基于物聯(lián)網(wǎng)的多無人機協(xié)作能耗控制算法仿真

匡銀虎，張虹波

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏銀川750021)

1 引言

近年來，我國的經(jīng)濟(jì)實力和國防實力不斷增強，其中多無人機在國防和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域發(fā)展過程中起到關(guān)鍵作用，協(xié)助研究人員完成許多科研項目。在節(jié)能降耗的號召下，多無人機協(xié)作任務(wù)時能量耗損成為多無人機領(lǐng)域的一個難題[1-2]。

傳統(tǒng)的多無人機協(xié)作能量消耗控制算法的核心是節(jié)能，因此在控制無人機能量損耗時，忽略了多無人機的工作協(xié)作效率，將節(jié)省的能耗都用來完成無人機協(xié)作效率，導(dǎo)致無人機協(xié)助能耗控制效果不明顯，性價比低[3]。因此本文根據(jù)目前多無人機協(xié)作領(lǐng)域常見的無人機協(xié)助高能量消耗問題入手，為此本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)的多無人機協(xié)作能耗控制算法，保證多無人機協(xié)作效率的基礎(chǔ)上，降低無人機的協(xié)作能耗，逐個分析，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建一個基于物聯(lián)網(wǎng)的多無人機協(xié)助能耗控制算法，解決以上問題。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的多無人機協(xié)作能耗分析

本文對多無人機協(xié)作能耗進(jìn)行分析，研究無人機協(xié)作能量消耗的主要方面，歸納出瞬時能耗、擁塞能耗以及路徑能耗的消耗原理。

2.1 多無人機協(xié)作瞬時能耗分析

多無人機協(xié)作瞬時能耗指的是多無人機協(xié)作轉(zhuǎn)接工作時的工作模式切換過程的瞬時能量消耗情況。切換過程如圖1所示。

圖1 切換過程

為了保證多無人機的工作效率，本文設(shè)定多種切換模式以供無人機選擇，保證無人機的協(xié)作效率。本文設(shè)定2種切換模式下輔助無人機完成正常工作，在執(zhí)行協(xié)作時，提前計算哪一種模式的能量消耗小，則執(zhí)行某一模式，將無人機的能耗降到最低[4]。具體的2種瞬時切換模式的系統(tǒng)能耗計算如公式(1)所示：

(1)

其中，Pml表示無人機的瞬時輸出功率pm2；φml表示無人機的瞬時工作功率；φm2表示耦合裝置在無人機瞬時模式的能量利用效率。

2.2 多無人機協(xié)作擁塞能耗分析

多無人機協(xié)作任務(wù)時各個信息的獲取和發(fā)送都是通過網(wǎng)絡(luò)完成的，因為網(wǎng)絡(luò)通道的容量是一定的，在無人機協(xié)作的多個任務(wù)同時并發(fā)時，會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況，導(dǎo)致無人機協(xié)作任務(wù)進(jìn)度停止，處于緩沖狀態(tài)，同時會造成一定的能量消耗，本文分析的核心就是如何將多無人機的擁塞能耗降到最低[5]。

在無人機協(xié)作任務(wù)擁塞情況下，網(wǎng)絡(luò)信道受外界條件噪音比和待機驅(qū)動影響，必須通過能量轉(zhuǎn)換驅(qū)動無人機的待機狀態(tài)，否則無人機協(xié)作任務(wù)就會中途停止。經(jīng)過分析，在無人機協(xié)作任務(wù)因為網(wǎng)絡(luò)擁塞停止時，通過提高無人機的吞吐量，來維持無人機待機狀態(tài)消耗的能量比傳統(tǒng)的消耗能量少，并且保證無人機的工作效率[6]。無人機工作路徑如圖2所示。

圖2 無人機工作路徑

本文設(shè)定一個多無人機協(xié)作擁塞檢測函數(shù)，為無人機協(xié)作擁塞能耗分析提供數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)，具體公式如下所示：

(2)

其中，lbefor表示無人機協(xié)作時前一時刻網(wǎng)絡(luò)通信的進(jìn)程排列長度；lcurent表示無人機協(xié)作時此刻的網(wǎng)絡(luò)通信的進(jìn)程排列長度；q表示通信隊列空間；μ表示一個平滑系數(shù)。其中平滑系數(shù)超過0.5時，多無人機協(xié)作進(jìn)程就存在擁塞的可能性，需要提前提高無人機的吞吐量，以維持無人機的正常工作，相反，則無人機無需提高吞吐量[7]。

