【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于無人機輔助無線通信領域，涉及一種無人機輔助的混合數據采集方法。
技術介紹
1、近年來，無線傳感器系統在智能電網中的應用范圍很廣，包括但不限于電能質量監控、斷電檢測、架空傳輸線監控、故障檢測和定位、設備故障診斷和地下電纜系統監控等。傳統的無線傳感器網絡的數據收集是以單跳或者多跳的方式傳遞到匯聚節點，再由匯集節點發送給基站。這種方式會加速數據轉量大的節點壽命終結，從而導致網絡壽命變短；目前針對這個問題，引入無人機作為移動數據采集器，形成異構無線傳感器網絡，能延長系統壽命；同時，無人機能更近距離的無遮擋的與節點進行通信，以此也可以提高通信質量。
2、盡管使用無人機進行數據采集具有很多優勢，但仍然面臨著能量受限以及采集速度沒有傳統系統以多跳的方式快的問題。目前大部分的研究工作在無人機輔助傳感器網絡數據采集的路徑規劃方法上做了很多非常有意義的研究。但這些研究中忽略了在基站覆蓋范圍內的節點可以自發的把數據傳輸到數據中心，從而減少無人機的工作量；同時這些研究沒有充分考慮到無人機的飛行速度對軌跡與采集任務的影響以及在實際場景中傳感節點具有有限的能量。
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無人機輔助的混合數據采集方法。針對基站在空閑時也可以進行傳感節點采集任務，設計了基站與無人機協同的數據采集系統從而減少無人機的采集任務。同時，為了進一步高效率的完成采集任務；在無人機采集系統中考慮節點的能量有限以及保證節點數據能夠被完整傳輸的前提下，調整無人機的軌跡、飛
2、為達到上述目的，本專利技術提供如下技術方案：
3、一種無人機輔助的混合數據采集方法，該方法包括以下步驟：
4、s1：無人機、基站和傳感節點構成混合數據采集系統，無人機充當移動采集器，和基站共同完成區域內所有傳感節點的數據采集。為提高混合數據采集系統的采集效率，根據基站帶寬、傳感節點基本信息(數量、位置、能量)等，將混合采集系統分解為兩個子系統：無人機輔助的數據采集子系統a和基站直接采集子系統b。
5、s2：根據總體采集時間最短的原則，建立混合采集系統的總體目標，即為兩個子系統中的最大采集時間的最小化。若以ta、tb分別表示子系統a、b的所有數據完成時間，則混合系統的總體目標表示為：min(max{ta,tb})。
6、s3：對子系統b，計算其數據采集時間tb，即系統中采集時間最大的節點的完成時間。
7、s4：對子系統a，其數據采集時間ta為無人機采集系統內所有節點數據所需要的時間，通過建立時間最小化問題，優化無人機飛行速度、路徑和傳感節點的發射功率，獲得子系統a的最小任務完成時間。
8、進一步，s1中對混合數據采集系統進行分解，具體內容為：
9、記混合系統需采集的全部傳感節點數為k，建立傳感節點集合s＝{k,k＝1,2,3,...,k}，按如下步驟對傳感節點進行子系統歸類：
10、s11：由于基站帶寬有限，假設基站最多能與m(1≤m≤k)個傳感節點通信。對基站直接采集子系統b，因為基站直接采集數據的速度遠大于無人機飛行采集速度，因此在子系統構建時，盡量使基站服務的傳感節點數達到最大，即分配m個節點給基站采集子系統。
11、s12：在分配的時候，還需考慮傳感節點k的剩余能量ek能否支撐其完成所有數據量的上傳。定義第k個傳感節點上傳數據需消耗的能量為：
12、
13、其中，與pgc分別表示第k個節點的發射功率和信號處理功率；tk表示節點k的數據采集時間。若則表示其可以向基站上傳完數據，此時，將其加入集合sb；反之，則放入集合sa。
14、傳感節點k采集時間tk由下式進行計算：
15、
16、其中，qk為節點k待上傳的數據量，rk表示節點的傳輸速度，其與節點的發射功率和路徑損耗有關，根據香農定理，節點的傳輸速度計算如下：
17、
18、其中，w表示信道帶寬；hk表示節點k與基站通信的信道增益；σ表示噪聲功率。
19、s13：記子系統a與子系統b的傳感節點集合分別為分別統計集合sa和sb的節點數量，記為na和nb；如果nb≤m，則集合sb中的節點就全部由基站進行采集，即反之，對集合sb中的節點進行篩選，篩選步驟如下：
20、a、進行組合，從集合sb中隨機選擇(nb-m)個節點，一共可獲取種組合；
21、b、將上一步獲得的每一種組合與集合sa中的節點(共有na+nb-m個節點)構成旅行商問題，并通過混合粒子群算法求解該問題，選出路徑最短的組合，獲得子系統a的傳感節點集合集合sb中的剩余節點加入到子系統b的傳感節點集合
