技术领域
[0001] 本
发明涉及
物联网技术领域，特别是涉及一种基于信息时效性的无人机信息收集方法及装置。
背景技术
[0002] 近年来物联网技术得到了广泛关注和深入发展，在智能物流、智能医疗和智能工农业等领域得到了快速地应用。其中，基于物联网
感知层的无线
传感器网络技术是实现物联网各种功能的底层关键技术，受到专家学者的广泛重视。
[0003]
现有技术中，上述
无线传感器网络技术所对应的无线传感器网络中包括：在地面上分布的传感器
节点、无人机和基站。其中，无人机与各个传感器节点通信连接，且无人机和基站通信连接。
[0004] 为使得上述基站能够顺利收集到各个传感器节点采集的信息，一般通过以下方式实现信息收集：
[0005] 无人机根据传感器节点的
位置、传感器节点所采集的信息量和预设的信息发送速度，获得使得收集到的传感器所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹；从基站出发，按照得到的飞行轨迹依次飞到各个传感器节点正上方，并使得自身处于
悬停状态，收集传感器节点所采集的信息。在无人机飞回基站后，向基站发送所收集到的信息，进而完成信息收集。
[0006] 其中，上述飞行轨迹用于表征无人机飞过各个传感器节点的顺序。
[0007] 然而，由于传感器节点自身所拥有的
能量和传感器节点所采集信息的信息量对无人机收集信息存在影响，且无人机从飞行状态切换至悬停状态，以及在收集完每一传感器节点所采集的信息后从悬停状态切换至飞行状态耗费的时间一般较长，所以，上述飞行轨迹并非是使得无人机收集到的传感器所采集信息的平均信息年龄接近实际最小值的轨迹，从而导致信息收集效率低。
发明内容
[0008] 本发明
实施例的目的在于提供一种基于信息时效性的无人机信息收集方法；
[0009] 一种基于信息时效性的无人机信息收集方法，应用于无线传感器网络中的无人机，所述方法包括：
[0010] 利用传感器节点的位置和无人机的初始飞行速度，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹和飞行状态；其中，所述飞行轨迹用于表征所述无人机飞过各个传感器节点的顺序，所述飞行状态包括：所述无人机收集各个传感器节点所采集信息时的状态，所述预设约束条件包括以下条件：
[0011] 所述无人机的飞行速度处于预设的飞行速度区间；针对每一传感器节点，所述无人机收集到信息的信息量大于或等于传感器节点所采集信息的信息量、传感器节点发送信息所消耗的能量小于或等于传感器节点自身所拥有的能量；
[0012] 按照所述飞行轨迹，依次飞行至各个传感器节点的位置，并以所述飞行状态中记录的状态收集每一传感器节点采集的信息；
[0013] 在飞回基站后，向所述基站发送收集到的信息。
[0014] 进一步地，所述利用传感器节点的位置和无人机的初始飞行速度，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹和飞行状态，包括：
[0015] 以传感器节点的位置和无人机的初始飞行速度为参数，按照以下表达式，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹和飞行状态：
[0016]
[0017]
[0018] vmin≤vi≤vmax；0≤xi≤yi≤di,i+1；
[0019] 其中， 为平均信息年龄，M为传感器节点的数量，Ai为第i个传感器节点的信息年龄，i为传感器节点的序号，tk,k+1为无人机从开始收集第k个传感器节点所采集信息至收集完第k+1个传感器节点所采集信息使用的时间，xi为无人机开始收集第i个传感器节点所采集信息时的
水平位置，yi为无人机停止收集第i个传感器节点所采集信息时的水平位置，di,i+1为无人机从第i个传感器节点飞行至第i+1个传感器节点的飞行距离，Ii和Ki为表示无人机在收集第i个传感器节点所采集信息时状态的分量， 为无人机以悬停状态h收集第i个传感器节点所采集信息的信息量； 为无人机以纯飞行状态f收集第i个传感器节点所采集信息的信息量； 为无人机以混合状态r收集第i个传感器节点所采集的信息量；Bi为第i个传感器节点所采集信息的信息量； 为第i个传感器节点向处于悬停状态h的无人机发送信息消耗的能量； 为第i个传感器节点向处于纯飞行状态f的无人机发送信息所消耗的能量；Ei为第i个传感器节点所拥有的能量；vmin为无人机最小的飞行速度；vi为无人机在收集第i个传感器节点所采集信息时的飞行速度，vmax为无人机最大的飞行速度。
[0020] 进一步地，所述利用传感器节点的位置和无人机的初始飞行速度，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹和飞行状态，包括：
[0021] 获得随机设定的初始飞行轨迹；
[0022] 利用传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述初始飞行轨迹，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行状态；
[0023] 利用传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述飞行状态，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹。
[0024] 进一步地，所述利用传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述初始飞行轨迹，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行状态，包括：
