一种最小化信息年龄的无人机悬停点选择和轨迹规划方法

本发明属于无人机辅助无线供能通信，尤其涉及一种最小化信息年龄的无人机悬停点选择和轨迹规划方法。

背景技术：

1、近年来，无人机在无线能量供应和通信网络中的应用日益增加，其主要优势在于其高度的灵活性和移动性。无人机被用于收集传感器节点的数据和提供射频信号供其能量捕获，以缓解广域通信网络场景中存在的双重远近效应问题。随着对数据时效性要求的提升，信息年龄作为衡量数据新鲜度的网络性能指标成为研究的重点。信息年龄指的是数据从生成到被接收端接收所经历的时间，反映了接收数据的新鲜度。提高数据新鲜度的关键在于减少数据在传输过程中的延迟，降低信息年龄。

2、在实际应用中，无人机辅助的无线供能通信网络通过利用无人机有限的电池容量，向传感器节点发射射频信号供其能量捕获后接收其发送的数据，及时返回混合接入点卸载数据，以此缩短传感器节点的数据从产生到被混合接入点接收的时间，并降低了数据产生的周期，从而降低了混合接入点接收到的数据的平均信息新鲜度，这对于优化传感器节点的数据的时效性具有重要意义。

3、在一个由多个岛屿组成的多无人机辅助的无线供能通信网络中，采用k-means分簇算法将岛屿分成多个簇。每架无人机飞往每个岛屿上预设的唯一悬停点，向岛上的传感器节点发射射频信号供其能量捕获，并接收传感器节点发过来的数据。在收到簇内所有岛上传感器节点的数据后，无人机返回混合接入点，卸载数据给混合接入点，并由混合接入点给无人机充能。随后，无人机再次飞往下一个簇内岛屿的悬停点。无人机访问的每个岛屿的悬停点位置和每个簇内岛屿的数量，对混合接入点处接收到的数据的平均信息年龄有着重要影响。

4、由于无人机的有限电池容量，无人机在完成发射射频信号供能和收集传感器节点数据的任务后需要飞回混合接入点，卸载数据给混合接入点，并由混合接入点给无人机充能。无人机电池充满后，无人机继续飞向下一个簇内岛屿的悬停点，执行向传感器节点发射射频信号供其能量捕获后接收其发送的数据的任务。这一过程对于确保无人机有效利用其电池容量，以及保障混合接入点收到数据的信息年龄至关重要。

5、结合无人机的有限电池容量，如何降低混合接入点收到数据的平均信息年龄是本领域需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种最小化信息年龄的无人机悬停点选择和轨迹规划方法，以降低混合接入点收到数据的平均信息年龄。

2、为了实现上述目的，本技术技术方案如下：

3、一种最小化信息年龄的无人机悬停点选择和轨迹规划方法，应用于无人机辅助的无线供能通信网络，包括以下步骤：

4、步骤1、根据无人机和混合接入点的地理位置，通过对岛屿的分簇，均衡无人机的任务负载；

5、步骤2、在无人机有限电池容量约束和最小化平均信息年龄约束下，确定无人机在每个岛上的悬停点位置和遍历悬停点的顺序；

6、步骤3、按照最终对岛屿分簇的结果，在每个簇内依次访问簇内岛屿的悬停点进行飞行。

7、进一步，所述步骤2中，在无人机有限电池容量约束和最小化平均信息年龄约束下，确定最终岛屿分簇结果和每个簇内的悬停点访问顺序，根据混合接入点的地理位置提出了一种新的方法对岛屿分簇，执行如下操作：

8、la1和la2将无人机辅助的无线供能通信网络划分为三个区域，分别是混合接入点1周围的区域a1、混合接入点2周围的区域a2和两个混合接入点之间的区域a0，lm表示两个混合接入点在水平平面内连线的中垂线，表示为：

9、

10、其中表示的是混合接入点1在三维坐标系中的位置，表示的是混合接入点2在三维坐标系中的位置。在水平平面的la1和la2分别表示为：

11、

12、

13、其中表示la1,la2和中垂线lm之间的距离；

14、区域a1中的岛屿由无人机1遍历访问悬停点和完成发射射频信号供能，收集传感器节点数据的任务，区域a2中的岛屿由无人机2遍历访问悬停点和完成发射射频信号供能，收集传感器节点数据的任务；对于la1和la2之间的区域a0中的岛屿，需要确定最终应由无人机1或无人机2执行遍历访问悬停点和完成发射射频信号供能，收集传感器节点数据的任务。将岛屿划分为三个区域的目的是缩短无人机遍历访问岛屿的飞行距离，从而缩短无人机的飞行时间，提高混合接入点收到数据的信息年龄性能。

15、进一步，针对区域a0中的岛屿划分问题，所述的基于信息年龄的分簇算法，过程如下：

16、步骤a1：根据la1，la2和lm，将指定区域的岛屿根据混合接入点的几何分布位置划分成区域a0，a1和a2，采用k-means算法对区域a1和区域a2中的岛屿进行分簇；

17、步骤a2：将区域a0中的岛屿与区域a1和区域a2现有的距离最近的簇合并后，分别计算无人机1和无人机2在遍历访问新合并簇内悬停点飞行和完成发射射频信号供能，收集传感器节点数据任务的能量消耗和各自对应的信息年龄性能；

18、步骤a3：分析区域a0中的岛屿自成一个新簇的可行性，即分别计算无人机1和无人机2的遍历访问岛屿自成新簇后的能量消耗和各自对应的信息年龄性能；

19、步骤a4：若区域a0中已有簇，将岛屿与区域a0现有的距离最近的簇合并后，分别计算无人机1和无人机2访问新合并簇的能量消耗和各自对应的信息年龄性能；

20、步骤a5：基于信息年龄性能，在无人机遍历访问簇内悬停点飞行和完成发射射频信号供能，收集传感器节点数据的任务所需能耗不超过有限电池能量的约束下，选择信息年龄最小的区域a0中的岛屿的簇合并过程，对区域a0中的岛屿和相关簇进行合并或自成新簇操作；

21、步骤a6：循环步骤a2-a5的操作，直到区域a0中的岛屿都被分到簇中。

22、再进一步，所述步骤2中，根据无人机的悬停时间和飞行时间选择岛的悬停点位置，过程如下：

23、步骤b1：以每个岛的地理位置的几何中心上方高度h的位置作为无人机在每个岛上初始的悬停点位置；

24、步骤b2：按照最短飞行距离得到簇内岛屿访问序列，根据当前遍历的岛屿的几何中心和簇内岛屿访问序列中此岛前后的岛屿的几何中心的连线，与此岛前后的两个岛屿的几何中心和混合接入点之间的连线，围成的候选区域，通过划分出更靠近混合接入点的区域，以排除会使得无人机飞行距离变长的悬停点位置。当岛屿的几何中心与混合接入点位置在同一条直线上或者无人机相继访问的岛屿的几何中心位于同一条直线上时，候选区域不存在，则将岛屿中所有传感器节点上方高度h的位置作为候选悬停点位置；

25、步骤b3：以无人机的飞行时间和悬停时间为指标，选择候选悬停点中无人机在岛内完成任务所需悬停时间最短的悬停点。

26、本发明的有益效果为：可根据无人机的有限电池容量约束，确定岛的分簇结果，在簇内的悬停点间飞行，以悬停状态完成向传感器节点发射射频信号供其能量捕获后接收其发送的数据的任务。通过减少无人机的飞行和悬停时间，降低从无人机辅助的无线供能通信网络中混合接入点接收数据的平均信息年龄。