22、進一步，s3中計算子系統b的采集數據時間，即獲取系統中采集時間最大的節點的完成時間，具體如下：
23、s31：在子系統b中采用正交頻分多址的通信技術進行節點到基站的數據傳輸，該技術會將帶寬資源平均劃分為m個子通道，每個子通道分配給一個節點。因此，對于集合中的第j個節點的通信帶寬wj為：
24、
25、其中，m表示基站可容納的最大通信子通道個數；w表示信道帶寬。
26、節點j的采集時間tj為：
27、
28、s32：計算出每個節點的采集時間后，即可獲得子系統b的數據采集時間tb為：
29、
30、其中，表示子系統b中的傳感節點數目。
31、進一步，s4中通過優化無人機飛行速度、路徑和傳感節點的發射功率，獲得子系統a的最小任務完成時間，具體如下：
32、s41：獲取無人機的初始飛行路徑，即確定節點的采集順序；這里不考慮無人機的數據采集任務，只關注如何取得最短的路徑；將飛行路徑最短化問題轉換成旅行商問題，通過混合粒子群算法進行求解得到采集順序；
33、s42：在無人機飛行速度范圍內，建立無人機在飛行采集與飛行懸停兩種采集模式下的最大數據量問題，通過序列最小二乘法求解出不同飛行速度下兩種模式的最大數據量；
34、s43：根據節點待上傳的數據量和獲得的閾值，對各節點能否被采集進行判斷；若能，則針對該節點判斷無人機的采集模式和無人機的初始飛行速度；若不能，則無人機無法采集該節點；
35、s44：進一步優化無人機速度，建立單個節點的采集時間最小化問題，通過最小序列二乘法和遍歷法求解獲得，獲得采集每個節點的最優飛行路徑、飛行速度以及節點的發射功率。假設對于集合中的第i個節點獲得的優化后的數據采集時間為那么，最終子系統a中的任務完成時間為無人機按照優化后的路徑進行變速飛行采集完全部節點的時間，即：
36、
37、其中表示子系統a中的傳感節點數目。
38、進一步，在s42中，在求解不同速度下無人機采集的數據量最大化問題時，需要注意無人機只有飛過節點的正上方時，本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種無人機輔助的混合數據采集方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種無人機輔助的混合數據采集方法，其特征在于：所述S1中，對混合數據采集系統進行分解，具體為：
3.根據權利要求1所述的一種無人機輔助的混合數據采集方法，其特征在于：所述S3中計算子系統B的采集數據時間，即獲取系統中采集時間最大的節點的完成時間，具體如下：
4.根據權利要求1所述的一種無人機輔助的混合數據采集方法，其特征在于：所述S4中，通過優化無人機飛行速度、路徑和傳感節點的發射功率，獲得子系統A的最小任務完成時間，具體如下：
5.根據權利要求4所述的一種無人機輔助的混合數據采集方法，其特征在于：所述S42中，在求解不同速度下無人機采集的數據量最大化問題時，無人機只有在飛過節點的正上方時，才與節點的距離最小，獲得最大的數據傳輸速率，是最佳的懸停采集位置；建立節點i在非重疊模式下的無人機采集數據量最大化問題：
6.根據權利要求4所述的一種無人機輔助的混合數據采集方法，其特征在于：所述S43中，根據節點待上傳的數據量和獲得的閾值
7.根據權利要求4所述的一種無人機輔助的混合數據采集方法，其特征在于：所述S44中，找出最優的無人機飛行采集速度并完成飛行軌跡優化，具體為：在獲得無人機飛行的初始速度后，對節點的速度做進一步的優化，根據節點i所獲得的無人機初始飛行速度Vistart以及采集模式，建立節點i的采集時間最小化問題：
...【技術特征摘要】
1.一種無人機輔助的混合數據采集方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種無人機輔助的混合數據采集方法，其特征在于：所述s1中，對混合數據采集系統進行分解，具體為：
3.根據權利要求1所述的一種無人機輔助的混合數據采集方法，其特征在于：所述s3中計算子系統b的采集數據時間，即獲取系統中采集時間最大的節點的完成時間，具體如下：
4.根據權利要求1所述的一種無人機輔助的混合數據采集方法，其特征在于：所述s4中，通過優化無人機飛行速度、路徑和傳感節點的發射功率，獲得子系統a的最小任務完成時間，具體如下：
5.根據權利要求4所述的一種無人機輔助的混合數據采集方法，其特征在于：所述s42中，在求解不同速度下無人機...
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