The rapid development of unmanned aerial vehicle (UAV) technology provides flexible communication services to terrestrial nodes. Energy efficiency is crucial to the deployment of UAVs, especially rotary-wing UAVs whose propulsion power is sensitive to the wind effect. In this paper, we first derive a three-dimensional (3D) generalised propulsion energy consumption model (GPECM) for rotary-wing UAVs under the consideration of stochastic wind modeling and 3D force analysis. Based on the GPECM, we study a UAV-enabled downlink communication system, where a rotary-wing UAV flies subject to stochastic wind disturbance and provides communication services for ground users (GUs). We aim to maximize the energy efficiency (EE) of the UAV by jointly optimizing the 3D trajectory and user scheduling among the GUs based on the GPECM. We formulate the problem as stochastic optimization, which is difficult to solve due to the lack of real-time wind information. To address this issue, we propose an offline-based online adaptive (OBOA) design with two phases, namely, an offline phase and an online phase. In the offline phase, we average the wind effect on the UAV by leveraging stochastic programming (SP) based on wind statistics; then, in the online phase, we further optimize the instantaneous velocity to adapt the real-time wind. Simulation results show that the optimized trajectories of the UAV in both two phases can better adapt to the wind in changing speed and direction, and achieves a higher EE compared with the windless scheme. In particular, our proposed OBOA design can be applied in the scenario with dramatic wind changes, and makes the UAV adjust its velocity dynamically to achieve a better performance in terms of EE.


翻译:随着无人机技术的快速发展,其为地面节点提供了灵活的通信服务。能量效率对于无人机的部署至关重要,尤其是旋翼无人机,其推进功率对风效应非常敏感。本文首先在考虑随机风建模和三维力学分析的基础上,推导了旋翼无人机的三维广义推进能量消耗模型(GPECM)。基于该模型,我们研究了一个无人机辅助的下行通信系统,其中旋翼无人机在随机风扰动下飞行,并为地面用户提供通信服务。旨在基于GPECM通过联合优化三维轨迹和用户调度,最大化无人机的能量效率(EE)。我们将该问题建模为随机优化问题,由于缺乏实时风信息,该问题难以求解。为解决这一问题,我们提出了一种基于离线-在线自适应(OBOA)的两阶段设计方法,即离线阶段和在线阶段。在离线阶段,我们利用基于风统计的随机规划(SP)对无人机的风效应进行平均化处理;然后在在线阶段,进一步优化瞬时速度以适应实时风况。仿真结果表明,两阶段优化后的无人机轨迹能更好地适应风速和风向的变化,相比无风方案实现了更高的能量效率。特别是,我们提出的OBOA设计可应用于风况剧烈变化的场景,使无人机动态调整速度以获得更好的能量效率性能。

0
下载
关闭预览

相关内容

3D是英文“Three Dimensions”的简称,中文是指三维、三个维度、三个坐标,即有长、有宽、有高,换句话说,就是立体的,是相对于只有长和宽的平面(2D)而言。
100+篇《自监督学习(Self-Supervised Learning)》论文最新合集
专知会员服务
167+阅读 · 2020年3月18日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
IEEE | DSC 2019诚邀稿件 (EI检索)
Call4Papers
10+阅读 · 2019年2月25日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
LibRec 精选:推荐系统的论文与源码
LibRec智能推荐
14+阅读 · 2018年11月29日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
美国化学会 (ACS) 北京代表处招聘
知社学术圈
11+阅读 · 2018年9月4日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
VIP会员
最新内容
印度精确打击与指挥架构的断层
专知会员服务
4+阅读 · 7月20日
美空军AI完成F-16战斗机自主空战历史性试飞
专知会员服务
6+阅读 · 7月20日
深入Project Maven:为何人工智能在战场上依然失灵
锻造未来士兵:外骨骼、基因工程与赛博格
专知会员服务
7+阅读 · 7月19日
《无人机蜂群通信技术研究》50页
专知会员服务
11+阅读 · 7月19日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
IEEE | DSC 2019诚邀稿件 (EI检索)
Call4Papers
10+阅读 · 2019年2月25日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
LibRec 精选:推荐系统的论文与源码
LibRec智能推荐
14+阅读 · 2018年11月29日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
美国化学会 (ACS) 北京代表处招聘
知社学术圈
11+阅读 · 2018年9月4日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员