[发明专利]一种无人机支持的倒梯形无线功率传输方法

说明书

本发明涉及一种无人机支持的倒梯形无线功率传输方法，属于无线功率传输和无人机辅助无线通信领域，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。本发明在保证无人机能够安全到达下一基站获取能量补充的情况下，采用倒梯形无线功率传输方法，降低飞行高度，减少传输损耗，从而提高节点的能量接收效率和公平性。

技术领域

本发明属于无线功率传输和无人机辅助无线通信领域，涉及一种无人机支持的倒梯形无线功率传输方法。

背景技术

近年来，旋翼无人机因其便携性、灵活性、低空飞行和低经济成本等优点，在民用和商用领域受到极大关注。例如，它已被公众广泛应用于自然灾害监测、森林火灾探测、交通管理、货物运输和紧急搜救等领域。无人机协助无线通信的研究大致可以分为两个方面。一方面，无人机可以作为空中基站或移动中继提供网络覆盖，以协助远程用户和地理限制区域快速部署无线传感器网络。另一方面，从无线功率传输的角度来看，无人机可以作为移动能量发射器，在空中广播射频能量，为地面低功耗节点无线供电。

目前的研究工作对无人机在无线功率传输系统中辅助通信的应用具有很大的指导价值。然而，以往的研究工作中，忽略了无人机飞行高度对地面节点接收能量的影响。实际上，无人机的高度，即无人机与节点之间的距离，对充电效率影响很大。无人机离节点越近，节点获取的能量就越多。此外，在以往的研究工作中，忽略了节点接收能量的公平性问题。于是，我们提出了一种无人机支持的倒梯形无线功率传输方法对盲区内节点进行无线充电。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无人机支持的倒梯形无线功率传输方法，降低无人机在盲区内的飞行高度，减少无线功率传输过程中的损耗，提高节点的能量接收效率和公平性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种无人机支持的倒梯形无线功率传输方法，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，以减少与地面节点的无线功率传输距离，从而增加地面节点接收的能量；

S2：构建无人机不同飞行姿态的能量消耗模型，使无人机能够安全到达下一基站进行能量补充；

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。

进一步，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。其中为了简化分析与计算，假设阶段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，在后续问题分析时，取每组中任一阶段进行分析，另一阶段为其对称形式。于是最终形成倒梯形的无人机飞行轨迹，这样的飞行轨迹使得无人机在盲区内与节点之间的无线功率传输距离更近，无线功率传输损耗更少，从而地面节点可接收到更多的能量，并且在阶段Ⅳ中无人机会选择多个悬停点，将充电区域划分多个，避免最边缘处节点只能接收到较少的能量，极大地提高了地面节点能量接收的公平性。

进一步，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