● 摘要
移动机器人在军事、航天、工业、农业和医学等领域具有广泛的应用前景，大多数的移动机器人都使用电池供电，由于技术的局限，电池的使用时间很有限。因此，研究移动机器人的能耗优化方法，降低移动机器人的能耗具有十分重要的理论意义和实用价值。本文以移动机器人为研究对象，以能耗模型为基础，重点对移动机器人的运动规划和任务规划的能耗优化方法开展了深入研究，并进行了相应的仿真和实验验证。 由于一般的移动机器人能耗建模方法存在着通用性不强、模型参数物理意义不明确等问题，造成了难于深入分析，提出相对通用有效的控制算法。本文提出了一种基于模型分析的能耗建模方法。该方法根据移动机器人的运动学模型、动力学模型和直流电机方程，建立机器人驱动系统的能耗模型，并对上位机系统和感知系统的能耗特征进行分析和建模，进而建立了一种新的移动机器人能耗模型，为扩展应用于其他类型移动机器人上奠定基础。 其次，针对移动机器人直线运动规划的能耗优化问题，利用受约束最优控制模型对该问题进行数学描述，并提出基于受约束能耗最优控制模型的拟谱运动规划方法。针对解析方法对含有容许控制约束的最优控制问题求解困难的不足，引入拟谱方法将最优控制模型转化为非线性规划模型。利用拟谱方法对连续函数近似的谱精度，采用较少的离散点即可得到高精度的拟合近似解，与传统的参数优化方法相比，该方法具有精度高、计算量小的特点。通过仿真和实验，与最小能量方法和损耗最小化方法相比较，验证了该方法在降低移动机器人整体能耗方面的有效性。 然后，考虑在实际障碍环境下如何建立移动机器人能耗优化运动规划的最优控制模型，本文提出基于Bezier曲线的两级运动规划方法。利用Bezier曲线和梯形速度控制方法，生成满足非完整约束的运动规划。为避免移动机器人与环境障碍发生碰撞，利用p-范数方法对环境障碍进行建模。利用最优控制模型对该运动规划问题进行数学描述，并采用拟谱方法和序列二次规划方法相结合的方法进行求解。通过仿真，与时间最优方法、距离最短方法、损耗最小化方法进行比较，验证了本文运动规划方法在能耗优化方面的有效性。 另外还围绕在保证移动机器人自主生存的同时尽量减少能耗的问题，利用图论模型对基于能量约束的移动机器人任务规划进行正式定义，并提出基于动态能量阈值和禁忌搜索算法的任务规划方法。提出动态能量阈值的概念，基于动态能量阈值和贪心旅行商算法得到移动机器人的初始任务规划，保证了移动机器人在完成多项任务过程中的自主生存特性。利用改进的禁忌搜索算法对初始任务规划进行优化，提出了基于惩罚函数的目标函数和含有能量约束的终止条件以保证优化后的任务规划满足能量约束条件。与基于静态能量阈值和禁忌搜索算法的任务规划方法相比，本文方法在任务规划阶段确保了移动机器人的自主生存属性。通过仿真，本文方法能够有效减少机器人在任务路径上的能量消耗。 最后，本文所研究的能耗优化方法在仿真环境以及Voyager-II型移动机器人平台和智能轮椅式移动机器人平台上进行大量分析仿真与部分的实验，所得结论与理论分析结果相符合，验证了其有效性。在移动机器人的运动和任务规划的能耗优化方面，取得了一些有意义的研究成果。