[0025] 以传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述初始飞行轨迹为参数，按照以下表达式，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行状态：
[0026]
[0027]
[0028] 其中， 为无人机在飞行状态和混合状态下的年龄增量； 为无人机在混合状态下的年龄增量； 为无人机在飞行状态下的年龄增量。
[0029] 进一步地，所述利用传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述飞行状态，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹，包括：
[0030] 以传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述飞行状态为参数，按照以下表达式，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹：
[0031]
[0032]
[0033] 其中，A(si)表示收集第i个传感器节点所采集信息时所使用的信息年龄增量，A(si-1)表示收集第i+1个传感器节点所采集信息时所使用的信息年龄增量，Δai,i+1表示无人机从第i个传感器节点飞行至第i+1个传感器节点所采集信息时的信息年龄增量，ΔaM,M+1表示无人机从第M个传感器节点飞行至第M+1个传感器节点所采集信息时的信息年龄增量。
[0034] 一种基于信息时效性的无人机信息收集装置，应用于无线传感器网络中的无人机，所述装置包括：
[0035] 轨迹和状态获得模
块，用于利用传感器节点的位置和无人机的初始飞行速度，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹和飞行状态；其中，所述飞行轨迹用于表征所述无人机飞过各个传感器节点的顺序，所述飞行状态包括：所述无人机收集各个传感器节点所采集信息时的状态，所述预设约束条件包括以下条件：
[0036] 所述无人机的飞行速度处于预设的飞行速度区间；针对每一传感器节点，所述无人机收集到信息的信息量大于或等于传感器节点所采集信息的信息量、传感器节点发送信息所消耗的能量小于或等于传感器节点自身所拥有的能量；
[0037] 信息采集模块，用于按照所述飞行轨迹，依次飞行至各个传感器节点的位置，并以所述飞行状态中记录的状态收集每一传感器节点采集的信息；
[0038] 信息发送模块，用于在飞回基站后，向所述基站发送收集到的信息。
[0039] 进一步地，所述轨迹和状态获得模块，包括：
[0040] 轨迹和状态获得子模块，用于以传感器节点的位置和无人机的初始飞行速度为参数，按照以下表达式，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹和飞行状态：
[0041]
[0042]
[0043] vmin≤vi≤vmax；0≤xi≤yi≤di,i+1；
[0044] 其中，为平均信息年龄，M为传感器节点的数量，Ai为第i个传感器节点的信息年龄，i为传感器节点的序号，tk,k+1为无人机从开始收集第k个传感器节点所采集信息至收集完第k+1个传感器节点所采集信息使用的时间，xi为无人机开始收集第i个传感器节点所采集信息时的水平位置，yi为无人机停止收集第i个传感器节点所采集信息时的水平位置，di,i+1为无人机从第i个传感器节点飞行至第i+1个传感器节点的飞行距离，Ii和Ki为表示无人机在收集第i个传感器节点所采集信息时状态的分量， 为无人机以悬停状态h收集第i个传感器节点所采集信息的信息量； 为无人机以纯飞行状态f收集第i个传感器节点所采集信息的信息量； 为无人机以混合状态r收集第i个传感器节点所采集的信息量；Bi为第i个传感器节点所采集信息的信息量； 为第i个传感器节点向处于悬停状态h的无人机发送信息消耗的能量； 为第i个传感器节点向处于纯飞行状态f的无人机发送信息所消耗的能量；Ei为第i个传感器节点所拥有的能量；vmin为无人机最小的飞行速度；vi为无人机在收集第i个传感器节点所采集信息时的飞行速度，vmax为无人机最大的飞行速度。
[0045] 进一步地，所述轨迹和状态获得模块，包括：
[0046] 初始飞行轨迹获得子模块，用于获得随机设定的初始飞行轨迹；
[0047] 飞行状态获得子模块，用于利用传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述初始飞行轨迹，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行状态；
[0048] 飞行轨迹获得子模块，用于利用传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述飞行状态，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹。
[0049] 进一步地，所述飞行状态获得子模块，包括：
[0050] 飞行状态获得单元，用于以传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述初始飞行轨迹为参数，按照以下表达式，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行状态：
[0051]
[0052]
[0053] 其中， 为无人机在飞行状态和混合状态下的年龄增量； 为无人机在混合状态下的年龄增量； 为无人机在飞行状态下的年龄增量。
