基于能效感知的無人機協助視頻數據傳輸探討

摘要：無人機作為一種新興的移動平臺，正越來越多地被應用于視頻數據的采集和傳輸，尤其是在無線網絡覆蓋不足或受限的環境中。然而，無人機的能源有限性對其持續工作時間和飛行距離產生了限制，這對視頻數據傳輸的能效提出了新的挑戰。因此，對基于能效感知的無人機協助的視頻數據傳輸進行詳細的分析，期望能夠為同行業者提供參考價值。

關鍵詞：能效感知；無人機協助；視頻數據傳輸；研究分析

一、前言

隨著無人機技術的快速發展，無人機已經從玩具和娛樂設備轉變為一種重要的移動平臺，被廣泛運用于各種應用場景，如航拍、災難救援、物流運輸等。其中，基于能效感知的無人機協助的視頻數據傳輸是一種新興的研究領域，旨在通過無人機的協助，提高視頻數據傳輸的能效和性能。所以本文對其進行的深入分析，具有重要的現實意義。

二、無人機在數據傳輸領域的應用

無人機在數據傳輸領域的應用越來越普遍。隨著技術的發展，無人機可以用于傳輸各種類型的數據，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。在災難發生時，無人機可以迅速飛往災區，并傳輸實時的圖像和視頻給救援人員，幫助他們了解災情，以便做出更好的決策。并且，無人機還可以將醫療設備和藥物送到受困地區，為傷者提供緊急救助。其次，無人機可以攜帶各種傳感器，監測農田的土壤水分、溫度和養分含量等信息。通過收集這些數據，農民可以更好地管理農田，提高農作物的產量和質量。此外，無人機還可以噴灑農藥和施肥，提供精確的農業服務。再次，無人機在電力和通信領域也發揮了重要的作用。無人機可以巡檢電力線路和塔桿，及時發現并修復電力設備的故障，確保供電的穩定性。同時，無人機還可以傳輸通信設備和信號，幫助建立臨時通信網絡，解決通信中斷的問題。

三、能效感知無人機輔助視頻數據傳輸策略

（一）無人機的能效感知調度策略

能效感知調度策略是實現無人機能源管理的關鍵。通過實時監測和評估無人機的能源消耗情況，以及視頻數據傳輸的需求，可以確定最佳的任務分配和調度策略。首先，根據不同任務的緊急程度和優先級，將任務分配給能效較高的無人機可以確保視頻數據能夠及時傳輸。通過考慮無人機的能效指標，如能耗、航程等，選擇能效較高的無人機來執行任務，進而降低能源消耗。其次，根據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。通過優化飛行路徑，選擇最短、最經濟的路徑，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，也能減少能源浪費[1]。

（二）無人機的飛行路徑與能源管理

路徑規劃算法在無人機飛行中的應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據傳輸的穩定性和質量。通過路徑規劃算法選擇最優的飛行路徑，無人機可以避免不必要的飛行距離和時間。在遇到多個目標點需要訪問時，路徑規劃算法可以合理安排飛行順序，避免重復飛行，從而減少能源消耗。這樣的優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。此外，合理控制無人機的姿態也是降低能源消耗的關鍵。通過優化飛行姿態，可以減少空氣阻力，進一步降低能源消耗。

（三）視頻數據編碼和傳輸策略

通過采用高效的視頻編碼算法和傳輸協議，可以降低無人機的能源消耗，提高視頻數據傳輸的效率和質量。首先，采用先進的視頻編碼算法，如H.265/HEVC，可以將視頻數據壓縮至更小的體積。這樣可以減少傳輸所需的能源，同時節省存儲空間。通過減小視頻數據體積，無人機可以更快速地傳輸視頻數據，降低傳輸延遲，提高實時性。其次，選擇適合無人機傳輸的傳輸協議也是降低能源消耗的關鍵。傳輸協議的選擇應考慮傳輸延遲、帶寬占用和穩定性等因素。UDP和RTMP等協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議，可以減少能源消耗，提高視頻數據傳輸的效率。最后，自適應傳輸策略也是降低能源消耗的重要手段。根據當前網絡環境和無人機的能源消耗情況，動態調整視頻數據的編碼質量和傳輸速率。同時，根據無人機的能源消耗情況，動態調整視頻數據的傳輸速率，以降低能源消耗。

