【摘要】：無人機(jī)是上世紀(jì)20年代發(fā)展起來的一種無人駕駛飛行器,通常也稱為無人駕駛飛機(jī)或遙控飛機(jī)。由于其具有高機(jī)動(dòng)性、易部署和低成本等特點(diǎn),因此在過去幾十年中已經(jīng)具有了廣泛的應(yīng)用。無人機(jī)可以大致分為兩類,即固定翼和旋翼。固定翼無人機(jī)通常具有高速運(yùn)動(dòng)和載荷多的特點(diǎn),但是其必須時(shí)刻保持運(yùn)動(dòng)(即無法在空中懸停),因此不適用于部分近距離探查、搜索的場(chǎng)景。相比之下,旋翼無人機(jī)雖然具有有限的移動(dòng)速度和載荷,但是能夠隨時(shí)轉(zhuǎn)變方向且能在空中懸停。目前無人機(jī)在移動(dòng)邊緣計(jì)算中有了廣泛的應(yīng)用,如何降低無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)期間的能耗問題成為了新的挑戰(zhàn)。移動(dòng)邊緣計(jì)算被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)下一代互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù),如觸覺互聯(lián)網(wǎng)(具有毫秒級(jí)反應(yīng)時(shí)間)和物聯(lián)網(wǎng)。目前,無論是來自學(xué)術(shù)界還是工業(yè)界的研究人員都在嘗試通過追求移動(dòng)計(jì)算和無線通信兩個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)和理論的融合,積極地推動(dòng)移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)的發(fā)展。對(duì)于大批量的、難以及時(shí)計(jì)算完的數(shù)據(jù)可以利用無人機(jī)對(duì)閑置計(jì)算設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并輔助計(jì)算以達(dá)到充分利用閑置設(shè)備且快速處理完數(shù)據(jù)的任務(wù)。這對(duì)計(jì)算能力要求特別高的軍隊(duì)、民間等應(yīng)用具有著重要的理論和實(shí)際意義,因此很有必要對(duì)此方面的研究開展工作。本文首先研究了利用旋翼無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸這一應(yīng)用,目的是在一系列實(shí)際環(huán)境的約束下,通過優(yōu)化無人機(jī)的飛行軌跡、傳輸功率以及數(shù)據(jù)卸載率,以盡量減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的能量消耗。為了達(dá)到這一目的,本文對(duì)問題進(jìn)行了建模,由于模型中存在無窮多個(gè)優(yōu)化變量且部分約束是非凸的,因此難以直接利用凸優(yōu)化技術(shù)求解。所以本文利用離散狀態(tài)空間近似技術(shù)和線性化技術(shù)對(duì)問題做近似處理,提出了一種基于凹凸過程的算法。數(shù)值仿真結(jié)果顯示,本文設(shè)計(jì)的算法取得了較高的性能增益。本文進(jìn)一步地結(jié)合了固定翼無人機(jī)與移動(dòng)邊緣計(jì)算。在一系列實(shí)際環(huán)境的約束下,本文通過優(yōu)化固定翼無人機(jī)的飛行軌跡、速度、加速度和數(shù)據(jù)卸載率以及CPU(Central Processing Unit)的周期頻率以使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗最小化。為了達(dá)到這一目的,本文首先推導(dǎo)出了數(shù)據(jù)計(jì)算的能耗模型,然后結(jié)合了數(shù)據(jù)傳輸能耗模型和固定翼無人機(jī)的飛行能耗模型,最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行了建模。由于目標(biāo)函數(shù)中存在連續(xù)的、耦合的優(yōu)化變量且難以判斷凹凸性等問題,使得問題難以直接求解。所以本文首先對(duì)優(yōu)化問題進(jìn)行離散化,其次導(dǎo)出目標(biāo)函數(shù)的上界并對(duì)耦合的優(yōu)化變量進(jìn)行解耦合,接著線性化非凸約束,最后提出了一種基于凹凸過程的算法。數(shù)值仿真結(jié)果表明,該方法相對(duì)于未優(yōu)化時(shí)的網(wǎng)絡(luò)取得了較高的性能增益。
【圖文】：

量?jī)?yōu)點(diǎn)使其成為了輔助無線通信的一個(gè)非常有前途的方向。以下列舉出了無人機(jī)輔助無線通逡逑信的三種典型用例ｎ］，，下面將對(duì)其進(jìn)行分別討論。逡逑（１）無人機(jī)輔助無線通信：如圖１．１所示，該應(yīng)用的主要目的是部署無人機(jī)用于協(xié)助現(xiàn)逡逑有的通信基礎(chǔ)設(shè)施（如果有的話）在服務(wù)區(qū)域內(nèi)提供無縫的無線覆蓋。兩個(gè)典型的使用場(chǎng)景逡逑為：其一，在自然災(zāi)害導(dǎo)致的部分或完全基礎(chǔ)設(shè)施損壞情況下的通信恢復(fù)；其二，在非常擁逡逑１逡逑

圖１．３無人機(jī)輔助信息傳播或電力傳輸逡逑將來，按照摩爾定律世界各地將部署數(shù)百億臺(tái)邊緣設(shè)備，它們的處理器數(shù)量快并聯(lián)合在網(wǎng)絡(luò)邊緣分布的大量空閑的計(jì)算設(shè)備可以提供非常強(qiáng)的的計(jì)算能力，可以用于移動(dòng)設(shè)備上來執(zhí)行計(jì)算密集型或數(shù)據(jù)延遲容忍型的關(guān)鍵任務(wù)，這種新為移動(dòng)邊緣計(jì)算。移動(dòng)邊緣計(jì)算被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)下一代互聯(lián)網(wǎng)各種愿景的關(guān)覺互聯(lián)網(wǎng)［６］（具有毫秒級(jí)反應(yīng)時(shí)間）和物聯(lián)網(wǎng)［７］。目前，無論是來自學(xué)術(shù)界還是人員都在嘗試通過追求移動(dòng)計(jì)算和無線通信兩個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)和理論的融合，積邊緣計(jì)算技術(shù)的發(fā)展。逡逑以上討論的無人機(jī)應(yīng)用的三個(gè)方向，無人機(jī)在移動(dòng)邊緣計(jì)算系統(tǒng)中的應(yīng)用越來了人們的廣泛關(guān)注。無人機(jī)可以用于輔助數(shù)據(jù)傳輸，而移動(dòng)邊緣計(jì)算可以調(diào)集算能力進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。顯而易見，對(duì)于大批量的、難以及時(shí)計(jì)算完成的數(shù)據(jù)可對(duì)閑置計(jì)算設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并輔助計(jì)算以達(dá)到充分利用閑置設(shè)備且快速處理。這對(duì)計(jì)算能力要求特別高的軍隊(duì)、民間等應(yīng)用具有著重要的理論和實(shí)際意義，要對(duì)此方面的研究開展工作。逡逑
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V279;TP393.09;TN929.5

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本文編號(hào)：2680396