摘要：無人機作為一種新興的移動平臺，正越來越多地被應(yīng)用于視頻數(shù)據(jù)的采集和傳輸，尤其是在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足或受限的環(huán)境中。然而，無人機的能源有限性對其持續(xù)工作時間和飛行距離產(chǎn)生了限制，這對視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪苄岢隽诵碌奶魬?zhàn)。因此，對基于能效感知的無人機協(xié)助的視頻數(shù)據(jù)傳輸進行詳細的分析，期望能夠為同行業(yè)者提供參考價值。

關(guān)鍵詞：能效感知；無人機協(xié)助；視頻數(shù)據(jù)傳輸；研究分析

一、前言

隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，無人機已經(jīng)從玩具和娛樂設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N重要的移動平臺，被廣泛運用于各種應(yīng)用場景，如航拍、災(zāi)難救援、物流運輸?shù)?。其中，基于能效感知的無人機協(xié)助的視頻數(shù)據(jù)傳輸是一種新興的研究領(lǐng)域，旨在通過無人機的協(xié)助，提高視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪苄Ш托阅?。所以本文對其進行的深入分析，具有重要的現(xiàn)實意義。

二、無人機在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用

無人機在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍。隨著技術(shù)的發(fā)展，無人機可以用于傳輸各種類型的數(shù)據(jù)，包括圖像、視頻、聲音等。首先，無人機在緊急救援行動中起到了重要的作用。在災(zāi)難發(fā)生時，無人機可以迅速飛往災(zāi)區(qū)，并傳輸實時的圖像和視頻給救援人員，幫助他們了解災(zāi)情，以便做出更好的決策。并且，無人機還可以將醫(yī)療設(shè)備和藥物送到受困地區(qū)，為傷者提供緊急救助。其次，無人機可以攜帶各種傳感器，監(jiān)測農(nóng)田的土壤水分、溫度和養(yǎng)分含量等信息。通過收集這些數(shù)據(jù)，農(nóng)民可以更好地管理農(nóng)田，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。此外，無人機還可以噴灑農(nóng)藥和施肥，提供精確的農(nóng)業(yè)服務(wù)。再次，無人機在電力和通信領(lǐng)域也發(fā)揮了重要的作用。無人機可以巡檢電力線路和塔桿，及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)電力設(shè)備的故障，確保供電的穩(wěn)定性。同時，無人機還可以傳輸通信設(shè)備和信號，幫助建立臨時通信網(wǎng)絡(luò)，解決通信中斷的問題。

三、能效感知無人機輔助視頻數(shù)據(jù)傳輸策略

（一）無人機的能效感知調(diào)度策略

能效感知調(diào)度策略是實現(xiàn)無人機能源管理的關(guān)鍵。通過實時監(jiān)測和評估無人機的能源消耗情況，以及視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，可以確定最佳的任務(wù)分配和調(diào)度策略。首先，根據(jù)不同任務(wù)的緊急程度和優(yōu)先級，將任務(wù)分配給能效較高的無人機可以確保視頻數(shù)據(jù)能夠及時傳輸。通過考慮無人機的能效指標(biāo)，如能耗、航程等，選擇能效較高的無人機來執(zhí)行任務(wù)，進而降低能源消耗。其次，根據(jù)無人機的能源消耗情況，合理安排無人機的飛行路徑和時間也是減少能源浪費和消耗的重要手段。通過優(yōu)化飛行路徑，選擇最短、最經(jīng)濟的路徑，可以減少飛行距離和時間，降低能源消耗。此外，合理安排無人機的飛行時間，避免不必要的待機時間和空轉(zhuǎn)，也能減少能源浪費[1]。

（二）無人機的飛行路徑與能源管理

路徑規(guī)劃算法在無人機飛行中的應(yīng)用不僅可以減少能源消耗，提高飛行效率，同時還可以確保視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和質(zhì)量。通過路徑規(guī)劃算法選擇最優(yōu)的飛行路徑，無人機可以避免不必要的飛行距離和時間。在遇到多個目標(biāo)點需要訪問時，路徑規(guī)劃算法可以合理安排飛行順序，避免重復(fù)飛行，從而減少能源消耗。這樣的優(yōu)化飛行路徑還可以提高飛行效率，讓無人機更快速地完成任務(wù)。此外，合理控制無人機的姿態(tài)也是降低能源消耗的關(guān)鍵。通過優(yōu)化飛行姿態(tài)，可以減少空氣阻力，進一步降低能源消耗。