[0054] 进一步地，所述飞行轨迹获得子模块，包括：
[0055] 飞行轨迹获得单元，用于以传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述飞行状态为参数，按照以下表达式，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹：
[0056]
[0057]
[0058] 其中，A(si)表示收集第i个传感器节点所采集信息时所使用的信息年龄增量，A(si-1)表示收集第i+1个传感器节点所采集信息时所使用的信息年龄增量，Δai,i+1表示无人机从第i个传感器节点飞行至第i+1个传感器节点所采集信息时的信息年龄增量，ΔaM,M+1表示无人机从第M个传感器节点飞行至第M+1个传感器节点所采集信息时的信息年龄增量。
[0059] 本发明实施例又提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述任一所述的基于信息时效性的无人机信息收集方法。
[0060] 本发明实施例再提供了一种包含指令的
计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述任一所述的基于信息时效性的无人机信息收集方法。
[0061] 本发明实施例提供一种基于信息时效性的无人机信息收集方法及装置，该方法利用传感器节点的位置和无人机的初始飞行速度，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹和飞行状态；按照飞行轨迹，依次飞行至各个传感器节点的位置，并以飞行状态中记录的状态收集每一传感器节点采集的信息；在飞回基站后，向所述基站发送收集到的信息。相对于现有技术而言，应用本发明实施例提供的方案收集信息时，不仅考虑了传感器节点自身所拥有的能量和传感器节点所采集信息的信息量对无人机收集信息的影响，还以上述飞行状态中记录的状态收集每一传感器节点采集的信息，这样使得无人机收集到的传感器所采集信息的平均信息年龄接近实际最小值，进而能够提高信息收集效率。
附图说明
[0062] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0063] 图1为本发明实施例提供的一种基于信息时效性的无人机信息收集方法的流程示意图；
[0064] 图2为本发明实施例提供的一种无人机按照飞行轨迹收集信息的示意图；
[0065] 图3为本发明实施例提供的无人机以悬停状态收集信息的示意图；
[0066] 图4为本发明实施例提供的无人机以混合状态收集信息的示意图；
[0067] 图5为本发明实施例提供的无人机以纯飞行状态收集信息的示意图；
[0068] 图6为本发明实施例提供的第一种在传感器节点处于不同能量下的飞行时间的仿真图；
[0069] 图7为本发明实施例提供的第二种在传感器节点处于不同能量下的平均信息年龄的仿真图；
[0070] 图8为本发明实施例提供的第一种在传感器节点处于不同信息量下的飞行时间的仿真图；
[0071] 图9为本发明实施例提供的第二种在传感器节点处于不同信息量下的平均信息年龄的仿真图；
[0072] 图10为本发明实施例提供的一种基于信息时效性的无人机信息收集装置的结构示意图；
[0073] 图11为本发明实施例提供的一种
电子设备。
具体实施方式
[0074] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。
[0075] 参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于信息时效性的无人机信息收集方法的流程示意图，应用于无线传感器网络中的无人机，所述方法包括：
[0076] S101，利用传感器节点的位置和无人机的初始飞行速度，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹和飞行状态；其中，所述飞行轨迹用于表征所述无人机飞过各个传感器节点的顺序，所述飞行状态包括：所述无人机收集各个传感器节点所采集信息时的状态，所述预设约束条件包括以下条件：
[0077] 所述无人机的飞行速度处于预设的飞行速度区间；针对每一传感器节点，所述无人机收集到信息的信息量大于或等于传感器节点所采集信息的信息量、传感器节点发送信息所消耗的能量小于或等于传感器节点自身所拥有的能量；
[0078] 其中，上述飞行轨迹为无人机在收集各个传感器节点所采集信息时所对应的各个传感器节点的顺序。
[0079] 举一示例，无线传感器网络包括7个传感器节点，分别记为第一传感器节点N0，第二传感器节点N1、第三传感器节点N2、第四传感器节点N3、第五传感器节点N4和第六传感器节点N6，无人机飞行轨迹为如图2所示的飞行轨迹，无人机收集上述传感器节点所采集信息的顺序即飞行轨迹依次为N0-N1-N2-N3-N4-N5-N6。
[0080] 上述飞行状态可以包括：悬停状态、纯飞行状态和混合状态，上述混合状态为悬停状态和纯飞行状态的混合飞行。比如，无人机在收集第i个传感器节点所采集信息时采用的是以某一速度飞行的飞行状态，无人机在收集第i+1传感器节点时采用的是混合状态，如无人机在第一预设时间时，以某一速度飞行的飞行状态收集该传感器节点采集的信息，在第一预设时间后，又以悬停状态收集该传感器节点所采集的信息。
[0081] 上述飞行速度区间为无人机的飞行速度处于预设的最高飞行速度和最低飞行速度之间。
[0082] 上述初始飞行速度一般取无人机飞行的最大速度。
