基于边缘信息枢纽的机器通信网络中的资源调配方法

本公开涉及控制，尤其涉及一种基于边缘信息枢纽的机器通信网络中的资源调配方法。

背景技术：

1、在应急救灾过程中，可以利用机器人来代替人类在复杂、危险或难以进入的环境中执行搜寻、救援、搬运等任务，从而提高灾害救援的效率以及安全性。考虑到单个机器人的各种能力都受限，特别是在应急救灾时可能面临的高温、高辐射等极端环境下，机器人的机载电脑的电子元件可能被破坏。因此，机器人需要依赖外部设备来协助它们进行各种任务。

2、考虑到机器人的智能以及感知能力均有限，因此为机器人服务的外部设备需要有感知、通信、计算能力，以帮助机器人收集环境信息、分析信息、做出决策，并下发控制命令给机器人。上述设备能够汇总信息、处理信息、下发信息，是信息交汇的枢纽，可称为边缘信息枢纽。该边缘信息枢纽需要集成传感器、移动边缘计算服务器、通信模块，以实现机器人所需的各种功能。

3、考虑到灾区缺乏地面基础设施，为了使得边缘信息枢纽能够迅速部署，按需服务应急救援机器人，可以将其部署在灵活机动的无人机上。此外，无人机的载荷和飞行时间有限，边缘信息枢纽的算力通常有限，可以利用卫星来帮助边缘信息枢纽回传数据到远程的云计算中心。边缘信息枢纽、无人机、卫星，共同构成了服务于应急救援机器人的机器网络。

4、受限于无人机的有限的载荷以及飞行时间，边缘信息枢纽上的通信和计算资源也往往受限。当服务于多个机器人时，如何合理分配边缘信息枢纽上有限的通信以及计算资源，以保障机器人更高效地完成任务，是本发明技术主要解决的问题。

技术实现思路

1、本公开提供一种基于边缘信息枢纽的机器通信网络中的资源调配方法，以解决上述技术问题。

2、根据本公开的第一方面，提供一种基于边缘信息枢纽的机器通信网络中的资源调配方法，所述方法包括：

3、获取控制性能数据最小时所述机器通信网络的边缘信息枢纽的资源调配数据；所述控制性能数据包括机器通信网络中的各个环路的性能数据。

4、可选地，获取控制性能数据最小时所述机器通信网络的边缘信息枢纽的资源调配数据，包括获取机器通信网络中的各个环路的控制性能数据的步骤，具体包括：

5、获取机器人的控制模型的状态转移矩阵、控制矩阵和协方差矩阵；所述机器通信网络包括多个机器人；

6、获取所述边缘信息枢纽的感知模型的已知观测矩阵；所述感知模型用于表示所述边缘信息枢纽中的各个传感器感知控制对象状态的感知过程；

7、根据所述状态转移矩阵、所述控制矩阵、所述已知观测矩阵和所述协方差矩阵获取预设参数模型的预设参数数据；

8、根据所述机器通信网络的控制性能模型和所述预设参数数据获取各个环路的控制性能数据的下界值。

9、可选地，根据所述机器通信网络的控制性能模型和所述预设参数数据获取各个环路的控制性能数据的下界值，包括：

10、获取所述协方差矩阵和所述预设参数数据中第一参数矩阵的乘积的迹，得到第一矩阵迹；

11、获取所述协方差矩阵、所述状态转移矩阵的转置矩阵、所述预设参数数据中的第二参数矩阵和所述状态转移矩阵的乘积的迹，得到第二矩阵迹；

12、获取所述第一矩阵迹和所述第二矩阵迹的和，得到各个环路的控制性能的最小值，作为所述控制性能数据的下界值。

13、可选地，各个环路的控制性能数据的下界值采用下式表示：

14、

15、式中，tr()表示矩阵的迹，ak表示状态转移矩阵，表示所述状态转移矩阵ak的转置矩阵，mk表示预设参数数据中的第二参数矩阵，表示机器人控制模型的控制过程噪声的协方差矩阵，sk表示预设参数数据中的第一参数矩阵。

