第2章　水下鈷結殼礦區環境建模研究

2.1　引言

水下機器人路徑規劃研究分為兩個核心內容：環境建模與路徑搜索。環境建模就是采用適當的知識方法對環境信息進行描述，表達機器人運行空間的結構[46]。環境的表達是機器人認知領域的重要內容，對路徑規劃方法的選取具有決定性的影響。對于水下機器人來說，環境建模就是將真實的三維空間環境信息以抽象的方式加以表達。

水下鈷結殼礦區，地形環境是非結構化的，非常復雜，遍布著裸露基巖和水下泥礫沙混合沉積物，而且存在著地面粗糙、起伏較大、坡度較高的地形，這些高度非結構化的地形嚴重影響機器人的自主采集作業。因此，合理的環境模型是規劃采集路徑，進而完成采礦作業的關鍵。

關于環境模型的表達，有很多傳統方法，主要包括：可視圖法[103～106]（Visibility Graph，V-Graph），切線圖法[107]（Tangent Graph，T-Graph），Voronoi圖法[108，109]，確切柵格分解法[110～112]（Exact Cell Decomposition），近似單元分解法[113～115]（Approximate Cell Decomposition），概率路標算法[116～119]（Probabilistic RoadMap，PRM），拓撲圖法[120]（Topology Graph），自由空間法[121，122]（Free Space Approach）和人工勢場法（Artificial Potential Field）[123]。這些傳統方法本身對于環境的描述是完備的，但是并沒有對環境模型中障礙區和可行區進行明確的界定，即沒能對機器人工作環境的可通行性進行明確表達。

1）從工作環境上說，傳統方法更適合二維平面的機器人工作空間，但是水下采礦環境是三維的，并且是高度復雜的非結構化環境，其中障礙物的界定是一項核心問題；采礦環境中可行區域本身也是三維的，因此從地形幾何特征上來說，超出了機器人越障能力的坡、谷、臺階或粗糙地形才會被認為是障礙區。

2）從工作目的上說，本著采礦作業安全、高效的目的，造成機器人沉陷的海沙海泥地面，裸露的基巖表面，同樣會被視為障礙區或過渡區，在可以形成通路的情況下，要考慮繞行。因此環境底質同樣也成為障礙區判別的一項指標，但傳統方法并沒有涉及。

有鑒于此，本書提出一種基于不同底質地形通行性的水下開采區環境建模方法，具體內容如下：

1）將水下DEM模型柵格化，按照底質類屬性將DEM點集分成三個子集；

2）利用DEM數據提取地形幾何特征，包括地形坡度、起伏度和粗糙度；

3）利用模糊理論，按照機器人的通行能力，對不同底質類地形的通行性進行評估，得到不同底質地形的通行性指數；

4）設置綜合通行性代價函數，對不同底質地形的通行性有效整合，按照代價函數取值的不同，將環境模型劃分為不同區域，并提出環境建模算法；

5）通過實驗及仿真研究，對算法進行驗證。