本發(fā)明涉及無線通信網(wǎng)絡(luò)，具體而言，涉及一種基于lora自組網(wǎng)的無人機(jī)路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，因自然災(zāi)害或人為因素造成的人員被困事件頻發(fā)。由于救援環(huán)境惡劣，通信方式和設(shè)施存在較大的不確定性。為順利開展救援工作，首要是確保應(yīng)急環(huán)境中如洪水地震或火災(zāi)爆炸等天災(zāi)人禍惡劣環(huán)境中通信工作的通暢，保證現(xiàn)場(chǎng)中有限的可用通信資源的合理調(diào)配。受當(dāng)前大規(guī)模監(jiān)測(cè)不斷發(fā)展的需求的推動(dòng)，利用無人機(jī)輔助的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、探索和監(jiān)測(cè)大面積感興趣區(qū)域的趨勢(shì)越來越強(qiáng)烈，并得到了研究人員的廣泛關(guān)注，無人機(jī)攜帶移動(dòng)接收器，在空中沿著靜態(tài)或動(dòng)態(tài)計(jì)算的軌跡根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)飛行，移動(dòng)接收器與其飛行軌跡上覆蓋的地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳回基站。無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性可以減少緊急情況下的響應(yīng)時(shí)間，讓uav充當(dāng)中繼或數(shù)據(jù)收集器，可以延長(zhǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)使用壽命，平衡傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗，緩解在應(yīng)急環(huán)境中wan節(jié)點(diǎn)故障造成的問題，擴(kuò)大監(jiān)控范圍。

2、然而，應(yīng)急環(huán)境中搜救工作作為突出工作任務(wù)，其相關(guān)配備的通信功能務(wù)必優(yōu)先保障和調(diào)配，以確保人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。但由于災(zāi)區(qū)通信資源的局限，現(xiàn)如今采取的應(yīng)急調(diào)配方案較為單一，未能提供與應(yīng)急通信需求相當(dāng)?shù)馁Y源信號(hào)處理能力。從已有的文獻(xiàn)來看，大多數(shù)文獻(xiàn)所描述的資源調(diào)配方式仍難以滿足實(shí)際需求，對(duì)災(zāi)區(qū)通信終端的資源供給服務(wù)還不夠完善。

3、因此，本發(fā)明提出一種基于lora自組網(wǎng)的無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，來解決以上這些問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于lora自組網(wǎng)的無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，其能夠解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信與中繼無人機(jī)的路徑規(guī)劃問題，尋找應(yīng)急環(huán)境下通信節(jié)點(diǎn)間最優(yōu)傳輸路徑，為不同需求通信任務(wù)的節(jié)點(diǎn)傳輸科學(xué)規(guī)劃提供較可靠的參考依據(jù)。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、本技術(shù)提供一種基于lora自組網(wǎng)的無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，其包括以下步驟：

4、s1、通過應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)的傳感節(jié)點(diǎn)收集現(xiàn)場(chǎng)周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)；

5、s2、采用lora自組網(wǎng)設(shè)置包含位置和時(shí)間的用于傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)的中繼節(jié)點(diǎn)；

6、s3、根據(jù)lora自組網(wǎng)的配置參數(shù)計(jì)算環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)傳輸率、時(shí)間數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸容量數(shù)據(jù)；

7、s4、根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置和時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸率、時(shí)間數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸容量確定無人機(jī)訪問的節(jié)點(diǎn)子集、節(jié)點(diǎn)訪問順序和節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采集點(diǎn)位置，并建立無人機(jī)的路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型；

8、s5、通過最優(yōu)解算法求解無人機(jī)的路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型得到最佳路徑規(guī)劃結(jié)果。

9、進(jìn)一步地，步驟s3中，上述lora自組網(wǎng)的配置參數(shù)包括：載波頻率、擴(kuò)頻因子、帶寬和編碼率。

10、進(jìn)一步地，步驟s3中，上述數(shù)據(jù)傳輸率的計(jì)算公式包括：

11、，

12、式中， dr表示lora數(shù)據(jù)傳輸率， sf表示擴(kuò)頻因子， bw表示帶寬， cr表示編碼率。

13、進(jìn)一步地，步驟s3中，上述時(shí)間數(shù)據(jù)包括空中傳輸時(shí)間和數(shù)據(jù)采樣時(shí)間；其中，上述空中傳輸時(shí)間的計(jì)算公式包括：

