基于5G技術(shù)的多智能機器人應(yīng)用研究

◆盛春明

（深圳技師學(xué)院 廣東 518000）

1 概述

隨著人工智能的興起，機器人的應(yīng)用更加廣泛，多機器人的協(xié)同控制問題受到更多專家學(xué)者的關(guān)注。自適應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)具有解決不確定性問題的能力和自動耦合自適應(yīng)變化的特性，被廣泛應(yīng)用于解決多節(jié)點問題[1]。利用運動學(xué)軌跡跟蹤控制器實現(xiàn)路徑預(yù)測問題，由節(jié)點速度輸入和地理位置信息預(yù)測機器人位置信息的跟蹤控制問題得到了廣泛應(yīng)用。

新一代5G技術(shù)將使用新的技術(shù)概念來滿足隨處寬帶接入、高用戶使用和設(shè)備移動性以及大量設(shè)備以超可靠、實惠的方式進行鏈接的需求。引入自定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking，SDN）[2-3]和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）[3]技術(shù)，利用不斷成熟的云計算技術(shù)，來滿足這些高傳輸和低延遲要求，提供穩(wěn)定傳輸。

2 智能機器人基本功能

機器人在精細化生產(chǎn)方面具有很高的效率，大范圍應(yīng)用于汽車的自動裝配和其他零部件的制造。機器人還可以用來進行貨物運輸，部署機器人執(zhí)行瑣碎和重復(fù)的任務(wù)，減少出錯率，解放更多工人從事更有價值的工作[1]。大部分智能應(yīng)用機器人大致由通信模塊、移動模塊和執(zhí)行特定功能的各類傳感器模塊組成，通信模塊如表1所示。

表1 機器人通信模塊各模塊

QAM 映卷積編射√√√√碼√√√√Turbo 編碼√√循環(huán)冗余校驗（CRC）√√√

3 5G 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與機器人技術(shù)的結(jié)合促進了機器人技術(shù)的發(fā)展，也給機器人技術(shù)的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。由于當(dāng)前智能機器人系統(tǒng)在應(yīng)用方面發(fā)展不太成熟，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)操作者對機器人的計算機輔助遙控操作，是對智能機器人系統(tǒng)的一個很好的補充[4]。

在對機器人的無線模塊進行改裝，使其同時具備基站的收轉(zhuǎn)發(fā)功能和終端的接收功能。移動網(wǎng)絡(luò)的低延遲、自組織性和自動耦合性，可以在這一領(lǐng)域引入云計算和人工智能技術(shù)，實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)到機器人的連接，可以使用云計算技術(shù)找到機器人網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行任務(wù)的最佳方式，按需更新編程代碼，節(jié)省大量事先預(yù)設(shè)的人力和物力[1]。

非視距通信特別是遠距離通信當(dāng)中會遇到什么問題呢？首先是多徑的問題，因為非視距通信主要是依靠反射來進行信號的傳輸，在反射的過程中就會有多路信號相互疊加，這時候問題就來了，相互疊加的信號會相互影響，進而影響解調(diào)，同時無線傳輸所面臨的最大問題是信道的時變多徑衰落，克服多徑衰落主要用“微分集”來解決，這也是人們通常所說的分集技術(shù)[5]?？苟鄰剿ヂ溥€常用均衡技術(shù)和差錯控制編碼技術(shù)。均衡技術(shù)可以補償時分信道中由于多徑效應(yīng)而產(chǎn)生的碼間干擾。信道編碼是通過在發(fā)送信息時加入冗余的數(shù)據(jù)位來改善通信鏈路的性能[6]。一般情況下，在基站和移動臺之間不存在直射信號，此時接收到的信號是發(fā)射信號經(jīng)過若干次反射、繞射或散射后的疊加，而在某些空曠地區(qū)或基站天線較高時可能存在直線傳播路徑[7]。

無線部分技術(shù)規(guī)范的設(shè)計，主要是圍繞著5G 終端以及5G 基站來進行的。除了明確針對終端和基站的規(guī)范之外，還有關(guān)于5G 終端以及5G 基站之間的接口（NR）以及基站之間，基站內(nèi)部（CU 和DU 之間）各個接口（NG-RAN）相關(guān)的規(guī)范[8]，如圖1所示。

圖1 5G 通信系統(tǒng)接口規(guī)范

4 主要技術(shù)應(yīng)用

通過采用新的計算和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，創(chuàng)建一個通用的可組合核心，并簡化操作和管理。

