面向應急場景最小化數據收集時間的無人機路徑優化方法

摘 要：針對應急場景中無人機（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ，ＵＡＶ）輔助物聯網節點（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ Ｎｏｄｅ，ＩｏＴＮ）收集數據過程數據時效性差的問題，提出了一種基于費馬點最小化數據收集時間的ＵＡＶ 路徑優化方法。費馬點的選取能夠有效地優化ＵＡＶ 飛行路徑，從而使數據收集時間最小，確保收集數據的及時性。該方法通過路徑離散化將ＵＡＶ飛行路徑分段，利用連續凸優化（Ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ Ｃｏｎｖｅｘ Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ，ＳＣＡ）轉化復雜混合整數問題的非凸約束，圍繞節點的聯通性，優化ＵＡＶ 飛行速度與懸停點，求解出最小化數據收集時間的飛行路徑。仿真結果表明，所提方法在收集數據時間方面相較于傳統方法有６％ 的提升。

關鍵詞：應急場景；無人機；物聯網節點；數據收集；路徑優化

中圖分類號：ＴＮ９１９． ２３ 文獻標志碼：Ａ

文章編號：１００３－３１１４（２０２４）０５－０９４０－０９

０ 引言

我國自然災害頻發，特別是森林火災、洪水、地震等，給人民的經濟和生命財產造成極大的損失。２０２２ 年全年我國自然災害共造成１．１２ 億人次受災，因災死亡失蹤５５４ 人，緊急轉移安置２４２． ８ 萬人［１］。應急場景的數據收集至關重要，可以用于目標識別、地圖重建以及災害原因分析等。因此為減少災害損失，及時了解應急場景災害情況，獲取應急場景的及時數據是目前關注的熱點［２］。應急場景往往伴隨著“斷電、斷路、斷網”的“三斷”問題［３］，導致物聯網節點（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ Ｎｏｄｅ，ＩｏＴＮ）無法及時有效地傳輸數據［４］。無人機（Ｕｎｍａｎｎｅｄ ＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ，ＵＡＶ）憑借高移動性、易控制、低成本等特性，被廣泛應用于應急通信［５－７］，因此采用ＵＡＶ 搭載移動收發器收集應急場景的ＩｏＴＮ 數據。ＵＡＶ 在空中擁有更好的數據鏈路，且空中障礙物少、易操縱［８］。采用ＵＡＶ 收集應急場景的數據時效性強，有助于救援人員迅速掌握場景情況，把握救援方向，同時ＩｏＴＮ 采集場景的連續型數據，也有利于災后原因分析調查［９］。應急場景的ＩｏＴＮ 采用Ｚｉｇｂｅｅ 協議，在該協議下節點數據傳輸丟包率少，數據傳輸速率較高且壽命長，更適用于應急場景的環境監測。