【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于無人機無線通信領域，涉及一種適用于災難場景的無人機動態3d軌跡設計方法。
技術介紹
1、無人機作為一種靈活、高效、可迅速部署的空中平臺，逐漸成為森林火災、核泄漏等災難環境下數據收集的理想選擇。使用無人機作為空中中繼進行數據收集可以有效保證災區無線無線網絡的的穩定運行，延長其使用壽命，并且對災后救援、災情評估、資源調配等方面具有極大的幫助。
2、現有技術中，無人機在災難場景下的數據采集通常采用均勻采集的方式，無法區分不同區域的受災程度。這導致無人機將寶貴的能量浪費在采集受災程度較輕區域的數據上，而無法及時獲取受災嚴重區域的關鍵信息，延誤救援行動。無人機數據采集路徑規劃往往缺乏優化，導致無人機在飛行過程中消耗大量能量，縮短其續航時間，無法長時間在災區執行任務。由于數據采集缺乏針對性，基站中心無法及時獲取受災嚴重區域的關鍵信息，難以做出及時有效的應對措施，導致災情惡化，受災區域擴大。
3、本專利技術針對現有技術的不足，提出了一種適用于災難場景的無人機動態3d軌跡設計方法。
技術實現思路
1、有鑒于此，本專利技術的目的在于提供一種適用于災難場景的無人機動態3d軌跡設計方法。在保持無人機能耗盡可能低的情況下，采集不同優先級的受災區域數據，最小化整個無線網絡的平均信息年齡，使得基站中心及時了解重災區域的實時情況并做出必要的應對措施；從而使森林火災、核泄漏等災難得到及時的遏制，防止蔓延，加強對災害的布控力度。
2、為達到上述目的，本專利技術提供如
3、適用于災難場景的無人機動態3d軌跡設計方法，該方法包括以下步驟：
4、無人機進入受災區域，從當前時隙向下一采集目標的飛行軌跡設計步驟如下：
5、s1、在當前時隙，無人機首先收集周圍環境信息，根據簇群傳遞的受災情況、數據平均生成周期定義每個簇群的信息年齡增長系數，建立信息年齡模型；
6、s2、建立無人機能耗模型以及信道模型，并根據信道模型，計算得出各簇頭的最大傳輸半徑；
7、s3、確定無人機的懸停采集點，在各簇頭傳輸半徑內，以無人機能耗與傳感節點平均信息年齡的加權和最小為目標，建立優化問題，并求解，獲得各簇頭的懸停采集點，并記錄各簇懸停采集點和其所對應的目標函數值。
8、s4、比較各簇群的目標函數值，選取目標函數值最小時簇群的最佳采集點，作為無人機的下一個采集位置，即懸停采集點。
9、無人機完成所有采集任務后，所有懸停點構成的軌跡即為無人機的三維飛行軌跡。
10、進一步，在所述s1中，根據簇群受災情況進行優先級劃分以及計算簇群信息年齡增長系數，建立信息年齡模型，具體內容為：
11、首先獲取各個簇群成員的位置坐標，進行傳感節點分簇；其次采用k均值聚類算法得出每個簇群的質心，并令與質心歐氏距離最短的傳感節點作為該簇的簇頭。將無人機的飛行軌跡離散為長度為t的小時隙，假設當前時隙為n，此時，無人機從簇頭收集附近受災區域的基本情況，包括探測到傳輸范圍內的m個簇群、各簇群所在區域的受災嚴重程度。
12、為減小受災區域的人員和財產損失，對探測到的各簇群的受災情況進行評估，并確定采集優先級。為表征受災程度，定義第i(i＝1,2,...,m)個簇群在時隙n的優先級為簇群i的優先級由無人機接收到的反應簇群綜合受災情況參數fi(n)決定，其中包括人員傷亡財產損失溫度煙霧濃度表示時隙n時第i個簇群的傷亡人數與探測到的m個簇群的總傷亡人數之比，表示時隙n第i個簇群的財產損失與探測到的m個簇群的總財產損失之比，表示時隙n第i個簇群各節點探測到的平均溫度與最大參考溫度之比，表示時隙n第i個簇群各節點探測到的平均煙霧濃度與參考煙霧濃度之比，簇群i的綜合受災情況參數fi(n)由以上四個參數決定，表示為：
13、
14、其中和分別表示人員傷亡、財產損失、溫度和煙霧濃度參數的權重，且滿足
15、根據受災情況，將簇群的優先級劃分為5個等級，在時隙n簇群i的優先級表示為：
16、
17、上式中，優先級越大，表明簇群所在區域的受災程度越嚴重，該簇群的數據就有更大的機會被無人機優先采集。
18、為降低無線網絡的平均信息年齡大小，除簇群的優先級外，信息年齡模型的建立還應將簇群的數據平均生成周期考慮在內。假設第i個簇群包含ki個簇成員，那么第i個簇群的簇成員j(j＝1,2,...,ki)在n時隙的數據生成周期表示為則簇群i在時隙n的數據平均生成周期可由下式計算得出：
