第2章　水下鈷結(jié)殼礦區(qū)環(huán)境建模研究

2.1　引言

水下機(jī)器人路徑規(guī)劃研究分為兩個(gè)核心內(nèi)容：環(huán)境建模與路徑搜索。環(huán)境建模就是采用適當(dāng)?shù)闹R(shí)方法對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行描述，表達(dá)機(jī)器人運(yùn)行空間的結(jié)構(gòu)[46]。環(huán)境的表達(dá)是機(jī)器人認(rèn)知領(lǐng)域的重要內(nèi)容，對(duì)路徑規(guī)劃方法的選取具有決定性的影響。對(duì)于水下機(jī)器人來說，環(huán)境建模就是將真實(shí)的三維空間環(huán)境信息以抽象的方式加以表達(dá)。

水下鈷結(jié)殼礦區(qū)，地形環(huán)境是非結(jié)構(gòu)化的，非常復(fù)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(jié)構(gòu)化的地形嚴(yán)重影響機(jī)器人的自主采集作業(yè)。因此，合理的環(huán)境模型是規(guī)劃采集路徑，進(jìn)而完成采礦作業(yè)的關(guān)鍵。

關(guān)于環(huán)境模型的表達(dá)，有很多傳統(tǒng)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(biāo)算法[116～119]（Probabilistic RoadMap，PRM），拓?fù)鋱D法[120]（Topology Graph），自由空間法[121，122]（Free Space Approach）和人工勢(shì)場(chǎng)法（Artificial Potential Field）[123]。這些傳統(tǒng)方法本身對(duì)于環(huán)境的描述是完備的，但是并沒有對(duì)環(huán)境模型中障礙區(qū)和可行區(qū)進(jìn)行明確的界定，即沒能對(duì)機(jī)器人工作環(huán)境的可通行性進(jìn)行明確表達(dá)。

1）從工作環(huán)境上說，傳統(tǒng)方法更適合二維平面的機(jī)器人工作空間，但是水下采礦環(huán)境是三維的，并且是高度復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，其中障礙物的界定是一項(xiàng)核心問題；采礦環(huán)境中可行區(qū)域本身也是三維的，因此從地形幾何特征上來說，超出了機(jī)器人越障能力的坡、谷、臺(tái)階或粗糙地形才會(huì)被認(rèn)為是障礙區(qū)。

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

有鑒于此，本書提出一種基于不同底質(zhì)地形通行性的水下開采區(qū)環(huán)境建模方法，具體內(nèi)容如下：

1）將水下DEM模型柵格化，按照底質(zhì)類屬性將DEM點(diǎn)集分成三個(gè)子集；

2）利用DEM數(shù)據(jù)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(jī)器人的通行能力，對(duì)不同底質(zhì)類地形的通行性進(jìn)行評(píng)估，得到不同底質(zhì)地形的通行性指數(shù)；

4）設(shè)置綜合通行性代價(jià)函數(shù)，對(duì)不同底質(zhì)地形的通行性有效整合，按照代價(jià)函數(shù)取值的不同，將環(huán)境模型劃分為不同區(qū)域，并提出環(huán)境建模算法；

5）通過實(shí)驗(yàn)及仿真研究，對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證。