移動機(jī)器人的工作場景正不斷向著室外非結(jié)構(gòu)化環(huán)境發(fā)展,而其單次執(zhí)行任務(wù)的過程中攜帶的能源是有限的,因此,如何合理使用能源,使得機(jī)器人能在有限的能源支撐下完成盡可能多的任務(wù)成了一個(gè)熱點(diǎn)問題。本文針對四足機(jī)器人能源因素的制約問題,總結(jié)分析了國內(nèi)外機(jī)器人能耗優(yōu)化的研究現(xiàn)狀,在此基礎(chǔ)上利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立了一個(gè)多層級柵格地形模型,并結(jié)合地形因素構(gòu)建了四足機(jī)器人能耗模型,以此為四足機(jī)器人的能耗最優(yōu)路徑規(guī)劃提供基礎(chǔ),具體內(nèi)容如下:（1）提出了基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立多層級柵格地形模型。為了解決現(xiàn)有地形模型結(jié)構(gòu)單一,信息不完備的問題提出了多層級地形模型構(gòu)建方法。首先從點(diǎn)云中提取出柵格高度、坡度、粗糙度三個(gè)地形因子信息,同時(shí)基于GoogLeNet Inception_V3網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到地貌信息,將這些信息分別存儲在不同的層級中,然后結(jié)合四足機(jī)器人自身機(jī)械特性,依據(jù)可通行性評估函數(shù)判定柵格的可通行程度。該地形建模方法給四足機(jī)器人提供了完備的可通行區(qū)域信息,同時(shí)為能耗計(jì)算提供了地形因子信息。（2）結(jié)合地形因子構(gòu)建四足機(jī)器人能耗模型。針對四足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、步態(tài)變化多樣,難以建立能耗模型的問題,本文... 

【文章來源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：碩士

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地形環(huán)境的幾何危險(xiǎn)

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文2全通過的障礙物，如龐大的巖石、倒下的樹木等；非幾何危險(xiǎn)則是指因其密度、粘度等物理特性而妨礙機(jī)器人運(yùn)動甚至使機(jī)器人運(yùn)動完全停止的地形，如湖泊、沼澤等�；谝陨厦枋觯梢詫⒌匦蔚目赏ㄐ袇^(qū)域定義為機(jī)器人所處環(huán)境中不包含幾何與非幾何危險(xiǎn)的區(qū)域。圖1-1地形環(huán)境的幾何危險(xiǎn)圖1-2地形環(huán)境的非幾何危險(xiǎn)在這樣的研究背景下，本課題依托國家自然科學(xué)基金“面向山林的爬-步四足機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)”的支持，針對復(fù)雜山林地形環(huán)境，建立針對四足機(jī)器人的結(jié)合地形幾何與地貌信息的地形模型，并在建立四足機(jī)器人移動能耗模型時(shí)綜合考慮地形因素以及機(jī)器人步態(tài)的影響，估算出四足機(jī)器人從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的每條通行路徑能耗，從而選擇一條最小能耗路徑，使得四足機(jī)器人能在安全的區(qū)域范圍當(dāng)中執(zhí)行任務(wù)，并在能量有限的單次活動中工作更長時(shí)間，提高工作效率。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析無人飛行器[2]及無人潛水器[3][4]是最早應(yīng)用了能耗最優(yōu)路徑規(guī)劃方法的平臺。其原因在于，這類平臺的工作機(jī)制及工作環(huán)境導(dǎo)致了它們在運(yùn)動的過程中受到風(fēng)流或水流的較大干擾，能源的消耗中有相當(dāng)一部分用于克服阻力。而采用能耗最優(yōu)的路徑規(guī)劃方法可以通過控制機(jī)器人的方向、速度等有效地減小干擾，降低機(jī)器人用于克服阻力所消耗的能量[5]。隨著移動機(jī)器人的工作場景逐漸向室外非結(jié)構(gòu)化環(huán)境拓展，移動機(jī)器人的能耗問題也受到越來越多的關(guān)注。

