[发明专利]一种无人机支持的倒梯形无线功率传输方法

权利要求书

1.一种无人机支持的倒梯形无线功率传输方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：在盲区内进行无线功率传输时，无人机降低飞行高度，采用倒梯形的飞行轨迹给地面节点充电；

S2：构建无人机不同飞行姿态的能量消耗模型；

S3：联合优化无人机的悬停次数m和起始充电位置(x_B,y_B)，提高节点的能量接收效率和公平性，并确保无人机能安全返航。

2.根据权利要求1所述的无人机支持的倒梯形无线功率传输方法，其特征在于：步骤S1中所述的倒梯形的飞行轨迹中，无人机的飞行轨迹包括七个阶段：阶段Ⅰ：基站加速；阶段Ⅱ：匀速飞至盲区；阶段Ⅲ：下降飞行至起始充电位置；阶段Ⅳ：沿水平路径飞行并充电；阶段Ⅴ：爬升至原始高度；阶段Ⅵ：匀速飞出盲区；阶段Ⅶ：减速至基站；阶段Ⅰ和阶段Ⅶ为一组，其加/减速度大小一致，方向相反；阶段Ⅱ和阶段Ⅵ为一组，其匀速时速度一样，阶段Ⅲ和阶段Ⅴ为一组，其俯仰角大小一致，三组飞行阶段看成是对称结构。

3.根据权利要求1所述的无人机支持的倒梯形无线功率传输方法，其特征在于：所述步骤S2中，构建不同飞行姿态的能量消耗模型的具体步骤如下：

阶段Ⅰ和阶段Ⅶ：阶段Ⅰ中，无人机从基站开始加速，加速度为a，无人机从0到V的加速时间为无人机在加速阶段的能量消耗为假设加速和减速阶段是对称的，在减速阶段Ⅶ中无人机的能量消耗

阶段Ⅱ和阶段Ⅵ：无人机水平匀速飞至盲区，其飞行俯仰角τ_c＝0°，纵向空气摩擦阻力F_y＝0，无人机前向飞行功率P_V＝(0,0,V)，阶段Ⅱ和阶段Ⅵ在匀速飞行期间T_V内的能量消耗为E_V＝P_VT_V；

阶段Ⅲ和阶段Ⅴ：无人机下降飞行高度至起始充电位置(x_B,y_B)，无人机俯仰飞行时，只考虑纵向空气摩擦阻力，假设无人机飞行俯仰姿态的角度保持不变，当飞行合速度设置为V₁＝V/cosτ_c，俯仰角为τ_c，纵向空气摩擦阻力为F_y-时，无人机俯仰姿态的飞行功率为P(τ_c,F_y-,V₁)，无人机在阶段Ⅲ飞行时间内的能量消耗是E(τ_c,F_y-,V₁)＝P(τ_c,F_y-,V₁)T_τ，H是无人机在下降起始点的高度；由于对称性，阶段Ⅴ中爬升时间和下降时间相等，在阶段Ⅴ中无人机的能量消耗是E(τ_c,F_y+,V₁)＝P(τ_c,F_y+,V₁)T_τ；

阶段Ⅳ，无人机从起始充电位置开始沿水平路径BC飞行并充电，具体步骤如下：

无人机选择起始充电位置(x_B,y_B)，定义为盲区内第一个节点可以接收无人机传输的能量的位置，即约束条件表示为：

P_{uav_t}+G_{uav_t}+G_{gn_r}-PL₁≥0 (1)

其中，P_{uav_t}表示无人机的发射功率，G_{uav_t}是无人机发射天线的增益，G_{gn_r}是地面节点的接收天线的增益，B点坐标为(x_B,y_B)，无线功率传输损耗PL₁根据无线功率传输损耗公式计算得出，其中d₁是B点的无人机与第一个节点之间的距离，

无人机在盲区内的充电距离为BC＝Δx₃-2(H_uav-y_B)/tanτ_c，在路径BC中，无人机的飞行路径被平均划分为多个部分，且每个部分的飞行过程相同，距离表示为l_m＝BC/m，无人机的加速度设置为a₂，飞行速度为V，无人机加速或减速时的飞行距离写为考虑对称性，加速和减速的飞行距离是l_ad＝2l_acc，考虑无人机每个充电和飞行过程的两种情况：

情况1：l_m＞l_ad；在每一部分中，无人机有四种飞行姿态：匀速飞行、减速、悬停和加速，无人机在速度V下的飞行距离为l_c＝(l_m-l_ad)和充电时间是无人机在匀速阶段的飞行能量消耗为E_c＝P_VT_c；在每个部分中的无人机飞行操作的能量消耗表示为

E_uav＝E_acc+E_dec+E_hover+E_c (2)

其中加速和减速操作过程所需时间悬停期间的时间将在后面详细描述；

情况2：l_m≤l_ad；在每一部分中，无人机只有三种飞行姿态：加速、减速和悬停；对无人机的a₂或V进行改变：

当a₂恒定时，无人机的加速和减速阶段时间当V恒定时，无人机在加速和减速阶段的时间与情况1相同，无人机各部分的飞行能量消耗为：

E_uav＝E_acc+E_dec+E_hover (4)

在水平路径BC中，可用于无人机飞行和充电的能量表示为：

4.根据权利要求1所述的无人机支持的倒梯形无线功率传输方法，其特征在于：所述步骤S3的具体步骤如下：

悬停期间的时间T_h表示为：

其中，T_fly是无人机加速、减速和匀速飞行时间之和；

无人机能够在BC飞行期间为节点充电，考虑四种典型飞行姿态：悬停点位于每个小段的中心，左右两侧为减速和加速，两边在飞行过程中为恒速；根据距离将每个小部份离散为j部分，每个部分都是X_mj(0≤j≤J)，每段的起点是前一段的终点：

X_mJ＝X_(m-1)0 (7)

确定每个离散点所处的飞行姿态间隔，不同间隔的充电时间不同：

1)在无人机匀速飞行期间，充电时间J₁是离散点的数量；

2)在无人机加速或减速过程中，充电时间J₂是离散点的数量；

3)在无人机悬停期间，充电时间是T_h；

在每个部分中，当无人机在减速、加速和匀速飞行的同时向节点充电时，无人机和节点之间的直线距离不断变化，第k个节点接收到的射频能量计算为：

其中，Ψ＝P_{uav_t}+G_{uav_t}+G_{gn_r}-20log₁₀(f)+165.33dB，并且y_B-H_gn≥1m；

盲区内的第k个节点在m₁间隔中接收到的能量表示为：

其中，J＝J₁+J₂+J₃+J₄,η是射频-直流的恒定转换效率，和分别表示盲区内的节点在无人机飞行过程中和悬停期间接收到的射频能量；

在整个BC水平飞行路径中，第k个节点接收到直流能量表示为：

在倒梯形无线功率传输方法中，盲区内的节点可接收到的总的直流能量表示为：

将优化问题表述如下：

(m,x_B,y_B)＝argmax(E_r) (12)

约束条件为：

E_uav≤E_available (13)

通过智能算法对以上优化问题求解，得到无人机在盲区内的最优悬停次数和起始悬停位置。