面向数据采集的无人机轨迹位置优化和能量管理方案研究

作     者：王铁霖 

作者单位：曲阜师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李光顺

授予年度：2024年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 081105[工学-导航、制导与控制] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0835[工学-软件工程] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：无人机 数据采集 无线传感器网络 功率分配 轨迹位置优化 能量管理 

摘      要：近年来,随着无线传感器技术和无人自动化装备的持续发展与应用,无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)在全球范围内的应用领域逐渐拓宽。在传统地面无线网络中,由于基站或中继的固定部署,致使其缺乏灵活性,难以进一步适配新兴的应用场景。基于此,无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)以高灵活、易于部署和适应范围广等优势与WSN彼此协同融合,深受广大学者的关注。UAV虽然可以通过灵活移动实现避障,建立良好的视距链路,从而以满足数据采集等相应需求,但是其最大的挑战在于自身机载能源有限和数据采集效率不稳定。因此,本文以UAV辅助WSN进行数据采集为背景,深入研究UAV功率分配、飞行轨迹设计、移动位置部署以及能量管理的联合优化方案,从而提升其在WSN中数据采集方面的性能需求和能量效率,主要研究工作如下: (1)针对在WSN中地面节点因受阻挡等影响,致使无法满足新一代数据采集性能要求的问题,考虑了 UAV辅助WSN的数据采集系统架构,研究了信道质量增强和功耗优化方案。首先,为了解决UAV因移动飞行造成信道质量下降及能耗的问题,设计了 UAV增强功率机制,提出了以功耗为目标的UAV飞行轨迹和功率分配联合优化方案。其次,研究了单条数据采集链路特定场景和非视距环境下的性能表现,探讨了 UAV使用增强功率而造成能量消耗最小化问题。考虑到该问题涉及多变量且呈现非凸性质,难以直接求解,故分解为两个子优化问题。然后,通过采用交替优化方法和松弛变量技术,分别固定UAV飞行轨迹和增强功率,更新局部最优解,求解非凸优化问题。最后,实验结果表明了联合优化UAV飞行轨迹和增强功率分配策略,可以有效提升UAV辅助WSN数据采集的性能。 (2)针对UAV在WSN中执行数据采集任务时采集效率不稳定的问题,本文提出了以数据采集率为目标的UAV位置部署和功率分配联合优化方案。首先,研究了 UAV悬停位置、飞行轨迹和功率分配对数据采集效率的影响,并针对平均数据采集率最大化问题展开分析。其次,为了降低问题复杂性,提出了一种较优的解决方案,并通过利用连续凸近似(Successive Convex Approximation,SCA)、块坐标下降方法(Block Coordinate Descent,BCD)和引入松弛变量技术,交替优化UAV的飞行位置和增强功率,直到满足卡鲁什-库恩-塔克(Karush-Kuhn-Tuckerconditions,KKT)条件。最后,通过仿真实验验证了联合优化UAV飞行位置轨迹和功率分配方案的有效性。 (3)针对UAV在实际应用中因需维持飞行或悬停而消耗额外推进能源的问题,设计了装配太阳能电池板的UAV进行数据采集,提出了以整体能量消耗为目标的UAV能量管理和节点调度联合优化方案。首先,构建了 UAV推进能耗、太阳能消耗及其他相关的系统模型,分析了在有限时间内最小化UAV的总能量消耗问题。其次,通过联合优化UAV飞行轨迹、位置部署、增强功率以及SNs节点调度分配方案,将节点调度优化问题和能量管理优化问题分别转换为凸优化问题,并通过引入松弛变量技术和采用SCA方法,迭代更新寻找可行解。最后,通过仿真实验证明了该方案地有效性和可行性,实现了长时续航和低总体能耗的目标需求。