一种基于群智协同的阿基米德螺线移动模型及构建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于群智协同的阿基米德螺线移动模型及构建方法，构建方法包括以下步骤：S1簇首移动模型构建，S2群组移动模型构建，S3阿基米德螺线运动模型构建；该模型利用群智协同的思想，借助于阿基米德螺线的理论，通过构建簇首移动模型，并与典型的生物群自组织Boids模型的群智规则(SAC)相结合，实现了一种新颖的且适合于动态飞行器的移动模型，本发明专利技术所提出的阿基米德螺线移动模型(ASMM

【技术实现步骤摘要】
一种基于群智协同的阿基米德螺线移动模型及构建方法


[0001]本专利技术涉及移动模型
，具体为一种基于群智协同的阿基米德螺线移动模型及构建方法。

技术介绍

[0002]移动模型(Mobiltity Model)采用数学方法抽象并描述现实应用场景下节点的运动情况，以尽可能准确地模拟现实场景下节点的运动特征。显然，节点的移动模型直接决定了网络的拓扑结构，进而也很大程度影响着网络的性能。此外，由于不同的移动模型往往适用于不同的应用场景，因此采用合适的移动模型对于研究高动态自组网的各种协议性能及其评估分析具有重要意义。尽管人们已经提出了多种移动模型，但它们大多适应于低速移动场景下，无法应用于高动态的应用场景。所以我们提出了一种基于群智协同的阿基米德螺线移动模型及构建方法，以便于解决上述中提出的问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种基于群智协同的阿基米德螺线移动模型及构建方法，以解决上述
技术介绍
提出的多种移动模型无法应用于高动态的应用场景的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于群智协同的阿基米德螺线移动模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤:
[0005]S1：簇首移动模型构建
[0006]S2：群组移动模型构建
[0007]S3：阿基米德螺线运动模型构建
[0008]节点的运动由俯冲和盘旋两阶段构成：第一段是从Akm S0(0,0,A)的高空点俯冲至Bkm S1(0,0,B)处；第二段是做阿基米德螺线运动，其中簇首节点的速度初始为节点间的相对速度为100m/s，簇中节点的速度根据相应公式进行速度更新；
[0009]S31：俯冲运动
[0010]当节点在做俯冲运动时，会到空气阻力F(t)和重力G的影响，空气阻力大小计算公式如下：
[0011][0012]其中，C为空气阻力系数；ρ为空气密度；S物体迎风面积；为物体与空气的相对运动速度，根据参数所知参数C、S为定值，高度和空气密度的关系如下：
[0013][0014]则F(t)可写为：
[0015][0016][0017]故阻力和节点速度的平方成正比，节点的运动可分解为y轴和z轴方向，则y轴方向的空气阻力大小为：
[0018][0019][0020]z轴方向的空气阻力大小为：
[0021][0022][0023]由于在第一段俯冲运动时节点做自由落体运动，故当节点从S0(0,0,A)的高空点俯冲至S1(0,0,B)时，x轴的值恒为0；
[0024]S32：盘旋运动
[0025]当节点从S1(0,0,A)处开始做盘旋运动时，x轴会以阿基米德螺线的方式开始变化，故只对y轴和z轴进行分析；
[0026]z轴方向运动分析：
[0027]节点在z轴上只受到重力和空气阻力，取向下方向为正方向，则重力G为正，空气阻力为负，由牛顿第二定律可得：
[0028][0029]由于速度是路程S关于时间t的一阶导数，加速度是路程S关于时间t的二阶导数，故上式可写为：
[0030][0031]当节点做俯冲运动时，节点在z轴上的速度为0，即Z`(0)＝0，Z(0)＝0，将其带入公式(1
‑
24)中可得到z轴上下落距离和时间的函数关系为：
[0032][0033]式中，m为节点质量，g为重力加速度，对其求导可得到下落速度和时间的函数变化关系：
[0034][0035]当重力G和空气竖直向上的空气阻力相等时，即
[0036][0037]此时，簇首节点将匀速下降；
[0038]y轴方向运动分析：
[0039]在y轴方向上，节点只受到空气阻力的影响，取节点运动的速度方向为正方向，由牛顿第二定律可得：
[0040][0041]由于速度是路程S关于时间t的一阶导数，加速度是路程S关于时间t的二阶导数，故上式可写为：
[0042][0043]而y轴方向上簇首节点的初始速度为300m/s，即y`(0)＝0，y(0)＝0，将其带入到公式(1
‑
29)得到y轴上的距离和时间的函数关系为：
[0044][0045]对上式求导，可得y轴方向上的速度和时间函数变化关系：
[0046][0047]盘旋运动轨迹是阿基米德螺线，从高度Akm处到高度Ckm处，俯冲运动的终点S1(0,y1,A)变为螺线运动的起点，而S2(x1,y1,104m)为螺线运动的终点，而z轴方向上依旧只受到空气阻力和重力的影响，俯冲运动终点的速度v
leader
(t1)成为盘旋运动的初速度，故下落速度和时间的函数关系为：
[0048][0049]对其积分后得到距离和时间的关系为：
[0050][0051][0052]在做阿基米德螺线运动时，其平面坐标方程为：
[0053]y
leader
(t)＝A+(α+βω
leader
(t
‑
t1))cos(ω
leader
(t
‑
t1))
ꢀꢀ
(1
‑
35)
[0054]x
leader
(t)＝B+(α+βω
leader
(t
‑
t1))sin(ω
leader
(t
‑
t1))
ꢀꢀ
(1
