灾区无人机救援系统中基于凸包理论的无人机部署算法_魏妍.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月弹 箭 与 制 导 学 报 ,.:收稿日期:基金项目:河南省高等学校重点科研资助项目()资助作者简介:魏妍(),女,河南驻马店人,讲师,硕士,研究方向:计算机信息与智能信息处理。灾区无人机救援系统中基于凸包理论的无人机部署算法魏 妍,魏长宝(驻马店幼儿师范高等专科学校计算机系,河南 驻马店;河南大学教育科学学院,河南 开封;黄淮学院信息工程学院,河南 驻马店)摘 要:因机动灵活、操作简单,无人机(,)被广泛应用于应急救援系统。为此,提出基于测距的分布式 部署算法()。与传统的部署算法不同,算法不再假设地面终端用户(,)的位置信息是已知信息。算法只需通过测量接收信号值,估计
2、 与 间距离,然后再利用这些距离数据,并结合凸包理论,部署,使 与 间距离最小。同时,算法为分布式算法,每个 可独立运行,易部署。仿真结果表明,算法能够降低 与 间距离,提高 端的信息容量。关键词:无人机;测距;接收信号强度;凸包;部署中图分类号:.文献标志码:,(,;,;,):(),(),:;引言无人机()已在电讯、救援等应用领域广泛使用。在基于 的灾区救援中,为灾区内的地面终端用户()提供通信服务。如何为这些 提供实时、高效的通信服务是此类应用的关键。的部署对通信服务质量有直接影响。文献分析了 的部署问题。其中文献只讨论了单 部署问题,而文献 讨论了多 部署场景。例如,文献提出了基于分布式
3、算法部署,进而保证局部优化覆盖。文献提出了基于粒子群优化的 部署算法,以最小化 数。此外,为了最小化 与 间的平均距离,文献 提 出 了 优 化 覆 盖 质 量 的 部 署 算 法()。然而,上述研究均假设 的位置信息是已知信息。但在真实的应用环境中,获取所有 的位置信息是非常困难的。为此,针对灾区救援场景,提出基于测距的分布式 部署算法()。算法不再假设 的位置为已知信息,而是先通过接收信号强度估计 与 间的距离(测距)。再基于测距信息,并结合凸包理论,部署,使 与 间平均距离最小,进而 端获取较大的信息容量。第 期魏妍等:灾区无人机救援系统中基于凸包理论的无人机部署算法 系统模型及测距 系
4、统模型考虑如图 所示的网络系统,其有 个地面终端用户,它们形成 集 ,。假定 是静态的,但其位置未知。令 表示第 个 在水平面上(地面)的二维位置,且 ,。网络还部署了 个,它们形成 集,。令 表示第 个 在空中的高度。令 表示第 个 在水平面上的位置坐标,即 (,),其中 ,。图 系统模型假定 与 间通信为视距链路。与 间的信道增益服从自由空间路径衰减模型。衰减强弱与两者间距离密切相关。第 个 与第 个 间距离可表示为:()()()式中(,)表示第 个 的位置坐标。此外,令 表示第 个 离 个 距离中最短的距离:()测距尽管 位置为未知信息,但是 通过接收信号强度(,)值,估计离其周围 的距
5、离。具体而言,每个 知晓离集 内所有用户的距离。,()式中:为部署的第 个;表示由离 最近的 所组成的 集;为 集中的第 个。依据式()可知,对于 内任意一个 而言,是离它最近的。采用扩展 滤波估计 与 间距离。令 表示 从第 个 所接收的信号强度值,其表达式为:()式中:表示传输功率;表示由环境决定的不确定性带来的测量误差;表示由环境决定的衰减因子;表示 与 间距离。问题描述为提高 对 的服务质量,即优化 部署,以最少的 数覆盖。假定 与 间通信信道在视距环境,路径衰耗是影响覆盖质量的主要因素。因此,通过缩短 与 间距离减少路径衰耗,最终提高覆盖质量。换而言之,目标函数就是搜索 的位置,致使
6、 离其最近的 的平均最小距离为:()()()式中:表示目标函数 搜索到的 位置点;表示 离其最近的 中第 个位置的最小距离。因此,需要求解的问题可表述为:给定 的位置,和 的高度,将 移动至位置,进而满足式()。值得注意的是:位置是未知信息,也不知道它们自己位置。无需 的具体位置,只需要 与 的距离信息,这是 算法的一个显著特点。在基于视距链路的前提下,无论 在哪里,只要 与为该 服务的 间的距离相等,所接收的服务质量就相同。换而言之,服务质量取决于 与 间的相对距离,而不是相对位置。因此,算法只需测距,进而避免了估计 的位置所产生的通信开销或者计算开销。算法 凸包理论的引入凸包()是数学概念
7、,它的数学定义为:在一个向量空间 中,对于给定集合,所有包含 的凸集的交集 被称为 的凸包。而点集 的凸包是指一个最小凸多边形,满足 中的点或者在多边形边上或者在其内。图 中由红色线段围成的多边形就是点集 ,。图 点集 的凸包示例弹 箭 与 制 导 学 报第 卷 算法引用凸包理论求解式()。为此,令 表示所有 位置,的凸包。若对于任意,它在水平面上的位置 属于,则一定可以通过寻找,使()()最小。当 的水平面位置 不属于()时,就可利用 中离 最近的点 替代。因此,对于任何一个 而言,均满足:,其中,表示 与 间距离。因此,用点 替代 可使()()更小。此外,对于任意一个,函数()是关于的连续
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