（三）視頻數(shù)據(jù)編碼和傳輸策略

通過采用高效的視頻編碼算法和傳輸協(xié)議，可以降低無人機的能源消耗，提高視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量。首先，采用先進的視頻編碼算法，如H.265/HEVC，可以將視頻數(shù)據(jù)壓縮至更小的體積。這樣可以減少傳輸所需的能源，同時節(jié)省存儲空間。通過減小視頻數(shù)據(jù)體積，無人機可以更快速地傳輸視頻數(shù)據(jù)，降低傳輸延遲，提高實時性。其次，選擇適合無人機傳輸?shù)膫鬏攨f(xié)議也是降低能源消耗的關(guān)鍵。傳輸協(xié)議的選擇應(yīng)考慮傳輸延遲、帶寬占用和穩(wěn)定性等因素。UDP和RTMP等協(xié)議具有較低的傳輸延遲和較高的實時性，適用于無人機的視頻傳輸。通過選擇合適的傳輸協(xié)議，可以減少能源消耗，提高視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省Ｗ詈?，自適應(yīng)傳輸策略也是降低能源消耗的重要手段。根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和無人機的能源消耗情況，動態(tài)調(diào)整視頻數(shù)據(jù)的編碼質(zhì)量和傳輸速率。同時，根據(jù)無人機的能源消耗情況，動態(tài)調(diào)整視頻數(shù)據(jù)的傳輸速率，以降低能源消耗。

（四）無線信號強度感知與調(diào)整

在無人機協(xié)助的視頻數(shù)據(jù)傳輸中，強信號通常意味著無線信道的質(zhì)量較好，信號的干擾和丟包率較低。因此，無人機可以通過感知無線信號強度，選擇相對較高的傳輸速率和功率來實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸。弱信號下的傳輸速率和功率調(diào)整是為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。在無人機協(xié)助的視頻數(shù)據(jù)傳輸中，弱信號通常意味著無線信道的質(zhì)量較差，信號的干擾和丟包率較高。在這種情況下，選擇過高的傳輸速率和功率可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟环€(wěn)定或丟失。因此，無人機需要通過感知無線信號強度，根據(jù)實際情況降低傳輸速率和功率，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

在實際應(yīng)用中，可以通過接收器感知無線信號強度，并將信號強度信息反饋給無人機。無人機根據(jù)接收到的信號強度信息，自動調(diào)整傳輸速率和功率。當(dāng)信號強度較強時，無人機可以提高傳輸速率和功率；而當(dāng)信號強度較弱時，無人機則降低傳輸速率和功率。這樣能夠?qū)崿F(xiàn)對無線信號強度的實時感知和調(diào)整，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率[2]。

（五）數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級感知與調(diào)整

在基于能效感知的無人機協(xié)助的視頻數(shù)據(jù)傳輸中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級感知與調(diào)整是非常重要的。首先，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級問題是基于視頻數(shù)據(jù)的內(nèi)容和應(yīng)用場景來確定的。例如，在無人機實時監(jiān)控應(yīng)用中，對于實時視頻數(shù)據(jù)的傳輸，由于其重要性和緊迫性，應(yīng)該優(yōu)先傳輸以確保實時監(jiān)控的效果。而對于一些非實時監(jiān)控或數(shù)據(jù)采集任務(wù)中的視頻數(shù)據(jù)，如圖像、日志等，可以根據(jù)實際需求來確定傳輸?shù)膬?yōu)先級。其次，基于數(shù)據(jù)優(yōu)先級感知的傳輸調(diào)度策略可以根據(jù)不同數(shù)據(jù)的優(yōu)先級進行調(diào)整。在實時監(jiān)控應(yīng)用中，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的實時傳輸是關(guān)鍵。因此，無人機可以將高優(yōu)先級數(shù)據(jù)放在傳輸隊列的前面，優(yōu)先傳輸；同時，可以采用更高的傳輸速率和功率，以確保數(shù)據(jù)的實時性和完整性。而對于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，可以將其放在傳輸隊列的后面，延遲傳輸，以降低能耗和資源消耗。在實際應(yīng)用中，可以通過設(shè)置數(shù)據(jù)的優(yōu)先級標(biāo)志或通過與地面站的通信協(xié)議來確定數(shù)據(jù)的優(yōu)先級。無人機可以根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)優(yōu)先級信息，進行傳輸調(diào)度。通過使用優(yōu)先級隊列或調(diào)度算法，根據(jù)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級來確定傳輸順序，靈活調(diào)整傳輸速率和功率。

四、基于能效感知的無人機協(xié)助的視頻數(shù)據(jù)傳輸算法設(shè)計及優(yōu)化

（一）算法設(shè)計理念和步驟

1.需求方面分析

需要明確視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，包括帶寬要求、傳輸延遲要求等。同時考慮無人機的能源消耗情況，以及飛行路徑和姿態(tài)控制的限制。

2.算法選擇

根據(jù)需求分析的結(jié)果，選擇合適的算法來實現(xiàn)能效感知的無人機協(xié)助視頻數(shù)據(jù)傳輸。常見的算法包括路徑規(guī)劃算法、姿態(tài)控制算法、視頻編碼算法、傳輸協(xié)議選擇算法等[3]。