‑
36)
[0055]式中，ω
leader
为恒定角速度，参数A、B、α决定了螺线的中心和起点位置，参数β决定曲线之间的距离，上式满足以下公式：
[0056][0057]式中，t
end
表示簇首节点做第二段运动结束的时间。
[0058]优选的，S1中簇首移动模型构建包括以下步骤：
[0059]S11：根据网络层分簇路由协议对节点进行分簇，选出簇首节点和成员节点，假设簇n内包含了三个节点n0、n1和n2，其中，n0节点为簇首节点，n1和n2节点为成员节点，簇中任意两个节点如n1和n2的空间坐标可表示为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，根据公式(1
‑
1)可得簇内任意两个节点之间的距离d，公式(1
‑
1)为：
[0060][0061]S12：定义簇首节点和成员节点的运动关系，假设簇内任意节点之间距离d的范围是：100m＜d＜500m；
[0062]簇中的任意节点n
i
在t时刻的速度根据公式(1
‑
2)计算；
[0063][0064]是成员节点相对于簇首节点的一个随机偏移矢量，大小是介于[0，d]之间的一个随机数，d表示偏移距离，偏移距离100m<d<500m，偏移方向是介于[0，2π]之间的随机数；
[0065]S13：更新运动状态，节点运动状态更新包括两个方面：速本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于群智协同的阿基米德螺线移动模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤:S1：簇首移动模型构建S2：群组移动模型构建S3：阿基米德螺线运动模型构建节点的运动由俯冲和盘旋两阶段构成：第一段是从Akm S0(0,0,A)的高空点俯冲至Bkm S1(0,0,B)处；第二段是做阿基米德螺线运动，其中簇首节点的速度初始为节点间的相对速度为100m/s，簇中节点的速度根据相应公式进行速度更新；S31：俯冲运动当节点在做俯冲运动时，会到空气阻力F(t)和重力G的影响，空气阻力大小计算公式如下：其中，C为空气阻力系数；ρ为空气密度；S物体迎风面积；为物体与空气的相对运动速度，根据参数所知参数C、S为定值，高度和空气密度的关系如下：则F(t)可写为：则F(t)可写为：故阻力和节点速度的平方成正比，节点的运动可分解为y轴和z轴方向，则y轴方向的空气阻力大小为：气阻力大小为：z轴方向的空气阻力大小为：z轴方向的空气阻力大小为：由于在第一段俯冲运动时节点做自由落体运动，故当节点从S0(0,0,A)的高空点俯冲至S1(0,0,B)时，x轴的值恒为0；S32：盘旋运动当节点从S1(0,0,A)处开始做盘旋运动时，x轴会以阿基米德螺线的方式开始变化，故只对y轴和z轴进行分析；z轴方向运动分析：节点在z轴上只受到重力和空气阻力，取向下方向为正方向，则重力G为正，空气阻力为
负，由牛顿第二定律可得：由于速度是路程S关于时间t的一阶导数，加速度是路程S关于时间t的二阶导数，故上式可写为：当节点做俯冲运动时，节点在z轴上的速度为0，即Z`(0)＝0，Z(0)＝0，将其带入公式(1
‑
24)中可得到z轴上下落距离和时间的函数关系为：式中，m为节点质量，g为重力加速度，对其求导可得到下落速度和时间的函数变化关系：当重力G和空气竖直向上的空气阻力相等时，即此时，簇首节点将匀速下降；y轴方向运动分析：在y轴方向上，节点只受到空气阻力的影响，取节点运动的速度方向为正方向，由牛顿第二定律可得：由于速度是路程S关于时间t的一阶导数，加速度是路程S关于时间t的二阶导数，故上式可写为：而y轴方向上簇首节点的初始速度为300m/s，即y`(0)＝0，y(0)＝0，将其带入到公式(1
‑
29)得到y轴上的距离和时间的函数关系为：对上式求导，可得y轴方向上的速度和时间函数变化关系：盘旋运动轨迹是阿基米德螺线，从高度Akm处到高度Ckm处，俯冲运动的终点S1(0,y1,A)
变为螺线运动的起点，而S2(x1,y1,104m)为螺线运动的终点，而z轴方向上依旧只受到空气阻力和重力的影响，俯冲运动终点的速度v
leader
(t1)成为盘旋运动的初速度，故下落速度和时间的函数关系为：对其积分后得到距离和时间的关系为：对其积分后得到距离和时间的关系为：在做阿基米德螺线运动时，其平面坐标方程为：y
leader
(t)＝A+(α+βω
leader
(t
‑
t1))cos(ω
leader
(t
‑
t1)) (1
‑
35)x
leader
(t)＝B+(α+βω
leader
(t
‑
t1))sin(ω
leader
(t
‑
t1)) (1
‑
36)式中，ω
leader
为恒定角速度，参数A、B、α决定了螺线的中心和起点位置，参数β决定曲线之间的距离，上式满足以下公式：式中，t
end
表示簇首节点做第二段运动结束的时间。2.一种基于群智协同的阿基米德螺线移动模型的构建方法，其特征在于：S1中簇首移动模型构建包括以下步骤：S11：根据网络层分簇路由协议对节点进行分簇，选出簇首节点和成员节点，假设簇n内包含了三个节点n0、n1和n2，其中，n0节点为簇首节点，n1和n2节点为成员节点，簇中任意两个节点如n1和n2的空间坐标可表示为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，根据公式(1
‑
1)可得簇内任意两个节点之间的距离d，公式(1
‑
1)为：S12：定义簇首...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，史飞洋，张一国，
申请(专利权)人：西安工程大学，
类型：发明
国别省市：