【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于無線可充電傳感器網絡(wrsn：wireless?rechargeable?sensornetwork)，具體涉及一種基于無人機充電模式、飛行速度和充電范圍聯合優化的無人機能耗最低的wrsn充電方法及系統。
技術介紹
1、近年來，無線傳感器網絡在物聯網、智能交通系統、野外數據采集等諸多領域得到廣泛的應用。由于硬件資源有限，這些網絡經常面臨能量限制。此外，傳感器節點通常位于難以到達的區域，這使得更換電池變得困難。為延長網絡的壽命，技術人員提出許多節約能量的策略。然而，這些方法并不能從根本上解決這個問題，傳感器節點最終會耗盡能量。雖然引入太陽能、風能等環境能量收集技術可以解決傳感器節點能量耗竭的問題，但這些方法依賴于周圍的自然環境，能量收集的性能不可預測。因此，如何有效、可靠地為無線傳感器網絡補充能量仍然是一個極具挑戰性的問題。
2、近年來，通過無人機給傳感器節點補能以其獨特的優勢被應用于wrsn。針對節點充電問題，通常無人機充電方案分為一對一充電模式和一對多充電模式兩大類。在前者中，無人機一次只向一個傳感器節點充電；后者是無人機同時向多個傳感器節點充電。在充電過程中，無人機有兩種充電模式：懸停充電模式，即無人機在固定位置懸停為節點充電，一般懸停在節點的正上方；飛行充電模式，即無人機在飛行過程中對節點充電。目前的技術通常假設移動充電器擁有無限的能量。然而，這在實際應用中不現實，特別是使用電池供電的無人機充電，此時無人機也面臨著能量限制。此外，無人機在飛行過程中的能耗也不容忽視。因此，如何平衡無人機與傳感器節
技術實現思路
1、為解決無人機在非密集wrsns中使用無線電力傳輸(wpt)技術對傳感器節點充電的能耗最小化問題，本專利技術通過對無人機不同充電模式下的充電能耗建模和飛行能耗建模，以最小化無人機總體能耗為目標，提出一種無人機充電模式、飛行速度和充電覆蓋半徑聯合優化的無人機能耗最低的wrsn充電方法及系統。
2、本專利技術針對的非密集wrsn應用場景部署在二維區域，包括一個充電基站(cbs)、一架旋翼無人機和n個傳感器節點。無人機從cbs出發，在高度h按充電策略對傳感器節點依次充電，最后以無人機總能耗最小為目標返回cbs。在每個充電周期中，假設cbs知道每個傳感器節點的坐標和剩余能量。如果節點的充電策略為混合充電，則無人機在充電覆蓋半徑處減速到一定的速度，并以該速度飛行進行充電；到達節點正上方時，無人機開始懸停充電，離開節點后，繼續以相同速度飛行充電，直至充電結束飛到下一個節點。如果充電策略是飛行充電，則無人機不需要在節點上方直接懸停充電，其他與混合充電相同。非密集wrsn指的是傳感器節點分布較稀疏，傳感器節點之間的距離大于無人機的充電覆蓋半徑，這使得無人機只能單對單的對每個傳感器節點進行充電。
3、為實現以上目的，本專利技術技術方案如下：
4、無人機能耗最低的無線可充電傳感器網絡充電方法，包括如下步驟：
5、s1，針對非密集wrsn，以最小化無人機總能耗為目標，構建基于飛行-懸停的充電問題，并將其分解為最小化充電能耗和最小化飛行能耗問題；
6、s2，針對最小化充電能耗問題，基于飛行和懸停充電模式，提出自適應充電策略(acs)，對無人機執行充電任務時的充電模式、飛行速度和充電覆蓋半徑進行聯合優化；
7、s3，對于最小化飛行能耗問題，基于函數分解的方式，將其分解為最優的不充電飛行速度確定問題和最小化飛行距離問題。最優的不充電飛行速度通過切線法得到，最小化飛行距離問題通過遺傳算法進行求解。
8、優選的，步驟s1中：
9、s11.無人機功率建模。
10、根據現有文獻，將無人機的推進功率建模為：
11、
12、式中，p0和p1是兩個常數，分別代表懸停狀態下槳葉輪廓功率和感應功率；utip表示轉子的葉尖速度；v0表示懸停時的平均旋翼誘導速度，d0和s分別是機身阻力比和旋翼密實度，ρ和a表示空氣密度和旋翼盤面積，v是無人機的移動速度。實際建模中，上述參數除v外，都是已知參數。
13、無人機在給傳感器節點無線充電時，傳感器接收到的射頻功率pr(d)建模為：
