用于移動機(jī)器人協(xié)作的自適應(yīng)無線數(shù)據(jù)分享方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及的是一種無線通信領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種用于移動機(jī)器人協(xié)作的自 適應(yīng)無線數(shù)據(jù)分享方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)器人協(xié)作工作，正在世界范圍顛覆著工業(yè)制造。不同于單個機(jī)器人按預(yù)定程序 執(zhí)行工作，協(xié)作的機(jī)器人像人類團(tuán)隊一樣協(xié)同工作，根據(jù)動態(tài)環(huán)境和其它機(jī)器人的實(shí)時情 況調(diào)整自身協(xié)作內(nèi)容，共同完成工作目標(biāo)。典型的機(jī)器人協(xié)作工作例如機(jī)器人足球隊。
[0003] 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人逐漸配置了各種功能強(qiáng)大的傳感器。為了優(yōu)化機(jī) 器人的協(xié)作工作的效率，提高安全性，優(yōu)化機(jī)器人之間的傳感器數(shù)據(jù)分享是至關(guān)重要的。在 機(jī)器人協(xié)作中的傳感器數(shù)據(jù)分享，由于其獨(dú)特的即時性和空間特性，和傳統(tǒng)的移動網(wǎng)絡(luò)中 的數(shù)據(jù)分享有所不同。即時性體現(xiàn)在:機(jī)器人協(xié)作時有即時數(shù)據(jù)的需求，即傳感器數(shù)據(jù)需要 實(shí)時地被分享?？臻g特性體現(xiàn)在:數(shù)據(jù)僅需要與近距離的機(jī)器人分享，因?yàn)閰f(xié)同工作時，與 遠(yuǎn)距離的機(jī)器人并沒有直接合作。
[0004] 在當(dāng)前的機(jī)器人協(xié)作的研究中，大多數(shù)直接采用了傳統(tǒng)的無線協(xié)議，例如基于 802.11的Wi-Fi協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)Zi濁ee協(xié)議，藍(lán)牙協(xié)議，及其自帶的自適應(yīng)控制技術(shù)等。運(yùn)些方法 往往需要較長時間的學(xué)習(xí)和自適應(yīng)過程，并不適用于機(jī)器人協(xié)作運(yùn)類高動態(tài)、高精準(zhǔn)要求 的場景。機(jī)器人通信領(lǐng)域處在高速發(fā)展階段，現(xiàn)有技術(shù)研究和發(fā)明主要服務(wù)于保證通信的 可連接性，減少能耗，最優(yōu)化命令傳輸?shù)饶繕?biāo)。然而，還沒有相關(guān)研究致力于提高機(jī)器人協(xié) 作中，傳感器數(shù)據(jù)分享的吞吐量。
[0005] 在其它移動網(wǎng)絡(luò)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和車載自組織網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器人協(xié)作有很大的相 似性。無線傳感網(wǎng)絡(luò)同樣需要互相分享收集到的傳感器數(shù)據(jù)，但是運(yùn)種分享是一種洪泛式 的，與機(jī)器人協(xié)作的空間特性一一只與近距離機(jī)器人分享的特性不同。車載自組織網(wǎng)絡(luò)也 是運(yùn)行在動態(tài)的環(huán)境中，但它的傳輸目標(biāo)是為了可靠傳輸安全信息，與機(jī)器人協(xié)作的目標(biāo) 不同。可見其它移動網(wǎng)絡(luò)中的通信技術(shù)，并不能直接運(yùn)用到協(xié)作機(jī)器人的傳感數(shù)據(jù)分享中， 來提高通信的吞吐量。
[0006] 經(jīng)過對現(xiàn)有相關(guān)領(lǐng)域的檢索，中國專利公開號CN104468685A，公開日2015.03.25， 公開了一種機(jī)器人數(shù)據(jù)共享的方法。所述方法包括:兩機(jī)器人在通信范圍內(nèi)進(jìn)行身份識別； 所述兩機(jī)器人比較各自的權(quán)限控制等級，確定權(quán)限控制等級高的為主機(jī)器人，權(quán)限控制等 級低的為從機(jī)器人;所述主機(jī)器人與所述從機(jī)器人進(jìn)行通信，確定需要共享的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并 進(jìn)行共享數(shù)據(jù)的傳輸。