水下采矿机器人环境建模及路径规划主要技术研究pdf/doc/txt格式电子书下载

书名：水下采矿机器人环境建模及路径规划主要技术研究pdf/doc/txt格式电子书下载

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作者：史春雪著

出版社：化学工业出版社

出版时间：2017-11-01

书籍编号：30399135

ISBN：9787122306838

正文语种：中文

字数：124343

版次：1

所属分类：互联网+-人工智能

版权信息

书名：水下采矿机器人环境建模及路径规划主要技术研究

作者：史春雪

ISBN：9787122306838

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前言

本书所对应的研究是在国务院大洋专项的支持下，是“钴结壳采集模型机关键技术及装备研究”项目的一项重要内容。作者在查阅国内外大量相关文献的基础上，对海底采矿机器人路径规划问题相关的海底矿区环境建模问题、海底大尺度遍历路径规划问题、海底采矿机器人静态路径规划问题和海底采矿机器人动态路径规划问题进行了深入并系统的研究，主要的内容如下。

①对海底环境，提出了一种针对不同类底质的环境建模模型。海底DEM数据，提取地形几何特征，得到了海底环境四维混合属性数据；通过模糊推理的方法，获得不同类底质地形的通行性指数；并通过设置综合通行性代价函数，对不同底质地形的通行性进行有效整合，得到了环境可通行性地图，为路径规划研究提供了模型基础。

②提出一种矿区大尺度遍历路径规划方法。首先设置遍历路径规划的性能评价函数，通过对评价函数的计算，确定平坦地形往复式采集的方式；后用Boustrophedon方法对矿区环境进行子区域划分；为可采子域之间建立综合连通距离矩阵，将子域连接问题转化为TSP问题，通过蚁群算法求解，达到最大覆盖率的优化目标；对于非相邻可采子域之间的局部路径搜索问题，将其转化为SPP问题，通过Floyd算法求解，满足了最小重复率的要求；最后提出矿区大尺度遍历路径规划算法。

③提出基于改进蚁群算法的采矿机器人静态路径规划方法。首先指出遍历路径中存在连接路径和采集路径两种路径；之后本着实时性要求对基本蚁群算法进行改进，对环境模型膨化后，提出了采矿机器人静态路径规划的改进蚁群算法，并证明了算法的收敛性；依据两种路径的不同要求，分别设置不同的启发函数和适应度函数，提出两种静态路径规划的改进蚁群算法。

④提出了基于改进滚动窗口法的采矿机器人动态路径规划方法。首先提出算法；之后按照A^*算法的思想，确定子目标选取的方法；证明了算法的收敛性；并且证明了滚动规划的全局次优性，且行走优化系数γ的设置能够提高算法的优化性能。

⑤对采矿机器人在线路径规划系统进行实车实验，通过实验过程及结果分析，证明该系统是可行的。

本书在撰写过程中得到了长沙学院机电工程学院“湖南省十三五重点建设学科”——“机械设计及理论”和长沙学院硕士点建设学科“机械工程”的大力支持。并感谢中南大学机电工程学院海洋实验室相关课题组老师及同学的大力支持。

同时，本书在撰写过程中，参考了许多机器人控制、矿业资源开发、海洋工程等领域相关的技术文献，对于文献作者为推进我国机器人学的发展所作表示敬佩，并借此机会向他们表示由衷的谢意！

限于作者水平和实际经验有限，书中不足和错漏之处在所难免，敬请读者批评指正。

著者

2017年8月

第1章　概述

1.1　本书背景与意义

1.1.1　本书研究的背景

海洋是人类巨大的共同资源宝库，蕴藏有丰富的矿产资源，其中富钴结壳、热液硫化物、多金属结核中Co、Ni、Cu、Mn等重要金属的含量是陆地矿区相应含量的数十乃至数百倍，而天然气水合物含量相当于地球上煤、石油、天然气总储量的两倍多^[1]，这些种类的新型资源具备很好的商业应用前景，被称作21世纪人类可持续发展战略的接替能源^[2～5]。

