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(UAV)技术的快速发展,其为地面节点提供了灵活的通信服务。然而,能量效率对无人机的部署至关重要,尤其是旋翼无人机,其推进功率易受风效应影响。本文首先基于随机风场建模与三维受力分析,推导了适用于旋翼无人机的三维广义推进能耗模型(GPECM)。基于该模型,我们研究了一个无人机辅助下行通信系统,其中旋翼无人机在随机风扰动下飞行,并为地面用户(GU)提供通信服务。我们的目标是基于GPECM,通过联合优化无人机三维轨迹和地面用户调度,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,但由于缺乏实时风场信息而难以求解。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,我们利用基于风场统计信息的随机规划(SP)方法平均化风对无人机的影响;随后,在在线阶段,我们进一步优化瞬时速度以适应实时风场。仿真结果表明,无人机在两个阶段优化后的轨迹能更好地适应风速和风向的变化,相比无风方案取得了更高的能量效率。特别地,我们提出的OBOA设计可应用于强风骤变场景,使无人机动态调整速度以提升能量效率性能。

0
下载
关闭预览

相关内容

《无人机与陆军》欧洲陆军互操作中心
专知会员服务
94+阅读 · 2023年2月22日
万字长文!《卫星通信中的人工智能综述》
专知会员服务
61+阅读 · 2022年8月8日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
已删除
将门创投
11+阅读 · 2019年7月4日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7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
【论文】图上的表示学习综述
机器学习研究会
15+阅读 · 2017年9月24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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
3+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 · 2012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
Arxiv
12+阅读 · 2021年6月21日
VIP会员
最新内容
分层反无人机系统发展新趋势
专知会员服务
8+阅读 · 9月3日
何为协作武器?
专知会员服务
10+阅读 · 9月1日
《理解认知战:超越信息》
专知会员服务
14+阅读 · 9月1日
美国战争部在GenAI.mil上推出OpenAI的ChatGPT Mil
专知会员服务
10+阅读 · 8月31日
人工智能赋能军事维护:重新定义国防战备
专知会员服务
5+阅读 · 8月31日
相关资讯
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
已删除
将门创投
11+阅读 · 2019年7月4日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7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
【论文】图上的表示学习综述
机器学习研究会
15+阅读 · 2017年9月24日
相关基金
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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
3+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 · 2012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
Top
微信扫码咨询专知VIP会员