室外環(huán)境移動機器人效能最優(yōu)化研究.pdf

1、隨著計算機、控制理論及人工智能等技術(shù)的迅速發(fā)展，機器人在現(xiàn)代社會的軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和家庭服務(wù)等多個領(lǐng)域的應(yīng)用需求日益增加，其工作空間也從簡單的室內(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?，F(xiàn)實中廣泛存在一類在室外大尺度地面環(huán)境工作的移動機器人，其需要長時間、持續(xù)地執(zhí)行任務(wù)，并頻繁地被命令前往單個或多個目標(biāo)點執(zhí)行特定任務(wù)，如變電站巡檢機器人、工廠的貨物搬運機器人和野外偵查機器人等等。受此類應(yīng)用的長期性和持續(xù)性特點的影響，實現(xiàn)移動機器

2、人效能最優(yōu)化成為實際應(yīng)用所追求的一個重要目標(biāo)。因此，本文針對移動機器人效能最優(yōu)化問題展開深入研究。
　　論文研究工作包括移動機器人效能最優(yōu)的表征方法和實現(xiàn)效能最優(yōu)化的方法研究兩部分。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)上探討表征移動機器人效能的本質(zhì)因素，提出閑置時間模型。其次，基于能耗和閑置時間模型，結(jié)合移動機器人訪問多目標(biāo)點執(zhí)行多個任務(wù)的問題，分別針對單個移動機器人和多移動機器人系統(tǒng)，通過最優(yōu)路徑規(guī)劃

3、和最優(yōu)任務(wù)分配途徑研究實現(xiàn)移動機器人（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方面：
　?、籴槍κ彝猸h(huán)境道路的多個屬性，建立移動機器人能耗模型。能耗是影響效能的重要因素，當(dāng)前關(guān)于移動機器人的能耗分析，主要針對室內(nèi)環(huán)境展開，對于室外環(huán)境情形僅討論了運動部分耗能。因此，論文在分析復(fù)雜室外環(huán)境道路的多屬性，包括路徑長度、路面粗糙度和坡度的基礎(chǔ)上，全面分析移動機器人的能量消耗情況，重點討論移動機器人運動部分的能耗，建立移動

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

5、置時間體現(xiàn)了移動機器人效能的最優(yōu)化。
　?、刍谀芎募s束和最少閑置時間目標(biāo)，提出基于改進(jìn)遺傳算法的最優(yōu)路徑規(guī)劃算法，為單個移動機器人訪問多目標(biāo)點任務(wù)規(guī)劃最優(yōu)路徑，實現(xiàn)效能最優(yōu)化。移動機器人在工作過程中時常被命令前往多個目標(biāo)點執(zhí)行特定任務(wù)，該問題中，移動機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間為最小代價前往各目標(biāo)點執(zhí)行任務(wù)。因此，通過討論該任務(wù)的特殊性，設(shè)計改進(jìn)的遺傳算法，為移動機器人規(guī)劃最優(yōu)目標(biāo)點的訪問順序及最

6、優(yōu)路徑，以實現(xiàn)效能最優(yōu)化，并通過仿真驗證所提出的算法的有效性。
　　④針對多移動機器人訪問多目標(biāo)點以執(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，實現(xiàn)系統(tǒng)整體效能最優(yōu)。通過綜合分析移動機器人執(zhí)行任務(wù)的代價（閑置時間）和任務(wù)完成質(zhì)量，建立移動機器人系統(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，提出分布計算—集中決策的任務(wù)分配算法，為多移動機器人系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)任務(wù)分配，