无人机启用的无线传感器网络中的节能数据收集附Matlab代码

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🔥 内容介绍

在四旋翼飞行器所构建的无人机体系中，无线传感器网络（WSN）的节能数据收集至关重要。这一网络由众多分布于无人机机体及周边环境的小型传感器节点组成，每个节点都具备感知、数据处理及无线通信能力，负责收集如飞行器姿态、电机温度、周边气压、风速等各类关键数据，这些数据对于保障飞行器稳定运行、优化飞行性能意义重大。但受限于无人机的能源供应，通常由电量有限的锂电池供电，节点的能量储备极为珍贵，节能数据收集便成为亟待攻克的难题。

为实现节能目标，低功耗传感器选型是首要环节。以测量飞行器姿态的陀螺仪和加速度计为例，应优先选用采用先进 MEMS（微机电系统）技术的低功耗型号。像某些低功耗陀螺仪，在满足高精度姿态测量需求的同时，工作电流可低至数微安，相较于传统型号大幅降低了能耗。而测量电机温度的热敏电阻传感器，可选择具有低自热效应的类型，减少因自身发热导致的额外能耗，确保在精准感知电机温度变化的同时，将能源消耗维持在较低水平。

数据采集策略的优化同样关键。采用自适应采样频率技术，依据飞行器的飞行状态动态调整传感器的采样频率。在飞行器平稳悬停或进行常规飞行任务时，对于姿态传感器，可适当降低采样频率，例如从每秒 100 次降至每秒 50 次，减少数据采集量从而降低能耗；而当飞行器执行复杂机动动作，如快速转向、俯冲拉起时，及时提高采样频率至每秒 200 次，确保能精准捕捉姿态变化。对于监测电机温度的传感器，在电机稳定运行阶段，每 5 分钟采集一次数据即可；若电机负载突变、温度波动增大，则将采集间隔缩短至 1 分钟，实现能源利用与数据准确性的平衡。

在数据传输层面，多跳路由与数据融合技术是节能的有效手段。多跳路由机制下，传感器节点并非都直接与无人机的数据汇聚中心通信，而是通过相邻节点接力转发数据。例如，位于无人机边缘的传感器节点，先将数据发送至距离较近、通信能耗较低的中间节点，再由中间节点逐步转发至汇聚中心，避免长距离通信带来的高能耗。数据融合技术则是在节点传输数据前，对同类或相关数据进行合并、处理。比如，分布于不同位置、测量周边气压的多个传感器节点，在发送数据前，先对各自测量的气压值进行平均计算，将处理后的单一数据发送出去，减少数据传输量，降低通信能耗。

睡眠调度机制也是不可或缺的节能策略。传感器节点在非必要工作时段进入低功耗睡眠模式。当飞行器处于长时间平稳飞行、数据变化不大时，除关键的姿态、电机状态监测传感器外，其他如监测周边环境光照强度、空气质量的传感器节点可进入睡眠模式，关闭大部分电路功能，仅保留极少量电路用于定时唤醒及接收特定唤醒信号。每隔一段时间（如 30 秒）唤醒节点，快速检测数据是否有显著变化，若无变化则继续进入睡眠，以此大幅降低能耗。

通过上述低功耗传感器选型、优化数据采集策略、运用多跳路由与数据融合技术以及睡眠调度机制等一系列手段，四旋翼飞行器搭载的无线传感器网络能够在保障数据收集质量的同时，显著降低能源消耗，延长无人机的续航时间，提升其整体工作效能，更好地满足航拍测绘、物流运输、农业植保、应急救援等不同应用场景下的复杂任务需求 。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 薛睿,韩璐.网络编码在无人机通信网络中的应用研究[J].应用科技, 2019, 46(6):5.DOI:10.11991/yykj.201812026.

[2] 翟彬.小型无人机飞控系统实时仿真技术研究[D].郑州大学,2007.DOI:10.7666/d.y1059869.

[3] 云超,李小民,郑宗贵.基于Matlab/Simulink的硬件在回路无人机仿真系统设计[J].计算机测量与控制, 2012, 20(12):4.DOI:CNKI:SUN:JZCK.0.2012-12-054.

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