16、可选地，获取控制性能数据最小时所述机器通信网络的边缘信息枢纽的资源调配数据，包括：

17、获取所述机器通信网络中的各个环路的控制对象的内禀熵率；所述内禀熵率用于表示所述机器通信网络中每个控制周期内部信息熵的增长量；

18、根据各个环路的内禀熵率、所述预设参数数据中的第二参数矩阵、所述预设参数数据中的第三参数矩阵和所述控制性能数据获取各个环路在每个控制周期的最小信息传输量；

19、获取所述机器通信网络的目标参数；所述目标参数包括以下至少一种：边缘信息枢纽分配给各个机器人的可达速率、分配给各个机器人的传输功率、分配给各个环路的算力、分配给各个环路的卫星回传速率、各个环路所用耗时和各个环路在每个控制周期的信息传输量；

20、获取目标参数和所述最小信息传输量满足所述机器通信网络的约束模型时所述机器通信网络的控制性能数据，获取到所述控制性能数据的最小值。

21、可选地，所述机器通信网络的约束模型包括以下至少一项：

22、分配给所有环路的传输功率之和小于或等于所述边缘信息枢纽的最大传输功率；

23、分配给所有环路的算力之和小于或等于所述边缘信息枢纽的最大算力；

24、分配给所有机器人的可达速率之和小于或等于所述边缘信息枢纽的最大卫星回传速率；

25、每个环路的所用耗时小于或等于环路周期；

26、各个环路每个周期的信息传输量大于或等于最小信息传输量。

27、可选地，所述机器通信网络的控制模型包括目标函数和约束模型，如下式所示：

28、

29、式中，p＝[p1,p2,...,pk]表示传输功率分配方案，pk表示边缘信息枢纽分配给第k个环路的传输功率；r＝[r1,r2,...,rk]表示回传速率分配方案，rk表示边缘信息枢纽分配给第k个环路的卫星回传速率；f＝[f1,f2,...,fk]表示算力分配方案，fk表示边缘信息枢纽分配给第k个环路的算力；l＝[l1,l2,...,lk]表示各个环路的lqr代价；表示各个环路用于传输控制指令的时间；表示第k个环路中计算总时延的最小值；fmax表示边缘信息枢纽的最大算力；表示最大卫星回传速率；hk表示各个环路的控制对象的内禀熵率；b为每个子信道的带宽。

30、可选地，获取目标参数和所述最小信息传输量满足所述机器通信网络的约束模型时所述机器通信网络的控制性能数据，获取到所述控制性能数据的最小值，包括：

31、分别初始化所述机器通信网络的算力向量和卫星回传速率向量，并将获取到算力初始向量和卫星回传速率初始向量分别赋值给算力参数向量和卫星回传速率参数向量；

32、根据所述目标参数、所述最小信息传输量、所述算力参数向量和所述卫星回传速率参数向量，获取所述控制系统的优化约束模型的最优解和当前控制性能数据；所述优化约束模型是指对所述控制系统的约束模型进行近似处理得到；

33、将所述优化约束模型的最优解中的算力率优解和卫星回传速率最优解赋值给所述算力参数向量和所述卫星回传速率参数向量；

34、获取所述当前控制性能数据与前一性能数据的性能变化率；

35、当所述性能变化率大于或等于预设收敛阈值时，继续执行根据所述目标参数、所述最小信息传输量、所述算力参数向量和所述卫星回传速率参数向量，获取所述控制系统的优化约束模型的最优解和当前控制性能数据的步骤；

36、当所述性能变化率大于或等于所述预设收敛阈值时，获取到所述控制性能数据的最小值。

37、可选地，所述机器通信网络的控制模型包括目标函数和优化约束模型，如下式所示：

38、

39、式中，p＝[p1,p2,...,pk]表示传输功率分配方案，pk表示边缘信息枢纽分配给第k个环路的传输功率；r＝[r1,r2,...,rk]表示回传速率分配方案，rk表示边缘信息枢纽分配给第k个环路的卫星回传速率；f＝[f1,f2,...,fk]表示算力分配方案，fk表示边缘信息枢纽分配给第k个环路的算力；l＝[l1,l2,...,lk]表示各个环路的lqr代价；表示各个环路用于传输控制指令的时间；表示第k个环路中计算总时延的最小值，的近似函数fmax表示边缘信息枢纽的最大算力；表示最大卫星回传速率；hk表示各个环路的控制对象的内禀熵率；b为每个子信道的带宽。