钴结壳是大洋底部最具有吸引力的矿产资源之一，其主要生长在水深800～2400m的水下，其平均厚度仅为4～6cm，富含钴、铂、镍、锰、磷、钛、锌、铅、铈、铜、铁等战略金属元素。新近的调查表明，在500～3500m水深范围内也有结壳发现，最深处甚至超过4000m^[6～9]。钴结壳中钴的平均含量一般都大于0.5%，平均达到0.8%～1.2%，最高可至2%^[10]，是多金属结核中钴含量的4倍。钴的平均含量较陆地矿区高几十倍，铂则高于陆地矿床的80倍。陆地钴的矿区含钴量很小，通常不大于0.1%，只就钴的含量而言，在陆地上还没有类似矿床^[11]。

自20世纪80年代初以来，由于钴结壳所具备的海洋强国的政治意义、重大战略意义，加上巨大的经济价值(Co的价值就高于结核中Mn、Ni、Cu的价值之和，是Mn的30倍)，钴结壳已成为大洋矿产资源开发、研究的热点^[12]，各国纷纷加速了钴结壳的商业开采研究步伐。西方发达国家纷纷将勘查的重点继多金属结核勘查之后，放在了钴结壳上。经过多年的前期理论研究，目前西方国家已经在钴结壳的勘探开采方法、开采设备研制以及输送工艺与装备等方面，取得了具有工程实用价值的研究成果^[13～21]。

与西方发达国家相比，我国对钴结壳矿产资源的勘探开采研究工作起步较晚。为维护我国海洋权益，依据国际上对海洋争夺的形势，推进我国国际水下区域矿产资源研究开发事业，提高我国的核心竞争力，中国大洋矿产资源研究开发协会(COMRA)调整了战略目标，提出“发展海洋技术，坚持资源开发，适时建立海洋产业”的目标。将以在合同区的多金属结核勘探工作为主导，调整为以富钴结壳矿区为主导，多种资源并举的新战略。随着国家对海生资源的日渐重视，国内相关研究机构也逐步开展了多金属结核以及钴结壳的勘探开采研究工作^[20，21]。1987年在HY—871航次远洋调查过程中，“海洋四号”科学考察船首次采集到钴结壳样品数百公斤。1990年大洋矿产资源研究开发被我国国务院列为国家长远发展项目，最终确定由中国大洋协会组织实施。1991年我国被联合国批准成为国际上首批水下开发先驱投资者。在国家“八五”到“十五”期间，我国对登记申请的水下矿区进行了十数次海上勘探工作，采用多种探测技术，如多波束探测、深拖水下摄像和照相、水下机器人等对目标区域进行了仔细的勘查和周边环境的评价工作，初步完成了矿区优选任务。直至1999年3月5日，我国最终从联合国获得了7.5万平方公里“专属经济区”的优先开采权。

COMRA在“九五”研究成果的基础上，在《国际水下区域研究开发“十五”立项指南》和《国际水下区域研究开发“十五”计划》中将“钴结壳采集模型机关键技术及装备研究”、“钴结壳资源评价与研究”确立为研究的重点项目。本书的研究内容为“钴结壳采集模型机关键技术及装备研究”中的部分工作。

1.1.2　本书研究的意义

1985年，JohnE.Halkyard^[22]及其公司在多次试验和大量资料整理基础上，在美国圣地亚哥召开的“海洋工程及其环境”国际会议上提出：最佳的钴结壳开采方案应是包括由水下履带式机器人、水力管道提矿运输系统和水面采矿船构成的采矿系统。

在“九五”多金属结核开采技术与装备研究的基础上，借鉴国外钴结壳开采方案，根据钴结壳矿区开采环境的特点，我国提出了相似的开采方案，目前可能的第一代商业化钴结壳开采系统组成如下：水下采集系统(集矿机、水下机器人)+提升系统(扬矿输送系统)+遥测遥控系统(测控子系统)+水面支持子系统(水面采矿支持母船)，如图1-1所示。

