室外环境移动机器人效能最优化研究

发布时间：2020-07-15 13:05

【摘要】：随着计算机、控制理论及人工智能等技术的迅速发展,机器人在现代社会的军事、工业、农业和家庭服务等多个领域的应用需求日益增加,其工作空间也从简单的室内环境延伸至空中、水下和特殊地形等复杂的室外环境。现实中广泛存在一类在室外大尺度地面环境工作的移动机器人,其需要长时间、持续地执行任务,并频繁地被命令前往单个或多个目标点执行特定任务,如变电站巡检机器人、工厂的货物搬运机器人和野外侦查机器人等等。受此类应用的长期性和持续性特点的影响,实现移动机器人效能最优化成为实际应用所追求的一个重要目标。因此,本文针对移动机器人效能最优化问题展开深入研究。论文研究工作包括移动机器人效能最优的表征方法和实现效能最优化的方法研究两部分。首先,讨论影响效能的重要因素即能量消耗,建立能耗模型,并在此基础上探讨表征移动机器人效能的本质因素,提出闲置时间模型。其次,基于能耗和闲置时间模型,结合移动机器人访问多目标点执行多个任务的问题,分别针对单个移动机器人和多移动机器人系统,通过最优路径规划和最优任务分配途径研究实现移动机器人(系统)效能最优化的方法。论文的创新性研究主要包括以下四个方面:①针对室外环境道路的多个属性,建立移动机器人能耗模型。能耗是影响效能的重要因素,当前关于移动机器人的能耗分析,主要针对室内环境展开,对于室外环境情形仅讨论了运动部分耗能。因此,论文在分析复杂室外环境道路的多属性,包括路径长度、路面粗糙度和坡度的基础上,全面分析移动机器人的能量消耗情况,重点讨论移动机器人运动部分的能耗,建立移动机器人总能耗模型。②在能耗模型基础上,进一步提出移动机器人闲置时间模型,表征移动机器人效能。对于长时间持续工作的移动机器人,最优化效能的实质是最大化可用于开展工作的时间量。因此,论文从工作时间的对立角度提出表征移动机器人效能的本质因素——闲置时间(即非工作时间),包括充电时间和故障修复时间两部分。故障修复时间是通过考虑道路多属性引起移动机器人振动的影响程度计算得到,再结合能耗引起的充电时间,最终融合为闲置时间。因此,最小化闲置时间体现了移动机器人效能的最优化。③基于能耗约束和最少闲置时间目标,提出基于改进遗传算法的最优路径规划算法,为单个移动机器人访问多目标点任务规划最优路径,实现效能最优化。移动机器人在工作过程中时常被命令前往多个目标点执行特定任务,该问题中,移动机器人一方面受到剩余能量的限制,另一方面则需要以最小闲置时间为最小代价前往各目标点执行任务。因此,通过讨论该任务的特殊性,设计改进的遗传算法,为移动机器人规划最优目标点的访问顺序及最优路径,以实现效能最优化,并通过仿真验证所提出的算法的有效性。④针对多移动机器人访问多目标点以执行特定任务的问题,提出系统效能模型和分布计算—集中决策的任务分配算法,以多任务的最优分配为途径,实现系统整体效能最优。通过综合分析移动机器人执行任务的代价(闲置时间)和任务完成质量,建立移动机器人系统的效能模型;结合集中式任务分配和分布式任务分配方法的优点,提出分布计算—集中决策的任务分配算法,为多移动机器人系统进行最优任务分配,实现系统整体效能的最优化。仿真验证了算法的有效性和优越性。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242
【图文】：

机器人,劳役,苦力,作家

1 绪论1 绪论克作家 Karel Capek 在他的科幻剧作《罗沙ersal Robots）中[1]，首次提到机器人的概念。剧能听命于人，能劳动且形状像人的机器，并obota” ，意为“苦力”、“劳役”，如图 1.1 所示而来。自机器人概念的提出，随着机械制造、人工智能等相关技术的迅速发展，机器人得到代、带有传感器的机器人时代，发展到如今的发展阶段[2]。

自主移动机器人,第一,机器人

指出:“机器人学的进步和应用是 20 世纪意义上的自动化”[3]。机器人给人类生活具有巨大的发展空间和应用前景，由此究意义研究有“移动”功能的机器人，可以通过自身运，便捷地前往环境中的不同位置执行相移动机器人是机器人大家族的重要组成挥着重要的作用[4]，如用于服务领域的家和危险环境下代替人类开展各种作业的复性工作的工业机器人等。1968 年，世国 Standford 大学诞生，如图 1.2 所示[5]。

蛇形机器人,机器人,模拟人,驱动方式

提高了生活品质。例如，Hicks 等研制的应用于家庭服务的外形似圆盘，以轮式驱动方式运动，如图 1.3 所示。山东电力研-101 型变电站巡检机器人[8]，以车轮驱动方式运动，并配置了激光物，以及利用摄像机检测设备工作状态。另外，还出现了可协助各种医用机器人[9]和在办公区域和博物馆工作的导游机器人[10,11]等着人们对自然界生物特性的研究越来越深入，人们希望将生物所移植到移动机器人上，从而诞生了仿生移动机器人，如图 1.4 所示的机器狗 AIBO[12]和图 1.5 所示的蛇形机器人[13]。AIBO 是日本 Sony 机器狗，它能模拟现实生活中狗的特性，发出不同的叫声以表达受。最新研究成果显示，蛇形机器人可以模拟蛇的特性前进，甚的方式沿着树干向上爬行[14]。另外，类人机器人越来越受到人们有人类的外形，且模拟人类的运动方式运动。例如，日本 Honda 器人 ASIMO 具有一定的智能，能模拟人类进行自主行动，完成一待宾客等[15]，如图 1.6 所示。

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