申请/专利权人：重庆邮电大学

申请日：2023-04-25

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN116528191B

主分类号：H04W4/40

分类号：H04W4/40;H04W4/02;H04W16/18;H04W24/02;H04W84/18

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2023.08.18#实质审查的生效;2023.08.01#公开

摘要：本发明提出一种基于onion与能量消耗模型的无人系统网络生成方法。通过建立无人机能量消耗模型，结合能量与介中心数设计onion模型布局无人系统网络，并在网络中设置多个虚拟控制点，最内层的无人节点首先建立通信连接，并通过虚拟控制点的牵引，进行跨两层以内的无人节点通信，生成维诺图状的子无人系统网络，进一步使得网络边缘的无人节点得到利用。为onion模型每一层设定了能量阈值，通过能量消耗实时调整无人机位置以确保系统鲁棒性。

主权项：1.一种基于onion与能量消耗模型的无人系统网络生成方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：S1：获取初始状态的无人节点位置，建立无人机运动控制模型，用ξi表示无人节点i在三维空间的位置矢量，qit、pit分别表示无人机i的位置状态和速度状态，无人机运动控制模型如下： i＝1,2,…,N；S2：建立无人机能量消耗模型，选择合适的无人机作为onion模型的第一层，从而构建onion模型；其中，无人机能量消耗模型为：无人机能量消耗由两部分组成，一个是无人机飞行移动所消耗的能量，一个是无人机通信所消耗能量，无人节点i的飞行所消耗能量如下： 其中，uit为无人节点i的控制输入，t为时间；无人机网络在动态组网状态下，会根据不同的工作模式，有不同的能量消耗，在CSMACA的信道竞争机制下，该过程包括了信道监听、发送、接收、信道切换以及休眠状态，信道监听功率为Wh，发送功率为Ws，接收功率为Wr，休眠功率为Wi，信道切换所消耗能量为Eswitch，Prts,Pack,Pcts,分别为RTS帧大小，ack确认帧大小，cts帧大小，第i次发送数据包大小，v为数据发送速率，因此：信道空闲条件下发送数据的能量消耗为： 信道冲突条件下发送数据的能量消耗为： 其中，EErb为回退时间内消耗能量的数学期望，m为最大退避次数，ti为退避时间帧，无人机接收消耗能量为： 因此，无人机传输数据消耗能量为： 其中，N为信道空闲下发送次数，M为信道冲突下发送次数，K为接收次数；因此，无人机能量消耗为：E＝Ef+Ec根据所设计能量模型，通过邻居结点数和无人机能量储备，考虑无人机结点介数与初始能量值，选取合适的无人机作为onion模型第一层，具体如下：ρ＝α·JN+β·Einitial其中，α为邻居节点重要度，β为能量储备重要度，JN为邻居节点数，Einitial为无人机初始能量；S3：根据无人节点位置信息，初始化虚拟控制点状态信息；S4：无人节点开始运行，其将受到虚拟控制点的牵引，虚拟控制点牵引其控制的无人节点运行到指定的位置，从而形成一个编队，无人节点被距离最近的虚拟控制点吸引，计算虚拟控制点与无人节点的距离：|M[x]-ξi|min， 其中，uit表示无人节点i的控制输入；eijt表示集群中的无人节点i和无人节点j之间在t时刻有无信息交互，当两个无人节点存在信息交互时，eijt＝1，无信息交互时，eijt＝0；N则表示与无人节点i存在信息交互的无人节点数量；表示虚拟控制点在t时刻坐标的一阶导数，且σimt表示无人节点i在t时刻与虚拟控制点的距离；各个虚拟控制点M[x]周围分布着一些虚拟点，虚拟点吸引着周围的无人节点，确定好各个无人节点位置后，由两相邻无人节点连线的垂直平分线组成连续多边形即Voronoi图状，虚拟控制点位于Voronoi图状拓扑网中心点，Voronoi图状的拓扑结构形式，能保证拓扑凸性，为每个无人节点分配到最优虚拟控制点，并且保证每个无人节点所控制的范围均匀划分；S5：判断第i层所有的无人节点是否都已经形成编队，若是，则进行第i+1层无人节点编队协同控制，若否，则在第i+1或第i+2层寻找无人节点进行信息交互，建立通信连接；S6：判断第i层是否到达onion模型的最外层，若否，返回步骤S5继续执行；S7：为onion模型每一层建立合适的能量消耗阈值，当无人节点的通信能量到达设定阈值时，将其调离前往下一层，同时，在下一层寻找能量消耗较少的无人机前往上一层；无人机判断是否需要调整位置模型如下：由于onion模型布局无人系统网络后，处于中心层的无人节点通信次数多，能量消耗大，因此为第i层的无人节点设定能量消耗阈值 其中，kηi为onion模型第i层能量阈值参数；当无人机能量消耗达到阈值时，将其调离前往第i+1层，同时，在第i+1层，该无人机所处的编队内选择能量消耗最少的无人机前往第i层，以保证系统编队，同时增强系统鲁棒性。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 重庆邮电大学 一种基于onion与能量消耗模型的无人系统网络生成方法

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