19、
20、進一步，定義為時隙n時m個簇群中的最大數據平均生成周期，表示為：
21、
22、由于簇群i的信息年齡增長系數wi(n)與簇群的數據平均生成周期相關，為避免簇群之間的增長系數差值過大導致其成為決定無人機軌跡的唯一決定性指標，wi(n)具體表示為：
23、
24、根據簇群的優先級和信息年齡增長系數，建立信息年齡模型。在n時隙，簇群i的成員j的數據的信息年齡的變化如下表示：
25、
26、在簇群數據未被無人機采集的時隙內，簇群的信息年齡呈線性增長，而在無人機對傳感節點的數據采集完成或傳感節點的數據進行周期更新的時隙，在該時隙末傳感節點的信息年齡將跳變為所屬簇群關于信息年齡增長系數和優先級的函數值。值得注意的是，如果在一個時隙內節點j沒有被調度進行信息年齡更新，那么該時隙末與下一時隙初的信息年齡是連續的，否則會經歷一次跳變。
27、進一步，在所述s2中，需要建立無人機能耗模型以及信道模型，并根據信道模型，計算得出各簇頭的最大傳輸半徑，具體內容為：
28、無人機水平方向飛行的推進功率為：
29、
30、其中，vh(n)為無人機在時隙n時水平方向的飛行速度，nu為無人機的旋翼個數，cl為無人機旋翼長度，ωu為角速度，ru為旋翼轉盤半徑，au為無人機前端參考面積，wu為無人機的重量，ρo和分別為空氣密度和阻力系數，λu是與無人機物理量和空氣密度相關的常數。
31、假設在時隙n，無人機處于懸停狀態，此時，無人機水平方向的速度vh(n)＝0，則無人機懸停功率ph為：
32、
33、受空氣阻力與重力影響，無人機在垂直方向上升、下降所需的推進功率不同，若時隙n時，無人機在垂直方向的飛行速度為vv(n)，則上升推進功率和下降推進功率的表達式分別為：
34、
35、
36、由于無人機的傳輸能耗與推進能耗相比過小，所以忽略不計。因此，在時隙n，無人機的能耗模型為：
37、
38、考慮災難環境下信號傳播環境和無人機飛行姿態對空-地信道的影響，對視距鏈路(los)，采用概率路徑損耗模型。在時隙n，無人機與簇頭i之間的los概率表示為：
39、
40、其中，a和b是僅取決于環境的常數，表示在本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.適用于災難場景的無人機動態3D軌跡設計方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的適用于災難場景的無人機動態3D軌跡設計方法，其特征在于：在所述S1中，根據簇群受災情況進行優先級劃分以及計算簇群信息年齡增長系數，建立信息年齡模型，具體內容為：
3.根據權利要求2所述的適用于災難場景的無人機動態3D軌跡設計方法，其特征在于：在所述S2中，需要通過建立系統信道模型，計算各個簇頭的最大傳輸半徑，具體內容為：
4.根據權利要求3所述的適用于災難場景的無人機動態3D軌跡設計方法，其特征在于：在所述S3中，在各簇頭傳輸半徑內，以無人機能耗與傳感節點平均信息年齡的加權和最小為目標，建立優化問題，并求解，獲得各簇群的最佳采集點，具體內容為：
5.根據權利要求4所述的適用于災難場景的無人機動態3D軌跡設計方法，其特征在于：所述S3具體為：
6.根據權利要求5所述的適用于災難場景的無人機動態3D軌跡設計方法，其特征在于：在S32中，在每個簇頭最大傳輸半徑內，利用雙重深度Q網絡算法DDQN計算所有可能采取動作的對應累計
...【技術特征摘要】
1.適用于災難場景的無人機動態3d軌跡設計方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的適用于災難場景的無人機動態3d軌跡設計方法，其特征在于：在所述s1中，根據簇群受災情況進行優先級劃分以及計算簇群信息年齡增長系數，建立信息年齡模型，具體內容為：
3.根據權利要求2所述的適用于災難場景的無人機動態3d軌跡設計方法，其特征在于：在所述s2中，需要通過建立系統信道模型，計算各個簇頭的最大傳輸半徑，具體內容為：
4.根據權利要求3所述的適用于災難場景的無人機動態3d軌跡設計方法，其特征在于：在所述s3中，在各簇頭...
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