第一章緒論31.2.1機(jī)器人能耗研究現(xiàn)狀（1）國外研究現(xiàn)狀Broderickj等[6]提出了一個(gè)混合系統(tǒng)框架，用于對不同功率元件之間的動態(tài)和切換進(jìn)行統(tǒng)一建模。該混合系統(tǒng)允許對電源開關(guān)/關(guān)斷進(jìn)行模擬，以及對不同的工作狀態(tài)諸如充電狀態(tài)、溫度和功率輸出等連續(xù)參數(shù)進(jìn)行建模。對不同的控制策略進(jìn)行了仿真比較，實(shí)驗(yàn)表明，采用油-電混合驅(qū)動系統(tǒng)能夠降低部分能耗。Singh等[7]提出了一種基于實(shí)時(shí)啟發(fā)式搜索的輪式機(jī)器人能耗最優(yōu)在線路徑規(guī)劃算法，并對路徑進(jìn)行了平滑處理。首先針對輪式機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動方式等構(gòu)建了能耗模型，描述了機(jī)器人能耗的計(jì)算方法，然后通過限制機(jī)器人在最優(yōu)方向上的運(yùn)動來產(chǎn)生能耗最優(yōu)路徑。最后對算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，證明了算法在能量最小化方面的有效性。如圖1-3所示，綠色的路線是經(jīng)過平滑后的路徑。圖1-3輪式機(jī)器人能耗最優(yōu)路徑及其平滑軌跡LiuS等[8]以通行路徑的能耗最小為目標(biāo)，分別分析了幾何路徑規(guī)劃和光滑軌跡規(guī)劃的能量消耗，提出了一種移動機(jī)器人的最優(yōu)運(yùn)動規(guī)劃方法。算法將能源效率作為成本函數(shù)的中心元素，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間和速度參數(shù)，利用Bézier曲線規(guī)劃出一條平滑的航跡。通過優(yōu)化這些參數(shù)來降低能耗，如圖1-4所示為能耗最優(yōu)算法與其他算法的對比。(a)(b)(c)圖1-4不同優(yōu)化目標(biāo)下最優(yōu)路徑生成的對比(a)最小能耗(b)最小距離(c)最小時(shí)間

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于能耗最優(yōu)的4自由度并聯(lián)機(jī)器人軌跡優(yōu)化[J]. 梅江平,孫玉德,賀瑩,臧家煒,方志煒.  機(jī)械設(shè)計(jì). 2018(07)
[2]基于激光雷達(dá)道路可通行區(qū)域的檢測與提取[J]. 鄒斌,王磊.  自動化與儀表. 2018(02)
[3]一種基于A*算法的動態(tài)多路徑規(guī)劃算法[J]. 劉斌,陳賢富,程政.  微型機(jī)與應(yīng)用. 2016(04)
[4]基于改進(jìn)A*算法的電動車能耗最優(yōu)路徑規(guī)劃[J]. 顧青,豆風(fēng)鉛,馬飛.  農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào). 2015(12)
[5]基于變維度狀態(tài)空間的增量啟發(fā)式路徑規(guī)劃方法研究[J]. 張浩杰,龔建偉,姜巖,熊光明,陳慧巖.  自動化學(xué)報(bào). 2013(10)
[6]受能量約束的移動機(jī)器人最優(yōu)路徑規(guī)劃[J]. 陳世明,孫超峰,江冀海.  機(jī)床與液壓. 2011(09)
[7]基于三維相機(jī)的未知環(huán)境地形通行性識別方法[J]. 王文格,段文彬,朱江.  傳感器與微系統(tǒng). 2011(03)
[8]利用地面數(shù)字高程模型解求地面坡度值的方法及其評述[J]. 黃培之.  鐵路航測. 1989(01)

碩士論文
[1]基于地形特征與領(lǐng)航員示教學(xué)習(xí)的四足機(jī)器人地形可通過性分析[D]. 劉蕊.山東大學(xué) 2018
[2]基于能耗最優(yōu)的噴水推進(jìn)無人艇路徑規(guī)劃方法研究[D]. 趙亮博.哈爾濱工程大學(xué) 2018
[3]基于Kinect可通行性區(qū)域識別[D]. 丁亮.杭州電子科技大學(xué) 2017
[4]戶外環(huán)境下基于混合視覺系統(tǒng)的移動機(jī)器人可通行區(qū)域識別研究[D]. 蘭瑤瑤.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2015



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