室外環(huán)境移動(dòng)機(jī)器人效能最優(yōu)化研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)、控制理論及人工智能等技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人在現(xiàn)代社會(huì)的軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和家庭服務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求日益增加，其工作空間也從簡(jiǎn)單的室內(nèi)環(huán)境延伸至空中、水下和特殊地形等復(fù)雜的室外環(huán)境。現(xiàn)實(shí)中廣泛存在一類在室外大尺度地面環(huán)境工作的移動(dòng)機(jī)器人，其需要長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)地執(zhí)行任務(wù)，并頻繁地被命令前往單個(gè)或多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)執(zhí)行特定任務(wù)，如變電站巡檢機(jī)器人、工廠的貨物搬運(yùn)機(jī)器人和野外偵查機(jī)器人等等。受此類應(yīng)用的長(zhǎng)期性和持續(xù)性特點(diǎn)的影響，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器

2、人效能最優(yōu)化成為實(shí)際應(yīng)用所追求的一個(gè)重要目標(biāo)。因此，本文針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人效能最優(yōu)化問題展開深入研究。
　　論文研究工作包括移動(dòng)機(jī)器人效能最優(yōu)的表征方法和實(shí)現(xiàn)效能最優(yōu)化的方法研究?jī)刹糠?。首先，討論影響效能的重要因素即能量消耗，建立能耗模型，并在此基礎(chǔ)上探討表征移動(dòng)機(jī)器人效能的本質(zhì)因素，提出閑置時(shí)間模型。其次，基于能耗和閑置時(shí)間模型，結(jié)合移動(dòng)機(jī)器人訪問多目標(biāo)點(diǎn)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)的問題，分別針對(duì)單個(gè)移動(dòng)機(jī)器人和多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，通過最優(yōu)路徑規(guī)劃

3、和最優(yōu)任務(wù)分配途徑研究實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人（系統(tǒng)）效能最優(yōu)化的方法。論文的創(chuàng)新性研究主要包括以下四個(gè)方面：
　?、籴槍?duì)室外環(huán)境道路的多個(gè)屬性，建立移動(dòng)機(jī)器人能耗模型。能耗是影響效能的重要因素，當(dāng)前關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的能耗分析，主要針對(duì)室內(nèi)環(huán)境展開，對(duì)于室外環(huán)境情形僅討論了運(yùn)動(dòng)部分耗能。因此，論文在分析復(fù)雜室外環(huán)境道路的多屬性，包括路徑長(zhǎng)度、路面粗糙度和坡度的基礎(chǔ)上，全面分析移動(dòng)機(jī)器人的能量消耗情況，重點(diǎn)討論移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的能耗，建立移動(dòng)

4、機(jī)器人總能耗模型。
　?、谠谀芎哪Ｐ突A(chǔ)上，進(jìn)一步提出移動(dòng)機(jī)器人閑置時(shí)間模型，表征移動(dòng)機(jī)器人效能。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作的移動(dòng)機(jī)器人，最優(yōu)化效能的實(shí)質(zhì)是最大化可用于開展工作的時(shí)間量。因此，論文從工作時(shí)間的對(duì)立角度提出表征移動(dòng)機(jī)器人效能的本質(zhì)因素——閑置時(shí)間（即非工作時(shí)間），包括充電時(shí)間和故障修復(fù)時(shí)間兩部分。故障修復(fù)時(shí)間是通過考慮道路多屬性引起移動(dòng)機(jī)器人振動(dòng)的影響程度計(jì)算得到，再結(jié)合能耗引起的充電時(shí)間，最終融合為閑置時(shí)間。因此，最小化閑

5、置時(shí)間體現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人效能的最優(yōu)化。
　?、刍谀芎募s束和最少閑置時(shí)間目標(biāo)，提出基于改進(jìn)遺傳算法的最優(yōu)路徑規(guī)劃算法，為單個(gè)移動(dòng)機(jī)器人訪問多目標(biāo)點(diǎn)任務(wù)規(guī)劃最優(yōu)路徑，實(shí)現(xiàn)效能最優(yōu)化。移動(dòng)機(jī)器人在工作過程中時(shí)常被命令前往多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)執(zhí)行特定任務(wù)，該問題中，移動(dòng)機(jī)器人一方面受到剩余能量的限制，另一方面則需要以最小閑置時(shí)間為最小代價(jià)前往各目標(biāo)點(diǎn)執(zhí)行任務(wù)。因此，通過討論該任務(wù)的特殊性，設(shè)計(jì)改進(jìn)的遺傳算法，為移動(dòng)機(jī)器人規(guī)劃最優(yōu)目標(biāo)點(diǎn)的訪問順序及最

6、優(yōu)路徑，以實(shí)現(xiàn)效能最優(yōu)化，并通過仿真驗(yàn)證所提出的算法的有效性。
　　④針對(duì)多移動(dòng)機(jī)器人訪問多目標(biāo)點(diǎn)以執(zhí)行特定任務(wù)的問題，提出系統(tǒng)效能模型和分布計(jì)算—集中決策的任務(wù)分配算法，以多任務(wù)的最優(yōu)分配為途徑，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體效能最優(yōu)。通過綜合分析移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的代價(jià)（閑置時(shí)間）和任務(wù)完成質(zhì)量，建立移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的效能模型；結(jié)合集中式任務(wù)分配和分布式任務(wù)分配方法的優(yōu)點(diǎn)，提出分布計(jì)算—集中決策的任務(wù)分配算法，為多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)任務(wù)分配，