還公開了相應(yīng)一種機(jī)器人數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)，應(yīng)用本發(fā)明技術(shù)方案，能夠 使機(jī)器人在協(xié)作前進(jìn)行相互識別和數(shù)據(jù)共享，提高機(jī)器人協(xié)作的效率。但是該技術(shù)應(yīng)用的 情景是：在機(jī)器人進(jìn)行協(xié)作之前，需要預(yù)安裝一致或者相應(yīng)的程序數(shù)據(jù)，否則不能進(jìn)行協(xié) 作。為了提高協(xié)作效率，該技術(shù)可W在協(xié)作前進(jìn)行互相識別，W及對程序數(shù)據(jù)進(jìn)行一些共 享，但并不是針對協(xié)作過程中，實(shí)時數(shù)據(jù)地共享。
[0007] 中國專利公開號CN104320815A，公開日2014.10.27，公開了一種用于提高無線局 域網(wǎng)絡(luò)吞吐量的數(shù)據(jù)傳輸策略，包括(SlO)設(shè)定定時器時間T，并獲取所有終端的數(shù)據(jù)傳輸 速率，W此求得數(shù)據(jù)傳輸速率的平均值V; (S20)根據(jù)各終端的數(shù)據(jù)傳輸速率為其設(shè)定對應(yīng) 的時間片；（S30)針對各數(shù)據(jù)傳輸速率，確定相應(yīng)的可發(fā)送數(shù)據(jù)包配額值；（S40)按照可發(fā)送 數(shù)據(jù)包配額值傳送數(shù)據(jù)包。發(fā)明巧妙地采用了時間片作為多速率環(huán)境下的度量標(biāo)準(zhǔn)，為不 同速率的終端設(shè)置不同的時間片來調(diào)整其接入時間，為較高速率的終端分配更多的時間 片，體現(xiàn)高速率的優(yōu)越性，在不增加網(wǎng)絡(luò)突發(fā)性的情況下提升高速率終端的吞吐量，進(jìn)而提 高網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐量，其復(fù)雜度低，易于實(shí)現(xiàn)，也不會造成額外的硬件成本，具有廣泛的應(yīng) 用前景。盡管該方法在無線網(wǎng)絡(luò)中，確實(shí)可W提高傳感器數(shù)據(jù)通信的吞吐量。然而在機(jī)器人 協(xié)作的場景中，協(xié)作的機(jī)器人只需要將數(shù)據(jù)共享給他們的"鄰居"，該方法并沒有將運(yùn)個指 標(biāo)考慮在設(shè)計范圍內(nèi)，因此在機(jī)器人協(xié)作中，并不能達(dá)到很好的吞吐量提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對現(xiàn)有移動機(jī)器人協(xié)作時無線傳感數(shù)據(jù)共享的吞吐量的不足，提出一種 用于移動機(jī)器人協(xié)作的自適應(yīng)無線數(shù)據(jù)分享方法及系統(tǒng)，通過通信吞吐量的閉環(huán)反饋，聯(lián) 合調(diào)整數(shù)據(jù)包速率和傳輸功率，W達(dá)到最大化吞吐量的目的。
[0009] 本發(fā)明是通過W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0010] 本發(fā)明設(shè)及一種用于移動機(jī)器人協(xié)作的自適應(yīng)無線數(shù)據(jù)分享方法，根據(jù)自適應(yīng)控 制理論，得到多輸入單輸出控制模型中輸入和輸出之間的參數(shù)矩陣相互關(guān)系，然后對參數(shù) 矩陣相互關(guān)系采用低計算量開銷的遞推最小二乘法，得到輸入和輸出之間的動態(tài)相互關(guān) 系;根據(jù)該動態(tài)相互關(guān)系，將最大化吞吐量問題建模成最大化的優(yōu)化問題，從而得到下一個 時隙的最優(yōu)化輸入;最終根據(jù)信道的互易性，用本地機(jī)器人的吞吐量近似其附近機(jī)器人的 平均吞吐量，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)分享。
[OOW 所述的多輸入單輸出控制模型，選定輸入為u(k) =[山(k)U2(k)]T，其中：山是數(shù)據(jù) 包速率，U2是傳輸功率，k表示第k個時隙。
[0012] 所述的自適應(yīng)控制理論是指:選定吞吐量為y化），
[0013] y化）=Ai化)7化-1) + . . .+An化)}Kk-n)+B日化)u化-1) + . . .+Bn-I化)u化-n)+e化），其 中：4^1〇和町化)分別是關(guān)聯(lián)多輸入單輸出模型的參數(shù)矩陣，e化)是均值為零的同分布向 量。n是模型的階數(shù)。在計算機(jī)和通信系統(tǒng)中，n通常很小，并且可W離線獲得。