4.1 自定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking，SDN）技術(shù)

當(dāng)前的SDN 架構(gòu)，要求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)元素存儲流量請求，直到控制器更新流量轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。布置超需求或者多個控制器可以解決控制器可用性的問題，提高對安全攻擊的恢復(fù)能力，但是多個控制器導(dǎo)致的轉(zhuǎn)發(fā)包的錯誤配置或系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)間信息傳輸?shù)年犃袥_突會降低網(wǎng)絡(luò)信息的穩(wěn)定傳輸和對各機器人的有效控制。

SDN 具有網(wǎng)絡(luò)的全局視圖、集中控制和網(wǎng)絡(luò)元素的可編程性，支持系統(tǒng)范圍內(nèi)各機器人一致化行動的策略，并通過從網(wǎng)絡(luò)資源、狀態(tài)和數(shù)據(jù)流中獲取各節(jié)點的運行情況來優(yōu)化系統(tǒng)資源配置。因此，SDN 架構(gòu)支持高度反應(yīng)性和前瞻性的流量分析和響應(yīng)系統(tǒng)，可以更好地保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和高效性。

4.2 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）技術(shù)

NFV 對未來的通信網(wǎng)絡(luò)非常重要，但它面臨著最基本的挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)劃分的最優(yōu)化，如完整性、真實性和不可否認性。從其在移動網(wǎng)絡(luò)中使用的角度來看，當(dāng)前的NFV 平臺沒有為虛擬化無線終端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供適當(dāng)?shù)膭澐謽藴省Ｊ褂肗FV，可以將核心網(wǎng)絡(luò)云的服務(wù)轉(zhuǎn)移到邊緣以滿足用戶需求。運行時需調(diào)配虛擬存儲片或資源，以滿足不斷增長的流量需求和不同網(wǎng)絡(luò)位置計算的需求。

4.3 云計算技術(shù)

云計算系統(tǒng)由用戶之間共享的各種資源組成，包括機器人位置信息和運算承載能力。多址邊緣計算（Multi-access Edge Computing，MEC）將云計算能力擴展到了移動網(wǎng)絡(luò)的邊緣，因此與傳統(tǒng)大型數(shù)據(jù)中心相比，可為邊緣主機提供更加便捷的信息獲取速度，最大化邊緣節(jié)點參與系統(tǒng)運算的效率。MEC 對開放應(yīng)用編程接口的需求主要是為系統(tǒng)應(yīng)用以及不同機器人節(jié)點的信息交互提供支持。

多址邊緣計算的主要優(yōu)點是在支持云的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境以及開放的應(yīng)用編程接口的背景下，控制人員通過這些開放的應(yīng)用編程接口向MEC 應(yīng)用程序和機器人終端發(fā)布指令和獲取信息[9]。在共享環(huán)境中，相同的基礎(chǔ)架構(gòu)在不同的參與者之間共享，例如虛擬機和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)終端。5G 網(wǎng)絡(luò)使用基于云的數(shù)據(jù)存儲和NFV 功能，弱化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的物理邊界。

云計算為機器人系統(tǒng)的數(shù)據(jù)維護、服務(wù)和應(yīng)用提供了一種有效的方式，它將技術(shù)上不同的系統(tǒng)整合到一個域中，在該域中可以部署多種服務(wù)，以實現(xiàn)更高程度的靈活性和可用性，同時降低數(shù)據(jù)傳輸和能量消耗。多址邊緣計算使用云計算的概念，將使網(wǎng)絡(luò)邊緣能夠處理用戶或事物附近的延遲敏感和上下線的感知應(yīng)用。

5 總結(jié)

通過智能機器人+5G 通信技術(shù)切實、精準應(yīng)用，滿足了機器人批量化智能化發(fā)展的需求，建立起低時延、高可靠、廣覆蓋的多機器人網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和更加智能化的應(yīng)用需求，同時也將移動通信、人工智能技術(shù)與機器人應(yīng)用深度融合，為各行業(yè)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型提供了有益實踐。本文對機器人的功能模塊進行了簡要闡述和分析，通過功能改造和模塊處理，基于5G技術(shù)對多機器人組成的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行功能虛擬化和自適應(yīng)控制分層，利用云計算技術(shù)的多址邊緣計算能力，有效優(yōu)化系統(tǒng)效率，降低機器人反應(yīng)時延，使其更適應(yīng)于工業(yè)化應(yīng)用。