（四）無線信號強度感知與調整

在無人機協助的視頻數據傳輸中，強信號通常意味著無線信道的質量較好，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更快的數據傳輸。弱信號下的傳輸速率和功率調整是為了保證數據傳輸的穩定性和可靠性。在無人機協助的視頻數據傳輸中，弱信號通常意味著無線信道的質量較差，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致數據傳輸的不穩定或丟失。因此，無人機需要通過感知無線信號強度，根據實際情況降低傳輸速率和功率，以保證數據傳輸的穩定性和可靠性。

在實際應用中，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。無人機根據接收到的信號強度信息，自動調整傳輸速率和功率。當信號強度較強時，無人機可以提高傳輸速率和功率；而當信號強度較弱時，無人機則降低傳輸速率和功率。這樣能夠實現對無線信號強度的實時感知和調整，從而保證數據傳輸的穩定性和效率[2]。

（五）數據傳輸優先級感知與調整

在基于能效感知的無人機協助的視頻數據傳輸中，數據傳輸的優先級感知與調整是非常重要的。首先，數據傳輸的優先級問題是基于視頻數據的內容和應用場景來確定的。例如，在無人機實時監控應用中，對于實時視頻數據的傳輸，由于其重要性和緊迫性，應該優先傳輸以確保實時監控的效果。而對于一些非實時監控或數據采集任務中的視頻數據，如圖像、日志等，可以根據實際需求來確定傳輸的優先級。其次，基于數據優先級感知的傳輸調度策略可以根據不同數據的優先級進行調整。在實時監控應用中，高優先級數據的實時傳輸是關鍵。因此，無人機可以將高優先級數據放在傳輸隊列的前面，優先傳輸；同時，可以采用更高的傳輸速率和功率，以確保數據的實時性和完整性。而對于低優先級數據，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。在實際應用中，可以通過設置數據的優先級標志或通過與地面站的通信協議來確定數據的優先級。無人機可以根據接收到的數據優先級信息，進行傳輸調度。通過使用優先級隊列或調度算法，根據數據的優先級來確定傳輸順序，靈活調整傳輸速率和功率。

四、基于能效感知的無人機協助的視頻數據傳輸算法設計及優化

（一）算法設計理念和步驟

1.需求方面分析

需要明確視頻數據傳輸的需求，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控制的限制。

2.算法選擇

根據需求分析的結果，選擇合適的算法來實現能效感知的無人機協助視頻數據傳輸。常見的算法包括路徑規劃算法、姿態控制算法、視頻編碼算法、傳輸協議選擇算法等[3]。

3.算法設計和實現

根據選擇的算法，設計具體的算法流程和邏輯，編寫相應的代碼實現，例如路徑規劃算法的應用，該算法的設計可以基于圖搜索算法或啟發式搜索算法如圖1所示。

4.優化和調試

對設計的算法進行優化和調試，以提高算法的性能和穩定性。可以通過參數調整、算法改進等方式來優化算法的效果。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）算法性能的優化方法

1.數據預處理

在視頻數據傳輸之前，進行數據預處理，降噪處理可以有效減少視頻數據中的噪聲和干擾。噪聲通常會增加視頻數據的體積和傳輸所需的帶寬，導致能源消耗增加。通過使用降噪算法，如均值濾波、中值濾波等，可以去除視頻數據中的噪聲，使數據更加清晰，減少數據量，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。視頻數據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，如幀間預測、運動估計等，可以識別和去除視頻數據中的冗余信息。這樣不僅可以減少視頻數據的體積，還可以降低傳輸延遲，從而減少能源消耗。

