【摘要】：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)境工作的移動機(jī)器人,其需要長時(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)用的長期性和持續(xù)性特點(diǎn)的影響,實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人效能最優(yōu)化成為實(shí)際應(yīng)用所追求的一個(gè)重要目標(biāo)。因此,本文針對移動機(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(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,分別針對單個(gè)移動機(jī)器人和多移動機(jī)器人系統(tǒng),通過最優(yōu)路徑規(guī)劃和最優(yōu)任務(wù)分配途徑研究實(shí)現(xiàn)移動機(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:①針對室外環(huán)境道路的多個(gè)屬性,建立移動機(jī)器人能耗模型。能耗是影響效能的重要因素,當(dāng)前關(guān)于移動機(jī)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(yùn)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(jī)器人的能量消耗情況,重點(diǎn)討論移動機(jī)器人運(yùn)動部分的能耗,建立移動機(jī)器人總能耗模型。②在能耗模型基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出移動機(jī)器人閑置時(shí)間模型,表征移動機(jī)器人效能。對于長時(shí)間持續(xù)工作的移動機(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)間的對立角度提出表征移動機(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機(jī)器人振動的影響程度計(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,最小化閑置時(shí)間體現(xiàn)了移動機(jī)器人效能的最優(yōu)化。③基于能耗約束和最少閑置時(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,為移動機(jī)器人規(guī)劃最優(yōu)目標(biāo)點(diǎn)的訪問順序及最優(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針對多移動機(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,為多移動機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)任務(wù)分配,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體效能的最優(yōu)化。仿真驗(yàn)證了算法的有效性和優(yōu)越性。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP242
【圖文】：

1 緒 論1 緒 論克作家 Karel Capek 在他的科幻劇作《羅沙ersal Robots）中[1]，首次提到機(jī)器人的概念。劇能聽命于人，能勞動且形狀像人的機(jī)器， 并obota” ，意為“苦力”、“勞役”，如圖 1.1 所示而來。自機(jī)器人概念的提出，隨著機(jī)械制造、人工智能等相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人得到代、帶有傳感器的機(jī)器人時(shí)代，發(fā)展到如今的發(fā)展階段[2]。

指出:“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是 20 世紀(jì)意義上的自動化”[3]。機(jī)器人給人類生活具有巨大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景，由此究意義研究有“移動”功能的機(jī)器人，可以通過自身運(yùn)，便捷地前往環(huán)境中的不同位置執(zhí)行相移動機(jī)器人是機(jī)器人大家族的重要組成揮著重要的作用[4]，如用于服務(wù)領(lǐng)域的家和危險(xiǎn)環(huán)境下代替人類開展各種作業(yè)的復(fù)性工作的工業(yè)機(jī)器人等。1968 年，世國 Standford 大學(xué)誕生，如圖 1.2 所示[5]。

提高了生活品質(zhì)。例如，Hicks 等研制的應(yīng)用于家庭服務(wù)的外形似圓盤，以輪式驅(qū)動方式運(yùn)動，如圖 1.3 所示。山東電力研-101 型變電站巡檢機(jī)器人[8]，以車輪驅(qū)動方式運(yùn)動，并配置了激光物，以及利用攝像機(jī)檢測設(shè)備工作狀態(tài)。另外，還出現(xiàn)了可協(xié)助各種醫(yī)用機(jī)器人[9]和在辦公區(qū)域和博物館工作的導(dǎo)游機(jī)器人[10,11]等著人們對自然界生物特性的研究越來越深入，人們希望將生物所移植到移動機(jī)器人上，從而誕生了仿生移動機(jī)器人，如圖 1.4 所示的機(jī)器狗 AIBO[12]和圖 1.5 所示的蛇形機(jī)器人[13]。AIBO 是日本 Sony 機(jī)器狗，它能模擬現(xiàn)實(shí)生活中狗的特性，發(fā)出不同的叫聲以表達(dá)受。最新研究成果顯示，蛇形機(jī)器人可以模擬蛇的特性前進(jìn)，甚的方式沿著樹干向上爬行[14]。另外，類人機(jī)器人越來越受到人們有人類的外形，且模擬人類的運(yùn)動方式運(yùn)動。例如，日本 Honda 器人 ASIMO 具有一定的智能，能模擬人類進(jìn)行自主行動，完成一待賓客等[15]，如圖 1.6 所示。

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本文編號：2756527