2.3 多無人機協(xié)作路徑能耗分析

多無人機協(xié)作路徑也是無人機協(xié)作能量消耗的主要方面，影響無人機協(xié)作路徑能耗情況的主要關(guān)鍵因素是節(jié)點的發(fā)射功率、端口的剩余能量以及路徑的跳數(shù)，利用相關(guān)的計算公式，計算出一條能量消耗最低的路徑，降低無人機總體的能耗量。無人機路徑的確認(rèn)前提是必須包括路徑的保護(hù)節(jié)點、關(guān)鍵節(jié)點以及其它重要信息，將初次得到的路徑進(jìn)行能耗計算。多無人機協(xié)作路徑如圖3所示。

圖3 多無人機協(xié)作路徑

具體的無人機協(xié)作路徑能耗計算公式如下所示

(3)

其中，α表示無人機路徑節(jié)點的發(fā)射功率和發(fā)生端剩余能量的比值；β表示無人機路徑節(jié)點的發(fā)射功率和接收端剩余能量的比值；γ表示路徑跳數(shù)在總能耗函數(shù)中所占比重[8]。

檢驗無人機協(xié)作路徑的能耗是否滿足無人機協(xié)作工作效率，則要校驗路徑能耗是否符合相對應(yīng)的約束條件，在本文設(shè)計的路徑能耗計算公式中，建立以下路徑的約束，如下所示

Cim=C(P)im+C(E)im+C(H)im

(4)

各個試探節(jié)點在完成每條路徑的模擬路徑后，向無人機發(fā)送路徑回應(yīng)，回應(yīng)包括路徑的信息和過程的能耗。通過以上公式計算出各個路徑的能耗[9-10]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的多無人機協(xié)作能耗控制算法仿真

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的原理是通過各種信息傳感設(shè)備，按照規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，完成數(shù)據(jù)的接收、采集、定位、監(jiān)測、控制、識別等操作。

物聯(lián)網(wǎng)涉及的內(nèi)容十分豐富，因此物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在多無人機協(xié)作能耗控制算法中的作用是預(yù)測無人機在協(xié)作過程中可能消耗的能量，然后調(diào)用能耗控制算法，將無人機協(xié)作的能耗控制在規(guī)定范圍內(nèi)，達(dá)到本文研究的目的[11-12]。

通過以上對多無人機協(xié)助能耗的三方面分析和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)原理分析，本文總結(jié)出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多無人機協(xié)助能耗控制算法工作流程如圖4所示。

圖4 多無人機協(xié)助能耗控制算法工作流程

根據(jù)圖4可知，主要控制計算流程，分別為建立多無人機協(xié)作能耗預(yù)測模型、選擇無人機協(xié)作方案中的簇首，最后計算每個簇首代表區(qū)域無人機消耗能量，得出總能耗，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)街技術(shù)查詢標(biāo)準(zhǔn)無人機能耗指標(biāo)，通過算法對無人機能耗進(jìn)行合理控制。

無人機能耗具體模型如下所示

(5)

式中，E1表示發(fā)射脈沖能量，單位為J；ET表示接收機探測器接收到的能量，單位為J；r表示發(fā)射端與接收端的距離，單位為m；βt和β分別表示發(fā)射端、接收端仰角，單位為弧度；θ表示發(fā)射半角，單位為弧度；μ表示散射角，單位為弧度；ks表示散射系數(shù)；S表示接收孔徑面積，單位為cm2。

采集無人機協(xié)助任務(wù)時的簇首，簇首是可以代表多無人機協(xié)作工作中各個指標(biāo)工作過程中能量消耗的唯一標(biāo)識，每架無人機都設(shè)有紫外光通信發(fā)收裝置，簇首的選舉需要計算無人機協(xié)助任務(wù)中的各個端口的能量剩余和能量輸出的比值，采用平均剩余能量的估計值代替實際多無人機中的剩余能量，計算簇首的平均消耗能量。無人機各個端口信號如圖5所示。

圖5 無人機端口信號狀態(tài)過程

則第r輪中節(jié)點的平均能量為

(6)

式中，r表示當(dāng)前選舉的輪數(shù)，單位為輪；n表示網(wǎng)絡(luò)中僚機數(shù)量，單位為個；Etotal表示網(wǎng)絡(luò)初始總能量，單位為J；rmax表示網(wǎng)絡(luò)生存時間，單位為輪。

