基于物聯(lián)網(wǎng)的多無人機(jī)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(qiáng)，其中多無人機(jī)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(jī)協(xié)作任務(wù)時能量耗損成為多無人機(jī)領(lǐng)域的一個難題[1-2]。

傳統(tǒng)的多無人機(jī)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(jī)能量損耗時，忽略了多無人機(jī)的工作協(xié)作效率，將節(jié)省的能耗都用來完成無人機(jī)協(xié)作效率，導(dǎo)致無人機(jī)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(jī)協(xié)作領(lǐng)域常見的無人機(jī)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(jī)協(xié)作能耗控制算法，保證多無人機(jī)協(xié)作效率的基礎(chǔ)上，降低無人機(jī)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(jī)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(jī)協(xié)作能耗分析

本文對多無人機(jī)協(xié)作能耗進(jìn)行分析，研究無人機(jī)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(jī)協(xié)作瞬時能耗分析

多無人機(jī)協(xié)作瞬時能耗指的是多無人機(jī)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(jī)的工作效率，本文設(shè)定多種切換模式以供無人機(jī)選擇，保證無人機(jī)的協(xié)作效率。本文設(shè)定2種切換模式下輔助無人機(jī)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(jī)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(jī)的瞬時輸出功率pm2；φml表示無人機(jī)的瞬時工作功率；φm2表示耦合裝置在無人機(jī)瞬時模式的能量利用效率。

2.2 多無人機(jī)協(xié)作擁塞能耗分析

多無人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的擁塞能耗降到最低[5]。

在無人機(jī)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(jī)驅(qū)動影響，必須通過能量轉(zhuǎn)換驅(qū)動無人機(jī)的待機(jī)狀態(tài)，否則無人機(jī)協(xié)作任務(wù)就會中途停止。經(jīng)過分析，在無人機(jī)協(xié)作任務(wù)因為網(wǎng)絡(luò)擁塞停止時，通過提高無人機(jī)的吞吐量，來維持無人機(jī)待機(jī)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(jī)的工作效率[6]。無人機(jī)工作路徑如圖2所示。

圖2 無人機(jī)工作路徑

本文設(shè)定一個多無人機(jī)協(xié)作擁塞檢測函數(shù)，為無人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)協(xié)作進(jìn)程就存在擁塞的可能性，需要提前提高無人機(jī)的吞吐量，以維持無人機(jī)的正常工作，相反，則無人機(jī)無需提高吞吐量[7]。

2.3 多無人機(jī)協(xié)作路徑能耗分析

多無人機(jī)協(xié)作路徑也是無人機(jī)協(xié)作能量消耗的主要方面，影響無人機(jī)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(jī)總體的能耗量。無人機(jī)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(jī)協(xié)作路徑如圖3所示。

圖3 多無人機(jī)協(xié)作路徑

具體的無人機(jī)協(xié)作路徑能耗計算公式如下所示

(3)

其中，α表示無人機(jī)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(jī)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(jī)協(xié)作路徑的能耗是否滿足無人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)協(xié)作能耗控制算法中的作用是預(yù)測無人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)協(xié)助能耗控制算法工作流程如圖4所示。

圖4 多無人機(jī)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(jī)協(xié)作能耗預(yù)測模型、選擇無人機(jī)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(jī)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(jī)能耗指標(biāo)，通過算法對無人機(jī)能耗進(jìn)行合理控制。

無人機(jī)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(jī)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(jī)協(xié)助任務(wù)時的簇首，簇首是可以代表多無人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)中的剩余能量，計算簇首的平均消耗能量。無人機(jī)各個端口信號如圖5所示。

圖5 無人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)協(xié)作能耗控制算法，提出最有效的控制方案，減少無人機(jī)能量的損耗。為了將多無人機(jī)協(xié)作能耗降到最低，本文將控制無人機(jī)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(jī)最小接收門限，G表示無人機(jī)簇首與目的簇的最小信道增益。

在控制了多無人機(jī)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(jī)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(jī)初始能量；Eo(K)表示無人機(jī)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(jī)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(jī)，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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)協(xié)作能耗控制算法比兩種傳統(tǒng)的多無人機(jī)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(jī)協(xié)作的工作效率。本文研究的控制算法將無人機(jī)協(xié)助總能耗控制在100000J，是傳統(tǒng)控制算法的多無人機(jī)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(jī)協(xié)作任務(wù)方案進(jìn)行規(guī)劃，計算出多無人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)協(xié)助控制算法將無人機(jī)開始的驅(qū)動能耗降低至3500J，基于物聯(lián)網(wǎng)的多無人機(jī)協(xié)作總能耗低于傳統(tǒng)控制算法無人機(jī)消耗能量的關(guān)鍵。

5 結(jié)束語

本文分別在多無人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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。