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申请/专利权人：北京交通大学

摘要：本发明提供了一种无人机辅助的灾后分簇式矿井物联网数据采集方法。该方法包括：通过灾后矿井物联网节点分簇算法对灾后矿井中的所有物联网节点进行分簇；通过灾后矿井物联网无人机数据采集路径规划算法在各个分簇中找到最小化矿井物联网数据采集系统能耗的一组簇头，将该组簇头的排序确定为无人机对各个簇头的数据采集路径；无人机从起始点处出发，按照规划后的飞行路径遍历所有簇头进行数据采集，最后回到起始点处。本发明通过利用无人机辅助矿井物联网完成灾后数据采集任务降低了簇头节点的能耗，提出的无人机路径规划算法综合考虑了物联网节点和无人机的数据采集能耗，从而延长了灾后矿井物联网的网络生存期。

主权项：1.一种无人机辅助的灾后分簇式矿井物联网数据采集方法，其特征在于，包括：通过灾后矿井物联网节点分簇算法对灾后矿井中的所有物联网节点进行分簇；通过灾后无人机数据采集路径规划算法在各个分簇中找到最小化矿井物联网数据采集系统总能耗的一组簇头，将该组簇头的排序确定为无人机的飞行路径；无人机从起始点处出发，按照规划后的飞行路径遍历所有簇头进行数据采集，最后回到起始点处；所述的通过灾后矿井物联网节点分簇算法对灾后矿井中的所有物联网节点进行分簇，包括：将灾后巷道区域设为一个长为L、宽为W的带状矩形空间，在灾后巷道区域内存活的N个物联网节点随机分散在整个网络中，物联网节点用于事故现场环境参数的采集和传输，设需要将N个物联网节点划分为K个簇，将簇集合表示为{Q1,Q2,...,Qk,...,QK}，每个簇包含的节点数表示为|Qk|，k∈[1,K]，簇头集合表示为{C1,C2...,Ck,...,CK}；K值的优化目标函数如下： 其中，φ是一个加权因子，用来权衡节点能耗和无人机轨迹长度，是Qk中节点的能耗，dUAV→k表示无人机到簇Qk中心的距离；假设K的取值为[Kmin,Kmax]，0＜Kmin≤K≤Kmax＜N，使用节点到簇中心的距离方差作为成本函数的值，计算如下： 绘制成本函数的值SSE与K的关系曲线，当此关系曲线呈肘形，将该肘形的拐点对应的K值确定为分簇数K值；基于所述分簇数K值通过K均值分簇算法将N个物联网节点划分为K个簇；所述的通过灾后无人机数据采集路径规划算法在各个分簇中找到最小化矿井物联网数据采集系统总能耗的一组簇头，将该组簇头的排序确定为无人机的飞行路径，包括：无人机在巷道内按照一定的路径采集所有分簇{Q1,Q2...,QK}的数据，给定无人机的初始位置S0，则无人机原始飞行路径表示为定义灾后无人机辅助的矿井物联网数据采集系统的总能耗Etot为一轮数据采集下物联网节点总能耗与无人机总能耗之和，灾后矿井物联网无人机数据采集路径规划算法的输入序列{S0,Q1,Q2,...QK}由无人机的起始点和所有分簇组成，输出序列{S0,S1,S2,...SK,S0}为所选的一组簇头的访问顺序，即无人机的数据采集路径，由编码器和解码器网络组成所述灾后矿井物联网无人机数据采集路径规划算法的指针网络，编码器网络用于获取中每个元素的表示，采用长短时记忆LSTM单元构造的递归神经网络作为编码器网络；所述灾后矿井物联网无人机数据采集路径规划算法描述如下：步骤1:将原始路径输入到编码器网络中，利用LSTM单元将输入序列转换为潜在记忆状态的一个序列ε＝{e0,...,eK}，步骤2:将编码器的输出序列ε＝{e0,...,eK}输入到解码器网络中，在每个时刻t，解码器基于先前时刻知识的隐藏状态ht和{e0,...,et}输出一个访问决策πt，得到输入序列根据此输入序列为所有分簇构建一个层的K+2搜索图；步骤3:为了遍历所有的节点，在路径搜索过程中，将包含待查询的候选节点集设置为OPEN列表，将已查询的节点设置为CLOSED列表，位于任意层的任一节点的邻居节点定义为其上一层和下一层中的所有节点，每个节点都有一个指向其父节点的指针，由映射COME_FROM实现；初始化OPEN、CLOSED表和COME_FROM，令fS0＝0，将初始点S0添加到OPEN表中；步骤4:在OPEN表中查找具有最小fq值的节点q，获取节点q的所有邻节点，对任一邻节点m计算总能耗成本，即Cost＝gq+Eq→m，其中，Eq→m表示UAV从节点q到节点m产生的能耗；步骤5:如果邻节点m在OPEN，且cost＜gm，则将节点从OPEN中移除；如果邻节点m在CLOSED中，且cost＜gm，则将节点从CLOSED中移除；否则，令gm＝cost，fm＝gm+hm，gm表示无人机从起始节点S0移动到候选节点m时系统的准确能耗，hm是无人机从候选节点m到终点S0的估计能耗，将节点m添加至OPEN中，其父节点设置为q；重复步骤4-5，直到OPEN表为空，如果q＝S0，则通过COME_FROM构建从S0到S0的一条路径，输出最小能耗Etot和新的采集路径

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百度查询： 北京交通大学 一种无人机辅助的灾后分簇式矿井物联网数据采集方法