无人机速度;将无人机初始轨迹最短化问题转换为飞行时间最小化问题:将飞行时间最小化问题转换为旅行商问题并通过遗传算法求解,得到节点采集顺序Sw。