計算出預(yù)測多無人機協(xié)作能量消耗值后，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)查詢相對應(yīng)無人機消耗的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，如果計算的能耗值小于標(biāo)準(zhǔn)值，則根據(jù)能耗最優(yōu)化公式計算是否存在最優(yōu)的能耗控制方案；如果計算的能耗超出標(biāo)準(zhǔn)值，那么立即采用基于物聯(lián)網(wǎng)的多無人機協(xié)作能耗控制算法，提出最有效的控制方案，減少無人機能量的損耗。為了將多無人機協(xié)作能耗降到最低，本文將控制無人機的發(fā)射功率，輔助計算公式如下所示

(7)

式中，Y為多無人機最小接收門限，G表示無人機簇首與目的簇的最小信道增益。

在控制了多無人機協(xié)作的發(fā)射功率最小能耗后，本文引入能量參量a，協(xié)調(diào)多無人機整體的能耗，最終的控制計算公式如下所示

(8)

Pmin=a-TDP

(9)

式中，Er(K)為無人機初始能量；Eo(K)表示無人機端口的剩余能量；D為比特數(shù)；T為時間。

4 實驗結(jié)果分析

綜合以上完成的基于物聯(lián)網(wǎng)的多無人機協(xié)助能耗控制算法的研究，本文為了驗證控制算法的控制效果，構(gòu)建一個仿真，對實驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出實驗結(jié)論，實驗參數(shù)配置要求如表1所示。

表1 實驗參數(shù)配置要求表

為了保證實驗的公平性和合理性，在實驗進(jìn)行前需要實驗預(yù)處理操作，主要工作為選擇同一型號的多無人機，并選擇一個足夠需求的實驗區(qū)域。具體的實驗流程如下所示：

1)首先將傳統(tǒng)的多無人機協(xié)助能耗控制算法和本文研究的算法同時連入兩個相同型號的無人機管理仿真系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)行調(diào)試，避免由于系統(tǒng)初始化導(dǎo)致實驗終止的情況發(fā)生，數(shù)據(jù)記錄人員分別就位，觀察計算機數(shù)據(jù)變化的工作人員一旦發(fā)現(xiàn)實驗存在危險，立即切斷電源，結(jié)束實驗；

2)在實驗預(yù)處理操作完成后，將向兩臺多無人機發(fā)送相同的任務(wù)，確定接收任務(wù)成功后，開始實驗，工作人員需要記錄實驗過程中多無人機能量消耗情況和對應(yīng)時間，方便數(shù)據(jù)計算和分析；

3)一臺無人機完成相應(yīng)任務(wù)時工作人員宣布實驗結(jié)束，工作人員將手動記錄數(shù)據(jù)與計算機記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，如果數(shù)據(jù)不存在較大的誤差，則對兩次實驗記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得出實驗結(jié)論，繪制實驗數(shù)據(jù)結(jié)果圖，完成本次實驗操作。

具體的實驗結(jié)果示意圖如圖6所示。

圖6 多無人機協(xié)助能耗消耗仿真結(jié)果

根據(jù)圖6可知，基于物聯(lián)網(wǎng)的多無人機協(xié)作能耗控制算法比兩種傳統(tǒng)的多無人機協(xié)作能耗控制算法的能耗控制效果好，并且不影響多無人機協(xié)作的工作效率。本文研究的控制算法將無人機協(xié)助總能耗控制在100000J，是傳統(tǒng)控制算法的多無人機協(xié)作消耗能量的一半，形成這一良好數(shù)據(jù)的原因一方面是因為本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，算法提前對多無人機協(xié)作任務(wù)方案進(jìn)行規(guī)劃，計算出多無人機協(xié)作執(zhí)行任務(wù)方案中能耗消耗最小值，并任務(wù)完成效果最好的方案。

表2 控制時長仿真結(jié)果

本文深刻地分析多無人機協(xié)助過程中瞬時能耗原理、路徑能耗原理以及擁塞能耗原理，在多無人機協(xié)作任務(wù)執(zhí)行過程中，會根據(jù)各個特點進(jìn)行合理控制，最后將無人機的能耗控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，從而有效縮短控制時長。本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)的多無人機協(xié)助控制算法將無人機開始的驅(qū)動能耗降低至3500J，基于物聯(lián)網(wǎng)的多無人機協(xié)作總能耗低于傳統(tǒng)控制算法無人機消耗能量的關(guān)鍵。

5 結(jié)束語

本文分別在多無人機協(xié)作的瞬時能耗方面、擁塞能耗方面以及路徑能耗方面進(jìn)行全面的分析，得出多無人機協(xié)作能耗的關(guān)鍵點，然后論述物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對以上三個方面多無人機協(xié)助能耗進(jìn)行合理的控制，完成控制算法的研究。最后根據(jù)實驗分析，證明本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)的多無人機協(xié)作能耗控制算法的控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)的能耗控制算法。