3D Trajectory Optimization for Energy-Efficient UAV Communication: A Control Design Perspective

弹道 计算机科学 透视图(图形) 轨迹优化 高效能源利用 最优控制 无线 数学优化 控制(管理) 工程类 人工智能 数学 天文 电信 电气工程 物理
作者
Bin Li,Qingliang Li,Yong Zeng,Yue Rong,Rui Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Wireless Communications [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:21 (6): 4579-4593 被引量:75
标识
DOI:10.1109/twc.2021.3131384
摘要

This paper studies the three-dimensional (3D) trajectory optimization problem for unmanned aerial vehicle (UAV) aided wireless communication. Existing works mainly rely on the kinematic equations for UAV's mobility modeling, while its dynamic equations are usually missing. As a result, the planned UAV trajectories are piece-wise line segments in general, which may be difficult to implement in practice. By leveraging the concept of state-space model, a control-based UAV trajectory design is proposed in this paper, which takes into account both of the UAV's kinematic equations and the dynamic equations. Consequently, smooth trajectories that are amenable to practical implementation can be obtained. Moreover, the UAV's controller design is achieved along with the trajectory optimization, where practical roll angle and pitch angle constraints are considered. Furthermore, a new energy consumption model is derived for quad-rotor UAVs, which is based on the voltage and current flows of the electric motors and thus captures both the consumed energy for motion and the energy conversion efficiency of the motors. Numerical results are provided to validate the derived energy consumption model and show the effectiveness of our proposed algorithms.
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