[0014] 所述的輸入和輸出之間的參數(shù)矩陣相互關(guān)系為X化）= [B0. . .Bn-lAl. . .An],其中： Aj化)和&化)是y化)中的參數(shù)矩陣。
[0015] 所述的輸入和輸出之間的動態(tài)相互關(guān)系是指：采用低計算開銷的遞推最小二乘 法，W得到動態(tài)的X化），它代表了輸入之間的相互關(guān)系W及輸入對輸出的影響。動態(tài)的X化） 由W下公式估算：
[0017] 4 (k) = [uT(k). . V(k-n+l)yT(k). . .yT(k-n+l)]T，其中:怎腳是X(k)的估算，￡化） 是估算誤差向量，P化)是協(xié)方差矩陣，A是遺忘系數(shù)，可通過大規(guī)模離線實(shí)驗(yàn)確定。
[0018] 所述的最大化的優(yōu)化問題是指：
[0019] 優(yōu)化目標(biāo):最大化E{y(k+1)}
[0020] 約束條件：I'，其中：E{.}是期望算子?？蒞由自適應(yīng)控制理論得到，Ui是 U、(Jc)EU,, 可取的數(shù)據(jù)包速率的集合，化是可取的傳輸功率的集合。由于集合化和化是有限集合，因此 應(yīng)用現(xiàn)有的捜索方法，可W得到最優(yōu)化輸出yopt化)和最優(yōu)化輸入UDPt化)。
[0021] 由于輸入的嚴(yán)重擺動會對其他機(jī)器人的決策和吞吐量造成不確定的影響，因此本 發(fā)明優(yōu)選通過平滑控制機(jī)制輔助消除運(yùn)種影響，具體為：當(dāng)Uopt(k)和U化-1)很相近:山。Pt 化)和山化-1)的變化在IHz內(nèi)，U2〇pt化)和化化-1)的變化在1地m內(nèi)，說明輸入的變化不是很 大，因此將UDPt化)直接設(shè)為最終控制法則，即下一個時隙的最優(yōu)化輸入;否則，利用平滑控 制機(jī)制，得到平滑控制法則：
其中:W是關(guān)于輸出偏差的半正定權(quán)重矩陣，Q是關(guān)于輸入變化的正定權(quán)重矩陣。將平滑控制 法則設(shè)為最終控制法則。
[0023] 所述的信道的互易性是指:一個機(jī)器人的吞吐量>''(幻和它附近機(jī)器人的平均吞吐 量y化)相似，因此可W用本地的吞吐量，來近似附近機(jī)器人的平均吞吐量。本地機(jī)器人的吞 吐量，通過在本地統(tǒng)計第k個時隙接收到總數(shù)據(jù)包數(shù)，即通過本地測量模塊獲得。
[0024] 本發(fā)明設(shè)及一種實(shí)現(xiàn)上述方法的系統(tǒng)，包括:在線訓(xùn)練模塊、最優(yōu)化控制模塊和本 地測量模塊，其中：本地測量模塊將測量得到的吞吐量信息，分別輸出至在線訓(xùn)練模塊和最 優(yōu)化控制模塊，在線訓(xùn)練模塊與最優(yōu)化控制模塊相連并輸出估算的關(guān)系矩陣，最優(yōu)化控制 模塊將最終控制法則作為下一個時隙的最優(yōu)化輸入分別輸出至在線控制模塊和無線設(shè)備。 所述的在線訓(xùn)練模塊為輕量級學(xué)習(xí)模塊，它訴諸于典型的多輸入單輸出控制模型，來表示 輸入和輸出之間的相互關(guān)系。 技術(shù)效果
[0025] 本發(fā)明直接適用于移動機(jī)器人協(xié)作的無線數(shù)據(jù)分享系統(tǒng)，其吞吐量和現(xiàn)有技術(shù)相 比有23%的提升。
【附圖說明】
[0026] 圖1為實(shí)施例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2為實(shí)施例機(jī)器人的示意圖；
[0028] 圖3為實(shí)施例中九個機(jī)器人協(xié)作時總吞吐量的累積分布曲線；
[0029] 圖4為不同的機(jī)器人分布密度下，各種性能的對比圖；
[0030] 圖中：a為通信吞吐量的對比圖，b為完成傳輸任務(wù)時間的對比圖，C為數(shù)據(jù)包成功 傳輸率的對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 本實(shí)施例基于一個由九個機(jī)器人組成的測試平臺，如圖2所示，每一個機(jī)器人包 括:一臺筆記本電腦、一個iRobot移動機(jī)器人和一個TelosB無線傳感器節(jié)點(diǎn)，其中：筆記本 是iRobot和TelosB的控制中屯、，內(nèi)置了本發(fā)明的自適應(yīng)通信系統(tǒng)，并且裝配了網(wǎng)絡(luò)攝像頭， 提供圖像數(shù)據(jù)。iRobot是根據(jù)筆記本指令移動的機(jī)器人，可W提供速度數(shù)據(jù)，并且裝配了一 個用來運(yùn)輸物體的叉子。TelosB是