2.4　地形通行性評估

前文已經闡明了地表幾何特征的提取方法，但是，不同類別的地表幾何特征分別在什么范圍內取值？以什么樣的標準劃分范圍來表達機器人不同的通行性？本書通過模糊邏輯的方法進行解決。

模糊邏輯[127]結合專家知識，運用近似自然語言的方式，對于處理數據的不確定性具備很好的效果，通過克服噪聲和誤差，可以實現輸入輸出之間的映射。水下地形本身非常不規則和非結構化，對地形三維重建不可避免存在誤差，地形特征與真實值之間往往會有偏差，基于規則的推理可以減少系統不確定性，實現穩定的可通行性評估。

L.A.Zadeh發展了模糊理論，提出了把基于邏輯規則的語言轉化成確定控制量的思想，奠定了模糊控制的理論基礎。模糊控制主要組成部分為：模糊化、模糊推理、知識庫和解模糊化[128]，如圖2-9所示。

（1）模糊化

將輸入的確定量轉換成模糊量。其中輸入量為地形特征，包括坡度、起伏度及粗糙度。具體過程如下：首先對輸入量進行處理，使其變成模糊控制要求的輸入量；變換處理過的輸入量的尺度，能夠使其變換到各自的論域范圍；對變換到論域范圍的輸入量模糊處理，使確定的輸入量轉換成模糊量，并用模糊集表示。

（2）知識庫

知識庫由規則庫和數據庫兩部分組成：規則庫包括用模糊語言變量表示的一系列控制規則，反映了控制專家的知識和經驗；數據庫包括尺度變換因子、模糊空間的分級數以及各語言變量的隸屬度函數等。

（3）模糊推理

作為模糊控制的核心，模糊推理具有基于模糊概念的推理能力。推理過程是通過基于模糊邏輯中的推量規則及蘊含關系來進行的。

（4）解模糊化

將模糊推理得到的通過性描述的模糊量轉換為確定的通過性指數。

2.4.1　鈷結殼底質地形通行性評估

在鈷結殼礦區中，基于地形幾何特征的可通行性分析，主要依賴于機器人自身的越障能力，包括以下三個方面。

1）斜坡障礙：區域的平均坡度過大，超過機器人的爬坡限制；

2）起伏障礙：區域中存在較大的高程差，機器人難以翻越；

3）粗糙地形：區域中的地形粗糙度超過規定閾值，車體行走過程中顛簸嚴重，影響行駛穩定性。

為了貫徹執行國家海洋技術開發戰略，根據“十五”課題（深海鈷結殼采集模型機關鍵技術及裝備研究）的研究成果和“提出未來鈷結殼采掘樣機設計方案”的要求，我國深海鈷結殼采礦模型車的某些相關參數如表2-1所示。

根據模型車的設計方案和對海洋實驗室實驗車的多次實驗，最終可以得到地形幾何特征模糊化的依據。

（1）地形幾何特征模糊化

在模糊邏輯中，隸屬度函數μs（s）反映了變量s對集合S的隸屬程度，μs（s）的值域為[0，1]。典型的隸屬度函數μs（s）定義如下

　　

（2-28）

這種隸屬度函數在二維圖上表現為梯形。

以實驗室現有采礦實驗車為例（詳見本書第6章），通過對其行走越障能力的反復實驗，得到如下地形模糊評價。

1）地形坡度的模糊評價　將地形坡度予以模糊化，其隸屬度函數μs（ss）的定義為

　

　（2-29）

　

　（2-30）

　　

（2-31）

式中，ss為地形坡度變量。

2）地形起伏度的模糊評價　按照現有實驗車的行走特性，（詳見本書第6章），得到起伏度隸屬度函數μu（su）的定義

　

　（2-32）

　　

（2-33）

　　

（2-34）

式中，su為地形起伏度變量。

3）地形粗糙度的模糊評價　同理，地表粗糙度的隸屬度函數μr（sr）定義為

　　

（2-35）

　　

（2-36）

　　

（2-37）

式中，sr為地形粗糙度變量。

用模糊語言表達隸屬度函數{flat，slanted，steep}，如圖2-10（a）；起伏度表達為隸屬度函數{even，rolling，uneven}，如圖2-10（b）；粗糙度表達為隸屬度函數{smooth，bumpy，rocky}，如圖2-10（c）；通行性表達為隸屬度函數{low，median，high}，如圖2-10（d）。

（2）地形特征參數的模糊規則

表2-2為水下鈷結殼底質地形可通行性規則庫。

（注：表中—表示該項對結果無影響）

（3）解模糊化

本書中解模糊化使用重心法[127]

　　（2-38）

式中，v，u分別為模糊輸入和輸出。

2.4.2　基巖底質地形通行性評估

在滿足機器人通行的條件下，基巖底質地形會被認為是過渡區，即：機器人因為繞障安全等的原因，必須經過該區域，此時采礦頭抬起，視為采集路線的過渡；而無法通行的區域，成為不安全過渡區。

為了描述方便，本書略去隸屬度函數建立過程，方法同2.4.1，以下是水下基巖底質地形通行性規則庫和模糊化成員函數。

用模糊語言表達隸屬度函數{flat-transition，steep-transition}，如圖2-11（a）；起伏度表達為隸屬度函數{even-transition，uneven-transition}，如圖2-11（b）；粗糙度表達為隸屬度函數{smooth-transition，rocky-transition}，如圖2-11（c）；通行性表達為{safe-transition，unsafe-transition}，如圖2-11（d）。

表2-3為水下基巖底質地形可通行性規則庫。

2.4.3　水下泥沙礫底質地形通行性評估

水下沙礫泥混合物底質，一方面造成機器人沉陷，使采礦作業難以正常進行；而又在開采工作中引起巨大擾動，使定位系統和探測系統無法正常工作。因此，當水下某塊區域底質為沙礫泥混合物時，被視為障礙區。