[发明专利]用于空气污染检测的无人机系统

说明书

用于空气污染检测的无人机系统，包括云服务器端，包括云服务器，云服务器进行实时污染数据分析和模型的训练以及调度策略的制定；移动服务器端，包括移动边缘服务器，移动边缘服务器利用其移动能力为计算资源不充足区域提供计算卸载和无线信号覆盖范围通信服务；边缘节点端，包括边缘节点，边缘节点对原始污染数据进行预处理操作和将数据传输按调度策略分别传输到指定的层计算资源，层计算资源包括边缘节点层、云服务器层和以无人机为载体的移动边缘服务器层。本申请使用配备边缘服务器的无人机在布满污染检测节点的场地中执行任务，综合考虑充分利用无人机的计算能力、移动能力和基于无线信号衰减的通信能力，高效利用多层架构的资源。

技术领域

本发明涉及机器人的技术领域，尤其涉及用于空气污染检测的无人机系统。

背景技术

随着自然资源的不断开发和利用，环境污染的危害也越发显露，由此引发的自然灾害逐渐增多。基于对人类生存环境和对未来经济发展的保护，要建立完善的环境和保护的机制。环境监测技术是利用科学的检测方法和手段，明确污染的准确情况，为污染治理工作提供可靠的依据以及能够较为准确的预计污染物的变化趋势，是环保工作落实的不可缺少的重要部分。

为获得全面的环境数据，例如空气污染、土壤环境污染、河流污染、噪音污染等，需要在检测的区域部署大量带有全球定位系统(GPS)和对应污染检测传感器的设备。这些设备的广泛使用建立在部署大量传感器和边缘污染区域检测设备的基础上。一方面在污染产生的边缘端产生了大量计算任务，而这些设备的计算能力和能耗却受到极大的限制。此外，边缘污染区域检测终端节点群上计算任务分布不均匀造成本地计算资源无法适应任务处理需求。有限的计算资源和电能使边缘污染区域检测设备节点难以持续执行大量数据处理任务。另一方面这些传感器数据需要上传到云中心集中处理。但是这些设备因为部署范围之广、环境之恶劣，固定服务器无法利用移动性来接近边缘端设备，从而进一步降低设备的等待时间和能耗，需要建立网络连接来上传检测数据。针对传感器设备计算能力弱的问题，边缘计算(Edge Computing)被我们应用到环境污染检测中，在污染数据产生源头附近，边缘计算利用本地计算资源和边缘计算资源来执行传感器数据处理任务，以满足这些数据处理应用在计算、延迟和能耗等方面的需求。针对该种环境下的网络连接，我们使用移动边缘环境下配备计算和通信资源的无人机移动边缘服务器提供边缘区域污染检测设备的数据上传和任务卸载服务。移动环境下边缘服务器的众多研究中主要考虑将边缘计算节点部署在无人机、蜂窝塔、路边单元(RSUs)以及具有网络连接的自动驾驶车辆中。其中，无人机在大量领域得到了广泛的使用，例如农业生产、自然或人为灾害监测。由于高机动性，无人飞行器(UAV)通过搭载多种计算或通信资源，被极大地扩展了计算和通信的能力。通过将无人机作中继器，可以链接两个通信通道断开的用户，这提供了一种新方法来帮助本地计算资源受限用户访问远程资源；另一方面通过将数据卸载到移动边缘服务器节点可以显著改善延迟性能，然而需要考虑当通过无线网络传输数据时，增加的无线网络频谱资源的负担，数据卸载期间通信需求的急剧增加对机载网络的通信资源提出了巨大的挑战。

针对移动边缘计算下的污染数据处理，污染数据上传和调度策略的执行，需要针对特定计算资源，设计高效的无人机和任务分配调度策略，以保障环境污染治理的及时性，提高环境保护的效率和收效，及时提出实时的监测数据以便于有关部门进行环境保护的提前治理。

例如有研究无人机完全自主飞行，自适应计算机数据管道在边缘计算上对无人机实现动态和指定任务优化；研究表明，相对于本地计算，将计算任务卸载到边缘或是地面基站的混合计算卸载，其任务执行的整体性能会更好，同时还保证了任务卸载时间和能源消耗的平衡。即计算任务一部分被卸载到无人机等服务器，一部分在本地处理。然而这些研究工作未能考虑综合利用无人机的计算能力、移动能力和基于无线信号衰减的多边缘节点通信覆盖能力，不能高效利用多层架构的资源。

现在针对无人机服务器的研究主要包括作为通信的数据传输中继及计算卸载的小型执行单元两个方面：