14、pr(d)＝pt+guav+gsn-20log{f}-20logpzl1r9l+147.55db
15、式中，pt是無人機發送的射頻功率，guav表示無人機的發射天線增益，gsn表示傳感器接收天線增益，這三個量的單位都為db；d為無人機與傳感器節點之間的直線距離，單位為米，f為無人機的射頻頻率，單位為hz。
16、懸停時，無人機的速度為0，懸停功率ph可表示為：
17、ph＝p(0)＝p0+p1
18、用表示懸停時的充電量。此時，無人機與傳感器的直線距離d＝h，懸停充電時間可建模為：
19、
20、式中，pr是傳感器接收到的射頻功率，η為傳感器的能量轉換效率，h代表懸停。
21、飛行充電時，無人機需要在傳感器節點正上方以速度vi飛行，其中到傳感器節點的距離為式中，h代表無人機與傳感器節點的垂直距離，vit代表無人機與傳感器節點的水平距離，t為飛行時間。
22、飛行充電量可以建模為：
23、
24、式中，ri為無人機給第i個傳感器節點充電的水平覆蓋半徑，pr(d)為傳感器節點的接收到的射頻功率。
25、飛行充電量與懸停充電量的關系可表示為：
26、
27、式中，emax代表傳感器節點充電電量的上限、ei代表第i個傳感器節點剩余電量。因此，emax-ei表示傳感器節點si所需的充電量。
28、s12.無人機執行充電任務的能耗建模。
29、對節點si懸停充電時，無人機的懸停充電能耗建模為：
30、
31、式中，ph為無人機懸停功率、pt為無人機無線充電發射功率，第一項為懸停能耗，第二項為充電能耗。
32、對節點si飛行充電時，無人機在飛行充電能耗建模為：
33、
34、式中，p(vi)表示無人機以速度vi飛行的飛行功率，第一項為飛行能耗，第二項為充電能耗。
35、令d表示無人機在充電任務期間的總飛行距離，v表示不給傳感器節點充電時的飛行速度。無人機在不給傳感器節點充電時的飛行能耗可以建模為：
36、
37、式中，p(v)為無人機以速度v飛行時的飛行功率，為飛行時間。
38、無人機總能耗可表示為:
39、
40、式中，n代表傳感器節點總數量，代表飛行充電能耗和代表懸停充電能耗。
41、s13.為使無人機總能耗最小，優化問題p0表示為：
42、p0:
43、s.t.(1)
44、(2)
45、(3)
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1.無人機能耗最低的無線可充電傳感器網絡充電方法，其特征是，包括如下步驟：
2.如權利要求1所述無人機能耗最低的無線可充電傳感器網絡充電方法，其特征是，步驟S1中：
3.如權利要求2所述無人機能耗最低的無線可充電傳感器網絡充電方法，其特征是，上述約束中：
4.如權利要求3所述無人機能耗最低的無線可充電傳感器網絡充電方法，其特征是，步驟S1中，將問題P0分解為兩個子問題P1和P2，P1為最小化充電能耗問題和P2為最小化飛行能耗；
5.如權利要求4所述無人機能耗最低的無線可充電傳感器網絡充電方法，其特征是，步驟S2具體如下：
6.如權利要求5所述無人機能耗最低的無線可充電傳感器網絡充電方法，其特征是，步驟S3具體如下：
7.無人機能耗最低的無線可充電傳感器網絡充電系統，用于執行如權利要求1-6任一項所述的方法，包括如下模塊：
【技術特征摘要】
1.無人機能耗最低的無線可充電傳感器網絡充電方法，其特征是，包括如下步驟：
2.如權利要求1所述無人機能耗最低的無線可充電傳感器網絡充電方法，其特征是，步驟s1中：
3.如權利要求2所述無人機能耗最低的無線可充電傳感器網絡充電方法，其特征是，上述約束中：
4.如權利要求3所述無人機能耗最低的無線可充電傳感器網絡充電方法，其特征是，步驟s1中，將問題p0分解為兩個子...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王春雪，姚英彪，徐欣，楊阿鋒，朱金龍，劉晴，曾嶸，
申請(專利權)人：杭州電子科技大學，
類型：發明
國別省市：
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