[0083] S101可以转换为一种优化问题，该优化问题为：在满足上述预设约束条件下，使得利用传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度、飞行轨迹和飞行状态搭建的无人机收集传感器节点所采集信息的平均信息年龄达到最小。该优化问题的优化变量为：无人机的飞行轨迹和飞行状态。
[0084] S102，按照所述飞行轨迹，依次飞行至各个传感器节点的位置，并以所述飞行状态中记录的状态收集每一传感器节点采集的信息；
[0085] 一个传感器节点一一对应一种飞行状态，针对每一传感器节点，无人机按照上述S101获得的飞行轨迹中所描述的传感器节点的顺序，无人机飞行至传感器节点的位置，并在传感器节点的位置上方按照上述S101获得的与传感器节点对应的飞行状态收集该传感器节点所采集的信息。
[0086] 现举一示例，无线传感器网络包括五个传感器节点，分别记为第一传感器节点，第二传感器节点、第三传感器节点、第四传感器节点和第五传感器节点，无人机按照表1所示的飞行轨迹，以表1所示的飞行状态中记录的状态收集表1所示的传感器节点采集的信息。
[0087] 表1为无人机按照飞行轨迹和飞行状态收集传感器节点所采集的信息[0088]
[0089] 如表1所示，无人机依次在第三传感器节点的位置上以悬停状态收集第三传感器采集的信息，在第二传感器节点的位置上以混合状态收集第二传感器采集的信息，在第四传感器节点的位置上以纯飞行状态收集第四传感器采集的信息，在第一传感器节点的位置上以混合状态收集第一传感器采集的信息，在第五传感器节点的位置上以悬停状态收集第四传感器采集的信息。
[0090] S103，在飞回基站后，向所述基站发送收集到的信息。
[0091] 在无人机依次收集各个传感器节点采集的信息后，便可以以预设速度飞回基站，并向基站发送收集到的传感器节点采集的信息。
[0092] 上述预设速度可以是初始速度，也可以是除去初始速度以外的其他速度。当预设速度为初始速度时，可以使无人机以最快速度飞回基站。
[0093] 由此可见，本发明实施例提供的方法利用传感器节点的位置和无人机的初始飞行速度，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹和飞行状态；按照飞行轨迹，依次飞行至各个传感器节点的位置，并以飞行状态中记录的状态收集每一传感器节点采集的信息；在飞回基站后，向所述基站发送收集到的信息。相对于现有技术而言，应用本发明实施例的方案收集信息时，不仅考虑了传感器节点自身所拥有的能量和传感器节点所采集信息的信息量对无人机收集信息的影响，还以上述飞行状态中记录的状态收集每一传感器节点采集的信息，这样使得无人机收集到的传感器所采集信息的平均信息年龄接近实际最小值，进而能够提高信息收集效率。
[0094] S101至少包括两种实施例，在本发明的第一种实施例中，S101的具体实现方式包括：
[0095] 以传感器节点的位置和无人机的初始飞行速度为参数，按照以下表达式，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹和飞行状态：
[0096]
[0097]
[0098] vmin≤vi≤vmax；0≤xi≤yi≤di,i+1；
[0099] 其中， 为平均信息年龄，M为传感器节点的数量，Ai为第i个传感器节点的信息年龄，i为传感器节点的序号，tk,k+1为无人机从开始收集第k个传感器节点所采集信息至收集完第k+1个传感器节点所采集信息使用的时间xi为无人机开始收集第i个传感器节点所采集信息时的水平位置，yi为无人机停止收集第i个传感器节点所采集信息时的水平位置，di,i+1为无人机从第i个传感器节点飞行至第i+1个传感器节点的飞行距离，Ii和Ki为表示无人机在收集第i个传感器节点所采集信息时状态的分量， 为无人机以悬停状态h收集第i个传感器节点所采集信息的信息量； 为无人机以纯飞行状态f收集第i个传感器节点所采集信息的信息量； 为无人机以混合状态r收集第i个传感器节点所采集的信息量；Bi为第i个传感器节点所采集信息的信息量； 为第i个传感器节点向处于悬停状态h的无人机发送信息消耗的能量； 为第i个传感器节点向处于纯飞行状态f的无人机发送信息所消耗的能量；Ei为第i个传感器节点所拥有的能量；vmin为无人机最小的飞行速度；vi为无人机在收集第i个传感器节点所采集信息时的飞行速度，vmax为无人机最大的飞行速度。
[0100] 其中，如图3所示，图3为无人机在悬停状态下收集第i个传感器节点Si所采集信息时的示意图，在悬停状态下， 该表达式中， 表示无人机在以悬停状下收集第i个传感器节点所采集信息时所使用的时间，W是系统带宽，β是参考
信噪比，H是无人机的飞行高度。
[0101] 如图4所示，图4为无人机在纯飞行状态下收集第i个传感器节点Si所采集信息时的示意图，在纯飞行状态下，无人机在第i个传感器节点Si的水平轴的位置处xi开始收集第i个传感器节点Si所采集的信息，并在第i个传感器节点的水平轴的位置处yi收集完毕，xi到yi之间的区域就是信息收集区域，设第i个传感器节点的位置处于地平
线轴上的原点，令表示无人机以纯飞行状态飞行时收集第i个传感器节点所持续的时间，vi表示无人机在收集第i个传感器节点所采集的信息时使用的飞行速度，收集信息的速率Ri(t)可以表示为：
[0102]
[0103] 进而得到无人机以纯飞行状态f收集第i个传感器节点所采集信息的信息量[0104] 令 以及li＝xi+vit(xi≤li≤yi)，可以得到：
[0105]
[0106] 如图5所示，图5为无人机在混合状态下收集第i个传感器节点所采集信息时的示意图，在混合状态下，无人机从收集第i个传感器节点采集的信息开始，到无人机在第i个传感器节点的水平轴的位置处yi收集完毕，如图5所示的信息收集区域为无人机以混合状态收集第i个传感器节点采集的信息的区域，无人机以混合状态r收集第i个传感器节点所采集的信息量：