40、根据本公开的第二方面，提供一种资源调配装置，所述装置包括：

41、调配数据获取模块，用于获取控制性能数据最小时所述机器通信网络的边缘信息枢纽的资源调配数据；所述控制性能数据包括机器通信网络中的各个环路的性能数据。

42、可选地，所述性能数据获取模块包括：

43、模型参数获取子模块，用于获取机器人的控制模型的状态转移矩阵、控制矩阵和协方差矩阵；所述机器通信网络包括多个机器人；

44、观测矩阵获取子模块，用于获取所述边缘信息枢纽的感知模型的已知观测矩阵；所述感知模型用于表示所述边缘信息枢纽中的各个传感器感知控制对象状态的感知过程；

45、预设参数获取子模块，用于根据所述状态转移矩阵、所述控制矩阵、所述已知观测矩阵和所述协方差矩阵获取预设参数模型的预设参数数据；

46、性能数据获取子模块，用于根据所述机器通信网络的控制性能模型和所述预设参数数据获取各个环路的控制性能数据的下界值。

47、可选地，所述性能数据获取子模块包括：

48、第一矩阵迹获取单元，用于获取所述协方差矩阵和所述预设参数数据中第一参数矩阵的乘积的迹，得到第一矩阵迹；

49、第二矩阵迹获取单元，用于获取所述协方差矩阵、所述状态转移矩阵的转置矩阵、所述预设参数数据中的第二参数矩阵和所述状态转移矩阵的乘积的迹，得到第二矩阵迹；

50、性能数据获取单元，用于获取所述第一矩阵迹和所述第二矩阵迹的和，得到各个环路的控制性能的最小值，作为所述控制性能数据的下界值。

51、可选地，各个环路的控制性能数据的下界值采用下式表示：

52、

53、式中，tr()表示矩阵的迹，ak表示状态转移矩阵，表示所述状态转移矩阵ak的转置矩阵，mk表示预设参数数据中的第二参数矩阵，表示机器人控制模型的控制过程噪声的协方差矩阵，sk表示预设参数数据中的第一参数矩阵。

54、可选地，所述调配数据获取模块包括：

55、内禀熵率获取子模块，用于获取所述机器通信网络中的各个环路的控制对象的内禀熵率；所述内禀熵率用于表示所述机器通信网络中每个控制周期内部信息熵的增长量；

56、最小传输量获取子模块，用于根据各个环路的内禀熵率、所述预设参数数据中的第二参数矩阵、所述预设参数数据中的第三参数矩阵和所述控制性能数据获取各个环路在每个控制周期的最小信息传输量；

57、目标参数获取子模块，用于获取所述机器通信网络的目标参数；所述目标参数包括以下至少一种：边缘信息枢纽分配给各个机器人的可达速率、分配给各个机器人的传输功率、分配给各个环路的算力、分配给各个环路的卫星回传速率、各个环路所用耗时和各个环路在每个控制周期的信息传输量；

