江媛媛　黃登　唐國民　鄒炎華

摘要：長江中游航道自然條件復(fù)雜，灘多水淺、航道彎曲、水流湍急、流態(tài)紊亂、船舶流量大、船舶密度大，呈現(xiàn)出“淺、窄、彎、曲”四大特點，長江航道傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)管理模式主要是依靠船艇，而船艇呈“帶狀”模式巡檢，視野窄、耗時長等短板日益凸顯。面對長江中游典型航道特征，近年來，隨著無人機（UnmannedAerialVehicle，UAV）技術(shù)的發(fā)展，因其靈活度高、機動性強、安全風(fēng)險系數(shù)小、成本低等特點，被廣泛應(yīng)用于搜索巡邏、偵察監(jiān)視、搶險救災(zāi)、物流配送、電力巡檢、農(nóng)業(yè)灌溉等軍用或民用任務(wù)，無人機作為“會飛的照相機”，在航道巡航過程中視野可呈幾何數(shù)量級放大，既能將大面積區(qū)域內(nèi)的航道、航標(biāo)、整治建筑物的分布情況一覽無余，又可通過攝像頭變焦對某個點的細(xì)節(jié)進行放大查看。因此，無人機在對航道助航設(shè)施巡檢、航道水域環(huán)境保護、水尺水位觀讀等方面可充分發(fā)揮其高效迅速、機動性強、點面結(jié)合的突出優(yōu)勢。與單架無人機相比，多無人機協(xié)同工作具有魯棒性好、容錯性高等獨優(yōu)勢，不僅能夠完成單架無人機無法完成的復(fù)雜任務(wù)，而且在部分無人機出現(xiàn)故障時，只需重新規(guī)劃剩余無人機即可繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，從而達到優(yōu)化任務(wù)執(zhí)行效果和提高系統(tǒng)可靠性的目的.路徑規(guī)劃是無人機執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵，也是自主無人機在工程應(yīng)用上的主要挑戰(zhàn)，吸引了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注?；诖?，本篇文章對面向WSNs節(jié)點數(shù)據(jù)采集的無人機Voronoi圖路徑規(guī)劃進行研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：面向WSNs節(jié)點;無人機;Voronoi圖路徑規(guī)劃

引言

近些年，無人機因其可操作性、高機動性、靈活性以及經(jīng)濟性等特點被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。例如，在民用領(lǐng)域，無人機用于執(zhí)行救災(zāi)救援、環(huán)境研究、天氣預(yù)報以及農(nóng)業(yè)監(jiān)控等任務(wù);在軍事領(lǐng)域，無人機能夠在危險復(fù)雜區(qū)域飛行，并利用裝載的攝像機或其他偵察設(shè)備獲取多種形式的目標(biāo)信息，有效降低了人力資源損耗，且能夠更高效地執(zhí)行偵察任務(wù)。為了實現(xiàn)不同任務(wù)目標(biāo)，需要對無人機進行合理的路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃問題通過規(guī)劃無人機的飛行路徑，使其可以在約束條件下完成指定的任務(wù)。

1WSNs

無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks，WSNs）已在多個領(lǐng)域廣泛使用，如天氣監(jiān)測、康復(fù)醫(yī)療、動物跟蹤。WSNs內(nèi)多個傳感節(jié)點感測環(huán)境數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳輸至基站，進而實現(xiàn)對環(huán)境的監(jiān)測。然而，由于受資源限制，如能量、安全，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃匀源嬖谔魬?zhàn)。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，研究人員進行了大量的研究工作，并提出基于轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)方案。例如，分析轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?。此外，通常WSNs內(nèi)的節(jié)點是由電池供電，屬于有限能量。一旦能量消耗殆盡，節(jié)點就無法感測、接收和傳輸數(shù)據(jù)，這就降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｄ芰坎杉蔷徑釽SNs能量短缺問題的有效技術(shù)。

2Voronoi圖

Voronoi圖是計算幾何領(lǐng)域中的一個重要內(nèi)容，在空間查詢等相關(guān)研究領(lǐng)域中得到了較多關(guān)注。此外，Voronoi圖與Delaunay三角剖分互為對偶圖的關(guān)系已被廣泛地應(yīng)用。Voronoi圖可以很好地表示空間數(shù)據(jù)的鄰近關(guān)系，同時具有矢量以及連續(xù)平鋪數(shù)據(jù)模型的基本特性，可以對空間數(shù)據(jù)進行很好地管理。

3多旋翼無人機技術(shù)特點

（1）機動性強。目前先進的多旋翼無人機可以達到140km/h的速度，百公里加速僅需2s，可以在7s之內(nèi)上升到100m高空，進行空中作業(yè)不受地形限制，同時對起降條件的要求較低，只需要一個相對較小的平面例如石墩、車頂就可以作為起降平臺。根據(jù)操作員所處空間環(huán)境和磁場條件不同，可覆蓋半徑3～10km高度達500m的監(jiān)測區(qū)域，并且在車船等移動平臺上，操作員作為中心還可以將此覆蓋面積無限延伸。（2）安全性高。多旋翼無人機可以在陰天、低霧等環(huán)境下升空作業(yè)，采集大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，尤其在水旱災(zāi)害現(xiàn)場，操作人員可以選擇較為安全的區(qū)域?qū)o人機進行操控，最大限度保障了人身安全，即使無人機故障，也可最大限度地避免人員傷亡，降低損失，具有較高的安全性。（3）采集數(shù)據(jù)多樣化。多旋翼無人機主要通過攜帶高清影像采集設(shè)備采集地面圖像，并且可以實時傳輸現(xiàn)場情況，有利于防汛抗旱減災(zāi)的及時決策通過搭載一體式多光譜成像系統(tǒng)、熱成像傳感器、環(huán)掃毫米波雷達、RTK（Real—timekinematic，實時動態(tài)）模塊、探照燈、喊話器等不同功能模塊及設(shè)備可以實現(xiàn)不同應(yīng)用場景的多樣化數(shù)據(jù)采集傳輸，能夠應(yīng)對各種復(fù)雜困難局面。

4面向WSNs節(jié)點數(shù)據(jù)采集的無人機Voronoi圖路徑規(guī)劃

4.1傳輸能耗

4.2VDO-UAV算法

1）首先沿參考路徑，從始點對Voronoi區(qū)進行編號，如圖1所示，沿著參考路徑，對15個Voronoi區(qū)進行編號。（2）利用L（hmax），L（hmax-1），…，L（1）決策UAV盤旋的位置。具體而言，當(dāng)h≥4時，所有區(qū)中心位置（h）∈L（h）都作為UAV盤旋的位置;當(dāng)h≤3時，就尋找3個Voronoi區(qū)所包圍的Voronoi頂點，并將這些頂點作為UAV盤旋的位置，如圖1所示的紅色圓點。第5、6、7個Voronoi區(qū)包圍一個頂點，

如算法1的9～12行所示。（3）只剩余孤立的Voronoi區(qū)（h=1），在這種情況下，就將該孤立的Voronoi區(qū)的中心位置作為UAV盤旋位置，如圖1所示的Voronoi區(qū)4。如算法1的17行所示。

結(jié)束語

總而言之，針對WSNs的數(shù)據(jù)收集問題，提出基于Voronoi圖的無人機路徑規(guī)劃VDO-UAV算法。仿真結(jié)果表明，提出的VDO-UAV算法縮短了遍歷路徑。

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