[0107]
[0108] 为了模拟无人机的采集信息的行为，定义两个二元变量Ii和Ki来表示无人机在收集第i个传感器节点所采集信息时状态的分量，存在三种形式：
[0109] 第一种形式：当Ii＝0：Ki＝1时，无人机处于纯飞行状态；
[0110] 第二种形式：当Ii＝1：Ki＝0时，无人机处于悬停状态；
[0111] 第三种形式：当Ii＝1：Ki＝1时，无人机处于混合状态。
[0112] 由于无人机在第i个传感器节点处收集该传感器节点所采集的信息时应满足最低数据收集要求为：
[0113] 每个传感器节点的能耗不应超过该传感器节点所拥有的能量即该传感器节点的初始能量，即：
[0114] 在收集第i个传感器节点所采集信息的信息年龄由两部分组成：一部分信息年龄是从开始收集第i个传感器节点所采集的信息至飞行到第i+1个传感器节点Si+1位置的时间间隔，另一部分信息年龄是无人机从第i+1个传感器节点将采集的信息传送到目的地所需的时间间隔。
[0115] 在悬停状态下收集第i个传感器节点采集的信息时，无人机从第i个传感器节点到第i+1个传感器节点的飞行时间为：
[0116]
[0117] 在纯飞行状态下收集第i个传感器节点采集的信息时，无人机从第i个传感器节点到第i+1个传感器节点的飞行时间为：
[0118]
[0119] 在混合状态下收集第i个传感器节点采集的信息时，无人机从第i个传感器节点到第i+1个传感器节点的飞行时间为：
[0120]
[0121] 因此，在上述三种飞行状态下，无人机从第i个传感器节点到第i+1个传感器节点的飞行时间可以描述如下：
[0122]
[0123] 基于上述表达式，计算无人机在收集第i个传感器节点所采集信息的年龄为：
[0124]
[0125] 鉴于无线传感器网络中包括多个传感器节点，因而获得传感器节点的平均年龄是：
[0126]
[0127] 可见，本发明实施例的方法通过以传感器节点的位置和无人机的初始飞行速度为参数，按照以下表达式，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹和飞行状态；本发明实施例在综合考虑了传感器节点自身所拥有的能量和传感器节点所采集信息的信息量对无人机收集信息的影响，不仅能够节省无人机能量的
基础上使收集到的信息较好，还能够提高信息收集效率。
[0128] 在本发明的第二种实施例中，S101的具体实现方式包括步骤A～步骤C：
[0129] 步骤A，获得随机设定的初始飞行轨迹；
[0130] 首先随机给定无人机收集各个传感器节点的顺序，以便将原始问题中既寻求最佳飞行轨迹又寻求最佳飞行状态简化为仅寻求最佳飞行状态的问题。
[0131] 步骤B，利用传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述初始飞行轨迹，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行状态；
[0132] 步骤B转换为一种优化问题，其中，该优化问题是将多变量转换为单变量的优化问题，该优化问题为：在满足上述预设约束条件下，使得利用传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度、飞行轨迹和飞行状态搭建的无人机收集传感器节点所采集信息的平均信息年龄达到最小；该优化问题的优化变量为：无人机的飞行状态。
[0133] 也就是，传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和无人机的飞行轨迹均为已知量，输出为解决该优化问题的最佳飞行状态。
[0134] 步骤C，利用传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述飞行状态，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹。
[0135] 步骤C转换为一种优化问题，其中，该优化问题是将多变量转换为单变量的优化问题，该优化问题为：在满足上述预设约束条件下，使得利用传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度、飞行轨迹和飞行状态搭建的无人机收集传感器节点所采集信息的平均信息年龄达到最小；该优化问题的优化变量为：无人机的飞行轨迹。
[0136] 也就是，传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和步骤B输出的最佳飞行状态均为已知量，输出为解决该优化问题的最佳飞行轨迹。
[0137] 可见，本发明实施例的方法通过随机设定初始飞行轨迹，并利用传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和设定的初始飞行轨迹，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行状态，并再次利用传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和得到的飞行状态，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹，相对于解决上述涉及的优化问题而言，本发明实施例提供的方法更加简便，且能够提高信息收集效率。
[0138] 在本发明的一种实施例中，步骤B的具体实现方式包括：
[0139] 以传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述初始飞行轨迹为参数，按照以下表达式，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行状态：