58、最小性能获取子模块，用于获取目标参数和所述最小信息传输量满足所述机器通信网络的约束模型时所述机器通信网络的控制性能数据，获取到所述控制性能数据的最小值。

59、可选地，所述机器通信网络的约束模型包括以下至少一项：

60、分配给所有环路的传输功率之和小于或等于所述边缘信息枢纽的最大传输功率；

61、分配给所有环路的算力之和小于或等于所述边缘信息枢纽的最大算力；

62、分配给所有机器人的可达速率之和小于或等于所述边缘信息枢纽的最大卫星回传速率；

63、每个环路的所用耗时小于或等于环路周期；

64、各个环路每个周期的信息传输量大于或等于最小信息传输量。

65、可选地，所述机器通信网络的控制模型包括目标函数和约束模型，如下式所示：

66、

67、式中，p＝[p1,p2,...,pk]表示传输功率分配方案，pk表示边缘信息枢纽分配给第k个环路的传输功率；r＝[r1,r2,...,rk]表示回传速率分配方案，rk表示边缘信息枢纽分配给第k个环路的卫星回传速率；f＝[f1,f2,...,fk]表示算力分配方案，fk表示边缘信息枢纽分配给第k个环路的算力；l＝[l1,l2,...,lk]表示各个环路的lqr代价；表示各个环路用于传输控制指令的时间；表示第k个环路中计算总时延的最小值；fmax表示边缘信息枢纽的最大算力；表示最大卫星回传速率；hk表示各个环路的控制对象的内禀熵率；b为每个子信道的带宽。

68、可选地，所述最小性能获取子模块包括：

69、参数矩阵获取单元，用于分别初始化所述机器通信网络的算力向量和卫星回传速率向量，并将获取到算力初始向量和卫星回传速率初始向量分别赋值给算力参数向量和卫星回传速率参数向量；

70、性能数据获取单元，用于根据所述目标参数、所述最小信息传输量、所述算力参数向量和所述卫星回传速率参数向量，获取所述控制系统的优化约束模型的最优解和当前控制性能数据；所述优化约束模型是指对所述控制系统的约束模型进行近似处理得到；

71、参数矩阵更新单元，用于将所述优化约束模型的最优解中的算力率优解和卫星回传速率最优解赋值给所述算力参数向量和所述卫星回传速率参数向量；

72、变化率获取单元，用于获取所述当前控制性能数据与前一性能数据的性能变化率；

73、第一判断单元，用于在所述性能变化率大于或等于预设收敛阈值时，触发所述参数矩阵更新单元；以使所述参数矩阵更新单元继续执行根据所述目标参数、所述最小信息传输量、所述算力参数向量和所述卫星回传速率参数向量，获取所述控制系统的优化约束模型的最优解和当前控制性能数据的步骤；

74、最小值确定单元，用于在所述性能变化率大于或等于所述预设收敛阈值时，获取到所述控制性能数据的最小值。

75、可选地，所述机器通信网络的控制模型包括目标函数和优化约束模型，如下式所示：

76、

77、式中，p＝[p1,p2,...,pk]表示传输功率分配方案，pk表示边缘信息枢纽分配给第k个环路的传输功率；r＝[r1,r2,...,rk]表示回传速率分配方案，rk表示边缘信息枢纽分配给第k个环路的卫星回传速率；f＝[f1,f2,...,fk]表示算力分配方案，fk表示边缘信息枢纽分配给第k个环路的算力；l＝[l1,l2,...,lk]表示各个环路的lqr代价；表示各个环路用于传输控制指令的时间；表示第k个环路中计算总时延的最小值，的近似函数fmax表示边缘信息枢纽的最大算力；表示最大卫星回传速率；hk表示各个环路的控制对象的内禀熵率；b为每个子信道的带宽。

78、根据本公开的第三方面，提供一种边缘信息枢纽，包括处理器和存储器；

79、至少一个传感器、通信设备、运输载具、处理器和存储器；

80、所述存储器用于存储所述处理器可执行的计算机程序；

81、所述至少一个传感器用于感知控制对象状态并传输给所述处理器；

82、所述通信设备用于与机器人和/或云端通信连接；

83、所述处理器、所述存储器、所述至少一个传感器和所述通信设备搭载在所述运输载具之上；

84、其中，所述处理器用于执行所述存储器中的计算机程序，以实现如第一方面任一项所述的方法。

85、本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

86、本实施例提供的资源调配方法，可以获取控制性能数据最小时所述机器通信网络的边缘信息枢纽的资源调配数据；所述控制性能数据包括机器通信网络中的各个环路的性能数据。这样，本实施例中引入边缘信息枢纽为服务机器人，并且通过各个环路的控制性能数据来调配不同环路的资源，达到在资源有限的情况下提高机器通信网络的资源调配效率和总体控制性能，以最大化机器作业性能。

87、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。