14、，

15、，

16、所述數(shù)據(jù)采樣時(shí)間的計(jì)算公式包括：

17、，

18、式中， rs表示符號(hào)速率， sf表示擴(kuò)頻因子， bw表示帶寬， toa表示lora自組網(wǎng)中數(shù)據(jù)包的空中傳輸時(shí)間， n symbol表示符號(hào)個(gè)數(shù)， s sn表示節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前分鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣的時(shí)隙， id sn表示節(jié)點(diǎn)的id編號(hào)，mod為求余函數(shù)，tslot表示時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)。

19、進(jìn)一步地，步驟s3中，上述網(wǎng)絡(luò)傳輸容量包括網(wǎng)絡(luò)最大容量、節(jié)點(diǎn)間端到端的延遲上限和lora自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量；其中，上述網(wǎng)絡(luò)最大容量計(jì)算公式包括：

20、，

21、所述節(jié)點(diǎn)間端到端的延遲上限的計(jì)算公式包括：

22、，

23、所述lora自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量的計(jì)算公式包括：

24、，

25、，

26、，

27、，

28、式中， n表示網(wǎng)絡(luò)最大容量， t si表示采樣間隔， t slot表示時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)， upper delay表示延遲上限， hop min表示數(shù)據(jù)從傳感節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)所需的最小跳數(shù)，g表示每個(gè)時(shí)隙期間生成的數(shù)據(jù)幀的平均數(shù)量， n表示傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)量， p( k,t)表示 t個(gè)時(shí)隙期間生成 k個(gè)數(shù)據(jù)幀的概率， k表示無人機(jī)訪問的節(jié)點(diǎn)子集中不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)量， k！表示階乘， p0表示一幀被成功接收的概率， s lorawan表示lora自組網(wǎng)每個(gè)時(shí)隙的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

29、進(jìn)一步地，步驟s4中，上述無人機(jī)的路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型的計(jì)算公式包括：

30、，

31、式中， k表示收集的最大節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)， k表示無人機(jī)訪問的節(jié)點(diǎn)子集中不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)量， ψ k表示節(jié)點(diǎn)的訪問順序， p k表示節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采集點(diǎn)位置序列， l( p)表示總行程時(shí)間，即數(shù)據(jù)傳輸總時(shí)間和無人機(jī)飛行總時(shí)間之和， v表示無人機(jī)飛行速度，表示節(jié)點(diǎn)的采集點(diǎn)位置， tmax表示時(shí)間閾值， σ i表示路徑的第 i個(gè)節(jié)點(diǎn)， σ1表示路徑的起始節(jié)點(diǎn)， δ表示節(jié)點(diǎn)的通信范圍， c表示無人機(jī)的遙控距離， n表示總節(jié)點(diǎn)數(shù)量， s1表示路徑的終止節(jié)點(diǎn)。

32、進(jìn)一步地，上述最優(yōu)解算法包括蟻群算法、粒子群算法和遺傳算法。

33、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明至少具有如下優(yōu)點(diǎn)或有益效果：

34、（1）本發(fā)明提供的一種基于lora自組網(wǎng)的無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，通過采用lora自組網(wǎng)并配合中繼節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離通信，顯著提高無人機(jī)通信的靈敏度，降低了功耗，且可以通過連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)形成星形或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自由組網(wǎng)，節(jié)省了成本，提高了可靠性，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境并在出現(xiàn)應(yīng)急情況時(shí)進(jìn)行精準(zhǔn)定位；

35、（2）本發(fā)明基于lora自組網(wǎng)的配置參數(shù)計(jì)算環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)傳輸率、時(shí)間數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸容量數(shù)據(jù)，可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制傳輸速率，減少控制開銷，增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減少端到端傳輸延遲，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和魯棒性；

36、（3）本發(fā)明通過建立無人機(jī)的路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，可快速精確的規(guī)劃最佳路徑，能夠解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信與中繼無人機(jī)的路徑規(guī)劃問題，尋找應(yīng)急環(huán)境下通信節(jié)點(diǎn)間最優(yōu)傳輸路徑，為不同需求通信任務(wù)的節(jié)點(diǎn)傳輸科學(xué)規(guī)劃提供較可靠的參考依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境應(yīng)急信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸、存儲(chǔ)和管理。