前言

本書所對應的研究是在國務院大洋專項的支持下，是“鈷結殼采集模型機關鍵技術及裝備研究”項目的一項重要內容。作者在查閱國內外大量相關文獻的基礎上，對海底采礦機器人路徑規劃問題相關的海底礦區環境建模問題、海底大尺度遍歷路徑規劃問題、海底采礦機器人靜態路徑規劃問題和海底采礦機器人動態路徑規劃問題進行了深入并系統的研究，主要的內容如下。

①對海底環境，提出了一種針對不同類底質的環境建模模型。海底DEM數據，提取地形幾何特征，得到了海底環境四維混合屬性數據；通過模糊推理的方法，獲得不同類底質地形的通行性指數；并通過設置綜合通行性代價函數，對不同底質地形的通行性進行有效整合，得到了環境可通行性地圖，為路徑規劃研究提供了模型基礎。

②提出一種礦區大尺度遍歷路徑規劃方法。首先設置遍歷路徑規劃的性能評價函數，通過對評價函數的計算，確定平坦地形往復式采集的方式；后用Boustrophedon方法對礦區環境進行子區域劃分；為可采子域之間建立綜合連通距離矩陣，將子域連接問題轉化為TSP問題，通過蟻群算法求解，達到最大覆蓋率的優化目標；對于非相鄰可采子域之間的局部路徑搜索問題，將其轉化為SPP問題，通過Floyd算法求解，滿足了最小重復率的要求；最后提出礦區大尺度遍歷路徑規劃算法。

③提出基于改進蟻群算法的采礦機器人靜態路徑規劃方法。首先指出遍歷路徑中存在連接路徑和采集路徑兩種路徑；之后本著實時性要求對基本蟻群算法進行改進，對環境模型膨化后，提出了采礦機器人靜態路徑規劃的改進蟻群算法，并證明了算法的收斂性；依據兩種路徑的不同要求，分別設置不同的啟發函數和適應度函數，提出兩種靜態路徑規劃的改進蟻群算法。

④提出了基于改進滾動窗口法的采礦機器人動態路徑規劃方法。首先提出算法；之后按照A*算法的思想，確定子目標選取的方法；證明了算法的收斂性；并且證明了滾動規劃的全局次優性，且行走優化系數γ的設置能夠提高算法的優化性能。

⑤對采礦機器人在線路徑規劃系統進行實車實驗，通過實驗過程及結果分析，證明該系統是可行的。

本書在撰寫過程中得到了長沙學院機電工程學院“湖南省十三五重點建設學科”——“機械設計及理論”和長沙學院碩士點建設學科“機械工程”的大力支持。并感謝中南大學機電工程學院海洋實驗室相關課題組老師及同學的大力支持。

同時，本書在撰寫過程中，參考了許多機器人控制、礦業資源開發、海洋工程等領域相關的技術文獻，對于文獻作者為推進我國機器人學的發展所作表示敬佩，并借此機會向他們表示由衷的謝意！

限于作者水平和實際經驗有限，書中不足和錯漏之處在所難免，敬請讀者批評指正。

著者

2017年8月