2.自適應傳輸策略

根據當前網絡環境和無人機的能源消耗情況，動態調整視頻數據的編碼質量和傳輸速率是降低能源消耗的重要策略。通過根據網絡帶寬和穩定性選擇合適的編碼比特率，可以在保證視頻質量的前提下，減小視頻數據的體積，降低傳輸所需的帶寬和能源消耗。同時，根據無人機的能源消耗情況，動態調整傳輸速率，可以避免能源過度消耗，延長無人機的續航時間。通過綜合考慮網絡環境和能源消耗情況，優化視頻編碼和傳輸策略，可以實現更高效和節能的視頻傳輸。

3.路徑規劃和姿態控制的優化

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

4.無線能量傳輸優化

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，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，從地面基站或者其他無人機獲取能量。算法需要優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的能源需求的同時，盡可能延長無人機的飛行時間。

（三）算法復雜性的分析

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

1.路徑規劃算法

常見的路徑規劃算法，如A*算法，時間復雜性通常與圖的大小相關。對于有V個頂點和E條邊的圖，A*算法的時間復雜性可以表示為O（V+E）。或者Bidirectional 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）。在實際應用中，還可以根據具體算法的優化策略，如使用優先隊列來加速搜索過程。

2.姿態控制算法

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

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。時間復雜性通常與視頻幀的數量和像素數目相關。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，具有不同的時間復雜性和壓縮效率。

4.傳輸協議選擇算法

傳輸協議選擇算法的時間復雜性通常與可選協議的數量和網絡條件相關。對于有N個可選協議的場景，傳輸協議選擇的時間復雜性可以表示為O（N）。這種算法通常會考慮網絡帶寬、延遲和穩定性等因素，選擇最適合的傳輸協議。除了時間復雜性，空間復雜性也是算法性能的重要指標。空間復雜性通常指算法所需的額外存儲空間，如數組、堆棧等。分析時間復雜性和空間復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、模擬實驗與結果分析

為了評估基于能效感知的無人機協助的視頻數據傳輸的性能，進行模擬實驗。

實驗的設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。設置了一個固定的基站，它的主要職能是向無人機發送視頻數據，并在無人機完成任務后接收其傳回的視頻數據。為了使實驗結果更具有代表性，模擬了各種不同的網絡環境和視頻數據類型，并嘗試了不同的傳輸策略。

實驗發現，在網絡環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，同時保證視頻數據傳輸的質量和穩定性。當網絡帶寬僅為1 Mbps時，視頻數據的傳輸速率為30 fps，此時無人機的能源消耗為100 W。然而，當傳輸速率降低到10 fps時，能源消耗即降低到50 W，相當于消耗減少了50%[5]。

在編碼技術方面，發現使用能量高效的編碼技術可以有效地降低視頻數據的大小，從而降低能源消耗。當使用H.265/HEVC編碼技術時，視頻數據大小比使用H.264/AVC編碼技術時減少了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。當無人機使用無線電能傳輸技術時，無人機的飛行時間可以延長20%。

通過以上實驗結果可以得出結論，基于能效感知的無人機協助的視頻數據傳輸技術可以有效地降低能源消耗，提高視頻數據傳輸的質量和穩定性。同時，通過使用高效的編碼技術和無線能量傳輸技術，可以進一步優化無人機的性能和效率，為未來的無人機應用提供了有力的數據支持。

六、結語

綜上所述，基于能效感知的無人機數據傳輸可以通過智能化調整傳輸參數和工作模式、利用能源管理和回收技術、優化路徑規劃和姿態控制等方式，降低能耗、提高能量利用效率。這種技術在能源節約、環境保護和無人機應用拓展等方面具有重要的意義和應用價值，將為無人機數據傳輸領域帶來更高的效益和發展潛力，推動無人機技術的進一步發展。

參考文獻

[1]王鈺寧，劉曉霞，胡云冰.基于能效感知的無人機協助的視頻數據傳輸[J].彈箭與制導學報，2021，41（06）：7-11.

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

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

[4]田龍過，郭瑜佳.5G時代催生短視頻與長視頻“雙引擎”發展新思路[J].中國廣播，2020（02）：38-40.

[5]劉沖.視頻新模式應用前景探析[J].花炮科技與市場，2020（01）：284-285.

作者單位：汕頭職業技術學院

責任編輯：王穎振 楊惠娟