[0140]
[0141]
[0142] 其中， 为无人机在飞行状态和混合状态下的年龄增量； 为无人机在混合状态下的年龄增量； 为无人机在飞行状态下的年龄增量。
[0143] 在悬停状态下，信息年龄的增量为：
[0144] 在纯飞行状态下，信息年龄的增量为：
[0145] 在混合状态下，信息年龄的增量为：
[0146] 显然，为了使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小，在满足预设约束条件下，则无人机应使用纯飞行状态或混合状态收集传感器节点采集的信息。仅当在收集某一传感器节点采集信息时的能量不足时，无人机才会在能量不足的传感器节点上方以悬停状态收集信息。因此，基于上述描述，首先对使得收集第i个传感器节点采集的信息到收集第i+1传感器节点采集的信息的信息年龄增量达到最小进行可行性测试，以确定无人机是否应该处于悬停状态。如果确定无人机应该处于悬停状态采集该传感器节点的信息，则表明无人机在以纯飞行状态或混合状态飞行时能量不足以收集该传感器节点采集的信息，因此无人机以悬停状态收集该传感器节点采集的信息。如果确定无人机不必处于悬停状态采集该传感器节点的信息，那么使用二维搜索法获得无人机最佳的飞行状态。
[0147] 可见，本发明实施例提供的方法以传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述初始飞行轨迹为参数，按照表达式，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行状态，不仅能够提高收集传感器采集信息的有效性，还能够提高信息收集效率。
[0148] 在本发明的一种实施例中，步骤C的具体实现方式包括：
[0149] 以传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述飞行状态为参数，按照以下表达式，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹：
[0150]
[0151]
[0152] 其中，A(si)表示收集第i个传感器节点所采集信息时所使用的信息年龄增量，A(si-1)表示收集第i+1个传感器节点所采集信息时所使用的信息年龄增量，Δai,i+1表示无人机从第i个传感器节点飞行至第i+1个传感器节点所采集信息时的信息年龄增量，ΔaM,M+1表示无人机从第M个传感器节点飞行至第M+1个传感器节点所采集信息时的信息年龄增量。
[0153] 将节点集V表示为无人机尚未收集传感器节点所采集信息的传感器节点。为了找到使得上述信息年龄达到最小的飞行轨迹，以 递归计算信息年龄，sk为无人机已经收集传感器节点所采集信息的传感器节点，k为无人机已经收集传感器节点所采集信息所对应的传感器节点序号。可以将无人机采集传感器节点的顺序记录在预设的表格或矩阵中。通过比较所有收集传感器节点所采集信息时所使用的信息年龄，可以找到最小平均信息年龄 最后，通过追溯存储在预设表格或矩阵中的数据，找到信息年龄最小所对应的飞行轨迹。
[0154] 可见，本发明实施例提供的方法以传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述飞行状态为参数，按照以下表达式，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹，能够提高信息收集效率。
[0155] 基于上述实施例，与现有技术相比，如图6～9所示，现举一示例：
[0156] 现设有一个无人机无线传感器网络，该网络包括一个基站、一个无人机和随机分布在半径为5000m的圆形区域中的8个传感器节点。无人机的飞行高度H设置为100米，该网络系统带宽设置为B＝20kHz，传输距离1m处的参考SNR设置为β＝80dB。无人机的最低速度设置为10m/s，无人机的最大速度设置为20m/s。
[0157] 利用传感器节点的位置，在满足约束条件下，分别使无人机在如下三种方式下收集地面传感器节点所采集信息的飞行时间和信息年龄达到最小，其中，上述三种方式分别为：第一种方式为：无人机在悬停状态下得到的最佳的信息年龄，简称“基于信息年龄的悬停状态”；第二种方式：无人机在悬停状态下执行任务的总消耗时间，也就是无人机从出发收集各个传感器节点所采集信息到信息收集完毕所使用的飞行时间，简称“基于飞行时间的悬停状态”；第三种方式：无人机上述飞行状态下的信息年龄即本发明实施例提供的信息收集方法，简称“基于信息年龄的自适应状态”。
[0158] 如图6～7所示，菱形线代表基于飞行时间的悬停状态；空心圆形代表基于信息年龄的悬停状态；实心圆形代表基于信息年龄的自适应状态；由图6可见，在传感器节点能量即传感器节点自身所拥有的能量较小时，基于飞行时间的悬停状态所使用的飞行时间最小，而在传感器节点能量较大时，基于信息年龄的自适应状态所使用的飞行时间最小。而图7可见，基于信息年龄的自适应状态在传感器节点能量变化过程中始终平均信息年龄最小。
也就是说，由利用上述三种方式分别对无人机收集传感器节点所采集信息的飞行时间达到最小，和，利用上述三种方式分别对无人机收集传感器节点所采集信息的平均信息年龄达到最小可获知：基于信息年龄的自适应状态在传感器节点能量变化过程中始终使无人机收集传感器节点所采集信息的平均信息年龄达到最小。