3.算法設(shè)計和實現(xiàn)

根據(jù)選擇的算法，設(shè)計具體的算法流程和邏輯，編寫相應(yīng)的代碼實現(xiàn)，例如路徑規(guī)劃算法的應(yīng)用，該算法的設(shè)計可以基于圖搜索算法或啟發(fā)式搜索算法如圖1所示。

4.優(yōu)化和調(diào)試

對設(shè)計的算法進行優(yōu)化和調(diào)試，以提高算法的性能和穩(wěn)定性?？梢酝ㄟ^參數(shù)調(diào)整、算法改進等方式來優(yōu)化算法的效果。同時，需要進行充分的測試和驗證，確保算法在實際場景中的可靠性和適用性（見圖1）。

（二）算法性能的優(yōu)化方法

1.數(shù)據(jù)預(yù)處理

在視頻數(shù)據(jù)傳輸之前，進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，降噪處理可以有效減少視頻數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾。噪聲通常會增加視頻數(shù)據(jù)的體積和傳輸所需的帶寬，導(dǎo)致能源消耗增加。通過使用降噪算法，如均值濾波、中值濾波等，可以去除視頻數(shù)據(jù)中的噪聲，使數(shù)據(jù)更加清晰，減少數(shù)據(jù)量，從而降低傳輸所需的能量。此外，去除冗余信息也是降低能源消耗的有效方法。視頻數(shù)據(jù)中常常存在冗余的空間和時間信息，如相鄰幀之間的相似性。通過采用編碼技術(shù)，如幀間預(yù)測、運動估計等，可以識別和去除視頻數(shù)據(jù)中的冗余信息。這樣不僅可以減少視頻數(shù)據(jù)的體積，還可以降低傳輸延遲，從而減少能源消耗。

2.自適應(yīng)傳輸策略

根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和無人機的能源消耗情況，動態(tài)調(diào)整視頻數(shù)據(jù)的編碼質(zhì)量和傳輸速率是降低能源消耗的重要策略。通過根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬和穩(wěn)定性選擇合適的編碼比特率，可以在保證視頻質(zhì)量的前提下，減小視頻數(shù)據(jù)的體積，降低傳輸所需的帶寬和能源消耗。同時，根據(jù)無人機的能源消耗情況，動態(tài)調(diào)整傳輸速率，可以避免能源過度消耗，延長無人機的續(xù)航時間。通過綜合考慮網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和能源消耗情況，優(yōu)化視頻編碼和傳輸策略，可以實現(xiàn)更高效和節(jié)能的視頻傳輸。

3.路徑規(guī)劃和姿態(tài)控制的優(yōu)化

通過選擇最短、最經(jīng)濟的飛行路徑，可以減少無人機的飛行距離和時間，從而降低能源消耗。路徑規(guī)劃算法可以根據(jù)地理信息和飛行條件，計算出最優(yōu)路徑，避開障礙物和不必要的轉(zhuǎn)場，實現(xiàn)高效飛行。同時，合理控制無人機的姿態(tài)也是降低能源消耗的關(guān)鍵。通過優(yōu)化姿態(tài)控制算法，減小無人機的空氣阻力，降低飛行時的能源損耗。綜合考慮路徑規(guī)劃和姿態(tài)控制，可以實現(xiàn)更高效、節(jié)能的無人機飛行。這種優(yōu)化策略不僅可以降低能源消耗，還能延長無人機的續(xù)航時間，提高飛行效率[4]。

4.無線能量傳輸優(yōu)化

考慮到無人機的能源有限，算法還需要考慮無線能量傳輸技術(shù)，以為無人機提供能量。例如，無人機可以通過無線電能傳輸技術(shù)，從地面基站或者其他無人機獲取能量。算法需要優(yōu)化無人機的能量獲取策略，以在滿足無人機飛行和視頻傳輸?shù)哪茉葱枨蟮耐瑫r，盡可能延長無人機的飛行時間。

（三）算法復(fù)雜性的分析

對于不同的算法，可以通過時間復(fù)雜性和空間復(fù)雜性來進行分析和評估。以下是幾種常見算法的時間復(fù)雜性分析。

1.路徑規(guī)劃算法

常見的路徑規(guī)劃算法，如A*算法，時間復(fù)雜性通常與圖的大小相關(guān)。對于有V個頂點和E條邊的圖，A*算法的時間復(fù)雜性可以表示為O（V+E）?；蛘連idirectional Search算法，從起點和終點同時進行搜索，直到兩個搜索方向相遇。相比于單向搜索算法，Bidirectional Search算法的復(fù)雜性更低，可以顯著減少搜索空間，提高搜索效率（見圖2）。在實際應(yīng)用中，還可以根據(jù)具體算法的優(yōu)化策略，如使用優(yōu)先隊列來加速搜索過程。

