[發明專利]一種基于邊緣計算的無人機目標追蹤功耗優化方法及系統

有效

• 申請號: 201910890001.0
• 申請日: 2019-09-20
• 公開（公告）號: CN110553629B
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發明（設計）人: 鄧曉衡;李君;李博
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01C11/00
• 分類號: G01C11/00;H04N7/18
• 代理公司: 長沙軒榮專利代理有限公司 43235
• 代理人: 葉碧蓮

本發明公開了一種基于邊緣計算的無人機目標追蹤功耗優化方法及系統，包括步驟：S1、設置無人機追蹤過程中視頻處理模式；S2、計算任務分配，通過同時考慮無人機發射功率的調整和邊緣節點的選擇機制為無人機選擇合適的發射功率和服務節點，最小化總開銷。相比于一般的使用固定的最大的無人機發射功率進行數據傳輸，本發明提出的算法同時考慮無人機發射功率的調整和邊緣節點的選擇方案，以最小化能耗成本和時間成本之間的權衡值，在保證正常追蹤的前提下，降低無人機的通信能耗。

技術領域

本發明屬于無人機目標追蹤領域，特別是涉及一種基于邊緣計算的無人機目標追蹤功耗優化方法及系統。

背景技術

邊緣計算作為一種新的計算模式，將計算資源推向靠近終端用戶的互聯網邊緣，以滿足物聯網(Internet of Things，IoT)等應用對高計算能力和低延遲的日益增長的需求，邊緣計算模型將計算任務分解并將其遷移到邊緣節點進行處理，以降低云計算數據中心的計算負載，降低傳輸延遲，從而達到降低能耗、提高移動設備服務時間的目的。

無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)是一類重要的機器人，隨著物聯網技術的發展和無人機性能的不斷提高，它已經被廣泛應用于各個方面，包括情報偵察、通信中繼、數據搜集、搜索救援和武裝打擊等。實踐表明，UAV是執行枯燥、惡劣或危險(Dull,Dirty,or Dangerous,3D)任務的最佳選擇。

與固定基礎設施的通信相比，無人機輔助的通信網絡更靈活，能帶來許多移動性額外增益，因此最近越來越多的人將無人機作為目標追蹤設備應用于許多場景，如追蹤空對空作戰中的高機動性空中目標，地面打擊任務對地面移動目標的跟蹤追蹤，城市事故中意外逃生車輛的追蹤等。移動目標追蹤是一個復雜和有挑戰性的問題，無人機在追蹤過程中不斷拍攝視頻，追蹤可疑目標，由于無人機計算資源的有限性，無法快速處理不斷產生的視頻流，通常考慮將視頻處理任務從無人機卸載到邊緣節點/服務器協同處理；然而無人機飛行推進的過程和卸載任務的過程都伴隨著能量的消耗，根據大疆官網發布的無人機產品數據可知，多數無人機在理想狀況下最大飛行時間為31分鐘左右，工作時長非常有限，因為其電池容量的局限性，無人機能耗問題一直是研究的熱點。

發明內容

本發明考慮一種情況，即在城市交通中，目標車輛試圖逃跑，而無人機用來追蹤逃跑的目標。在追蹤過程中，無人機上的攝像機連續捕獲高分辨率視頻，然后需要對視頻進行分析處理和目標檢測，以便無人機能夠及時做出調整實現追蹤。無人機的任務處理與反饋可以有兩種模式，第一種是無人機捕獲并存儲視頻，在本地執行其任務處理過程，直到無人機完成任務并返回結果。但是，使用計算和內存密集型DNN的圖像處理技術進行視頻流處理所需的硬件有一定重量，由于任務處理模塊的重量導致的無人機飛行過程中的能耗以及本地計算的能耗是不容忽視的。第二種模式是視頻從UAV卸載到地面服務器處理，該模式下減少了任務處理模塊的重量帶來的能量消耗，但是取而代之的是視頻數據傳輸過程中的能耗。

本發明根據多旋翼無人機知識手冊，推導了無人機的續航時間(續航時間反映能量消耗)與無人機重量之間的函數關系，并證明了就節能方面而言，第二種模式優于第一種模式。

然而，對于第二模式，即視頻被卸載到地面服務器進行處理，存在兩個關鍵問題。第一個是由于時延限制，在無人機目標追蹤過程中，需要盡快傳輸和處理連續捕獲的視頻，使無人機及時接收結果并做出相應調整以實現成功追蹤。傳統的通信方式是UAV將實時視頻上傳到云進行處理，這在任務計算速度是有益的，但是在諸如無人機目標追蹤的場景下，傳輸的延遲可能是不可接受的。第二個問題是由于無人機的電池能量有限，實時高分辨率視頻傳輸帶來的傳輸能耗是不容忽視的。