[0159] 由图8可见，在传感器节点信息量即传感器节点所采集的信息量较小时，基于信息年龄的自适应状态所使用的飞行时间最小，而在传感器节点信息量较大时，基于飞行时间的悬停状态所使用的飞行时间最小。而图9可见，基于信息年龄的自适应状态在传感器节点信息量变化过程中始终平均信息年龄最小。也就是说，由利用上述三种方式分别对无人机收集传感器节点所采集信息的飞行时间达到最小，和，利用上述三种方式分别对无人机收集传感器节点所采集信息的平均信息年龄达到最小可获知：基于信息年龄的自适应状态在传感器节点信息量变化过程中始终使无人机收集传感器节点所采集信息的平均信息年龄达到最小。
[0160] 综上所述，基于信息年龄的自适应状态即本发明实施例提供的信息收集方法是最佳的选择方式。
[0161] 与上述信息收集方法相对应，本发明实施例还提供了一种基于信息时效性的无人机信息收集装置。
[0162] 参见图10所示，图10为一种基于信息时效性的无人机信息收集装置的结构示意图，应用于无线传感器网络中的无人机，该装置包括：
[0163] 轨迹和状态获得模块201，用于利用传感器节点的位置和无人机的初始飞行速度，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹和飞行状态；其中，所述飞行轨迹用于表征所述无人机飞过各个传感器节点的顺序，所述飞行状态包括：所述无人机收集各个传感器节点所采集信息时的状态，所述预设约束条件包括以下条件：
[0164] 所述无人机的飞行速度处于预设的飞行速度区间；针对每一传感器节点，所述无人机收集到信息的信息量大于或等于传感器节点所采集信息的信息量、传感器节点发送信息所消耗的能量小于或等于传感器节点自身所拥有的能量；
[0165] 信息采集模块202，用于按照所述飞行轨迹，依次飞行至各个传感器节点的位置，并以所述飞行状态中记录的状态收集每一传感器节点采集的信息；
[0166] 信息发送模块203，用于在飞回基站后，向所述基站发送收集到的信息。
[0167] 可选的，所述轨迹和状态获得模块201可以包括：
[0168] 轨迹和状态获得子模块，用于以传感器节点的位置和无人机的初始飞行速度为参数，按照以下表达式，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹和飞行状态：
[0169]
[0170]
[0171] vmin≤vi≤vmax；0≤xi≤yi≤di,i+1；
[0172] 其中， 为平均信息年龄，M为传感器节点的数量，Ai为第i个传感器节点的信息年龄，i为传感器节点的序号，tk,k+1为无人机从开始收集第k个传感器节点所采集信息至收集完第k+1个传感器节点所采集信息使用的时间，xi为无人机开始收集第i个传感器节点所采集信息时的水平位置，yi为无人机停止收集第i个传感器节点所采集信息时的水平位置，di,i+1为无人机从第i个传感器节点飞行至第i+1个传感器节点的飞行距离，Ii和Ki为表示无人机在收集第i个传感器节点所采集信息时状态的分量， 为无人机以悬停状态h收集第i个传感器节点所采集信息的信息量； 为无人机以纯飞行状态f收集第i个传感器节点所采集信息的信息量； 为无人机以混合状态r收集第i个传感器节点所采集的信息量；Bi为第i个传感器节点所采集信息的信息量； 为第i个传感器节点向处于悬停状态h的无人机发送信息消耗的能量； 为第i个传感器节点向处于纯飞行状态f的无人机发送信息所消耗的能量；Ei为第i个传感器节点所拥有的能量；vmin为无人机最小的飞行速度；vi为无人机在收集第i个传感器节点所采集信息时的飞行速度，vmax为无人机最大的飞行速度。
[0173] 可选的，所述轨迹和状态获得模块201可以包括：
[0174] 初始飞行轨迹获得子模块，用于获得随机设定的初始飞行轨迹；
[0175] 飞行状态获得子模块，用于利用传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述初始飞行轨迹，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行状态；
[0176] 飞行轨迹获得子模块，用于利用传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述飞行状态，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹。
[0177] 可选的，所述飞行状态获得子模块可以包括：
[0178] 飞行状态获得单元，用于以传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述初始飞行轨迹为参数，按照以下表达式，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行状态：
[0179]
[0180]
[0181] 其中， 为无人机在飞行状态和混合状态下的年龄增量； 为无人机在混合状态下的年龄增量； 为无人机在飞行状态下的年龄增量。
[0182] 可选的，所述飞行轨迹获得子模块可以包括：
[0183] 飞行轨迹获得单元，用于以传感器节点的位置、无人机的初始飞行速度和所述飞行状态为参数，按照以下表达式，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹：
[0184]
[0185]
[0186] 其中，A(si)表示收集第i个传感器节点所采集信息时所使用的信息年龄增量，A(si-1)表示收集第i+1个传感器节点所采集信息时所使用的信息年龄增量，Δai,i+1表示无人机从第i个传感器节点飞行至第i+1个传感器节点所采集信息时的信息年龄增量，ΔaM,M+1表示无人机从第M个传感器节点飞行至第M+1个传感器节点所采集信息时的信息年龄增量。