2.姿態(tài)控制算法

姿態(tài)控制算法的時間復(fù)雜性通常與控制策略的復(fù)雜度有關(guān)。不同的控制策略可能涉及不同的運算和計算，因此時間復(fù)雜性也會有所不同。一些較簡單的姿態(tài)控制算法，如PID控制器，時間復(fù)雜性通常較低；而一些更復(fù)雜的算法，如模型預(yù)測控制（MPC），可能具有較高的時間復(fù)雜性。

3.視頻編碼算法

視頻編碼算法通常涉及對視頻幀進行編碼和壓縮。時間復(fù)雜性通常與視頻幀的數(shù)量和像素數(shù)目相關(guān)。對于有F個幀，每幀的寬度為W，高度為H的視頻，視頻編碼的時間復(fù)雜性可以表示為O（FWH）。不同的視頻編碼算法，如H.264和HEVC，具有不同的時間復(fù)雜性和壓縮效率。

4.傳輸協(xié)議選擇算法

傳輸協(xié)議選擇算法的時間復(fù)雜性通常與可選協(xié)議的數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)條件相關(guān)。對于有N個可選協(xié)議的場景，傳輸協(xié)議選擇的時間復(fù)雜性可以表示為O（N）。這種算法通常會考慮網(wǎng)絡(luò)帶寬、延遲和穩(wěn)定性等因素，選擇最適合的傳輸協(xié)議。除了時間復(fù)雜性，空間復(fù)雜性也是算法性能的重要指標(biāo)。空間復(fù)雜性通常指算法所需的額外存儲空間，如數(shù)組、堆棧等。分析時間復(fù)雜性和空間復(fù)雜性可以幫助我們評估算法的效率和資源消耗，選擇合適的算法來解決問題。

五、模擬實驗與結(jié)果分析

為了評估基于能效感知的無人機協(xié)助的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?，進行模擬實驗。

實驗的設(shè)備包括一架六旋翼無人機，無人機上裝載了一臺視頻攝像機和一臺無線傳輸模塊。設(shè)置了一個固定的基站，它的主要職能是向無人機發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，并在無人機完成任務(wù)后接收其傳回的視頻數(shù)據(jù)。為了使實驗結(jié)果更具有代表性，模擬了各種不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和視頻數(shù)據(jù)類型，并嘗試了不同的傳輸策略。

實驗發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境條件較差的情況下，通過降低傳輸速率，可以顯著降低無人機的能源消耗，同時保證視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬僅為1 Mbps時，視頻數(shù)據(jù)的傳輸速率為30 fps，此時無人機的能源消耗為100 W。然而，當(dāng)傳輸速率降低到10 fps時，能源消耗即降低到50 W，相當(dāng)于消耗減少了50%[5]。

在編碼技術(shù)方面，發(fā)現(xiàn)使用能量高效的編碼技術(shù)可以有效地降低視頻數(shù)據(jù)的大小，從而降低能源消耗。當(dāng)使用H.265/HEVC編碼技術(shù)時，視頻數(shù)據(jù)大小比使用H.264/AVC編碼技術(shù)時減少了50%，這也使得能源消耗降低了50%。此外，無線能量傳輸技術(shù)可以為無人機提供能源，從而延長無人機的飛行時間，進一步降低能源消耗。當(dāng)無人機使用無線電能傳輸技術(shù)時，無人機的飛行時間可以延長20%。

通過以上實驗結(jié)果可以得出結(jié)論，基于能效感知的無人機協(xié)助的視頻數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可以有效地降低能源消耗，提高視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性。同時，通過使用高效的編碼技術(shù)和無線能量傳輸技術(shù)，可以進一步優(yōu)化無人機的性能和效率，為未來的無人機應(yīng)用提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

六、結(jié)語

綜上所述，基于能效感知的無人機數(shù)據(jù)傳輸可以通過智能化調(diào)整傳輸參數(shù)和工作模式、利用能源管理和回收技術(shù)、優(yōu)化路徑規(guī)劃和姿態(tài)控制等方式，降低能耗、提高能量利用效率。這種技術(shù)在能源節(jié)約、環(huán)境保護和無人機應(yīng)用拓展等方面具有重要的意義和應(yīng)用價值，將為無人機數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域帶來更高的效益和發(fā)展?jié)摿?，推動無人機技術(shù)的進一步發(fā)展。

參考文獻

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[2]紀(jì)寧，李晶晶，易清園，等.展望下一代的WiFi技術(shù)WiFi7（802.11be）[J].石油知識，2023（02）：44-45.

[3]吳瑩瑩.5G時代網(wǎng)絡(luò)視頻發(fā)展趨勢研究[J].信息與電腦（理論版），2021，33（21）：172-174.

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作者單位：汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院

責(zé)任編輯：王穎振 楊惠娟