[0187] 由此可见，本发明实施例提供的装置利用传感器节点的位置和无人机的初始飞行速度，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹和飞行状态；按照飞行轨迹，依次飞行至各个传感器节点的位置，并以飞行状态中记录的状态收集每一传感器节点采集的信息；在飞回基站后，向所述基站发送收集到的信息。相对于现有技术而言，应用本发明实施例提供的方案，不仅考虑了传感器节点自身所拥有的能量和传感器节点所采集信息的信息量对无人机收集信息的影响，还以上述飞行状态中记录的状态收集每一传感器节点采集的信息，这样使得无人机收集到的传感器所采集信息的平均信息年龄接近实际最小值，进而能够提高信息收集效率。
[0188] 本发明实施例还提供了一种电子设备，如图11所示，包括处理器301、通信
接口302、
存储器303和通信总线304，其中，处理器301，
通信接口302，存储器303通过通信总线
304完成相互间的通信，
[0189] 存储器303，用于存放计算机程序；
[0190] 处理器301，用于执行存储器303上所存放的程序时，实现本发明实施例提供的一种基于信息时效性的无人机信息收集方法。
[0191] 具体的，上述一种基于信息时效性的无人机信息收集方法，应用于无线传感器网络中的无人机，所述方法包括：
[0192] 利用传感器节点的位置和无人机的初始飞行速度，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹和飞行状态；其中，所述飞行轨迹用于表征所述无人机飞过各个传感器节点的顺序，所述飞行状态包括：所述无人机收集各个传感器节点所采集信息时的状态，所述预设约束条件包括以下条件：
[0193] 所述无人机的飞行速度处于预设的飞行速度区间；针对每一传感器节点，所述无人机收集到信息的信息量大于或等于传感器节点所采集信息的信息量、传感器节点发送信息所消耗的能量小于或等于传感器节点自身所拥有的能量；
[0194] 按照所述飞行轨迹，依次飞行至各个传感器节点的位置，并以所述飞行状态中记录的状态收集每一传感器节点采集的信息；
[0195] 在飞回基站后，向所述基站发送收集到的信息。
[0196] 由此可见，执行本实施例提供的电子设备，通过利用传感器节点的位置和无人机的初始飞行速度，获得满足预设约束条件且使得收集到的传感器节点所采集信息的平均信息年龄最小的飞行轨迹和飞行状态；按照飞行轨迹，依次飞行至各个传感器节点的位置，并以飞行状态中记录的状态收集每一传感器节点采集的信息；在飞回基站后，向所述基站发送收集到的信息。相对于现有技术而言，本发明实施例考虑了传感器节点自身所拥有的能量和传感器节点所采集信息的信息量对无人机收集信息的影响，且使得无人机以飞行状态中记录的状态收集每一传感器节点采集的信息，从而使得获得的飞行轨迹是使得无人机收集到的传感器所采集信息的平均信息年龄接近实际最小值的轨迹，进而能够提高信息收集效率。
[0197] 上述的相关内容信息收集方法的实施方式与前述方法实施例部分提供的信息收集方法的管理方式相同，这里不再赘述。
[0198] 上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(Peripheral Component Interconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry Standard Architecture，EISA)总线等。该通信总线可以分为
地址总线、
数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
[0199] 通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
[0200] 存储器可以包括
随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括
非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
[0201] 上述的处理器可以是通用处理器，包括
中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字
信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成
电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程
门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他
可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立
硬件组件。
[0202] 在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一上述的基于信息时效性的无人机信息收集方法。
[0203] 在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一上述的基于信息时效性的无人机信息收集方法。
[0204] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0205] 本
说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于电子设备、存储介质和程序产品实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0206] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