图1-1　钴结壳开采系统概念图

提升系统将水下机器人获得的矿产资源从几千米深的水下高效地运送到海面上的运输船；要想获得较高的开采效率，保证水下采集系统能够正常地工作，必须有一整套高精确度的遥测遥控系统，在作业过程中，工作人员借助遥测遥控系统定位并指挥、调度水下采集系统，对它实行在线状态监测；水面辅助支持系统包括完成水下采矿任务所必需的动力装置、设备、仪器、临时矿仓以及医疗、保险、提供工作人员住宿等的设施。

水下采集系统在水下底实现人工操作比较困难，采矿环境缺氧、高压、低温、腐蚀性强，因此需要设计可靠性高、并有一定采矿效率的无人驾驶水下资源采集系统，采集所需的矿产资源。

由于采集系统的工作环境是在能见度很低、环境高度复杂的水下，因此需要一套完整的自主式导航控制系统(包括路径规划系统、定位系统、探测系统、行走控制系统等)，帮助其完成精确、高效的采集任务。水下采集系统因为自身的高度自主性，因此又被称为水下自主式机器人(自主式采矿机器人)。

本书所研究的内容为钴结壳机器人路径规划相关技术，它是水下机器人导航控制系统中的重要环节，是机器人能否精确、安全和完整的完成采矿作业的关键。

1.2　水下机器人路径规划的特点及要求

1.2.1　水下采矿区地形的特殊性

水下环境极为恶劣：水深3000m的水下作用在300个大气压高压下，海水水温常年保持1～4℃低温，环境中无自然光，还有不均匀的海流作用^[23，24]。在这种极限环境中，机器人的控制和导航实现十分困难^[25]。在可开采区内部，除了有钴结壳分布以外，还存在大量流塑状沉积物(水下泥砾沙混合物)和无钴结壳覆盖的裸露基岩。

(1)钴结壳分布区

钴结壳层一般只有4～6cm，最大24cm。其地形起伏差异很大：大部分地形起伏在5～20cm之间，偶尔达到数十厘米甚至数米；中间经常出现落差为0.5～3m之间的峭壁与台阶；有时出现布满沉积物及大块卵石的沟槽；分布有钴结壳的海山山坡上部较陡，而下部较缓，结壳表面呈葡萄状，平整状等；成片大面积结壳层地形起伏不大，在可采区平均坡度小于15°^[26～28]。

按地形表面几何特征，通常把钴结壳矿床分为以下几种类型^[29～31]：

卵石形矿区，钴结壳表面有一些大的接近圆形的卵石状突起，卵石状物外有一层结壳层，看起来像大的结核。

阶梯形矿区(图1-2)，多数裸露的结壳都有一个到数个的台阶，形成陡坡，钴结壳分布的面积及厚度和每一个台阶的坡度有关。

图1-2　阶梯形矿区

瘤状形矿区(图1-3)，看起来像一条由结核组成的地毯，钴结壳表面由密布的结核连在一起而成，覆盖率可以达到50%以上。

图1-3　瘤状形矿区

线状形矿区(图1-4)，从图形上看这些结壳表面就像一条条的水槽状，或像朝一个方向绘制的一系列直线，其中填满了沉积物。

图1-4　线状形矿区

(2)裸露基岩区

采矿区中还分布着裸露基岩^{[26，32～34]}，较为平坦的基岩区本身不会影响机器人的正常行走，但在连续作业的过程中，机器人经过基岩分布的地形，则会采集到大量的无钴结壳覆盖的基岩碎块，这会大大增加矿物废石率和选冶成本，增大采矿的经济代价。

(3)水下沉积物区

采矿环境存在的沙砾泥混合物，含水率极高，底质内聚力小，塑性指数高，含有触变特性(经扰动后其承载能力下降剧烈)，呈流塑状分布，不同地点其性质还存在区别，水下这种“稀软底”的底质环境完全不同于陆地环境。在这种环境中进行采集作业的机器人在行走过程中不均匀，打滑严重，行走状态难以测量^[35～37]。同时，机器人在采矿作业过程中，车体前部的采集头工作时会对车体产生反作用力，使表面沉积物破坏或扰动，并扬起大量水下沉积物，包围机器人周边区域，使基于光学的环境感知传感器(水下摄像机等)不能发挥作用；机器人采集时还会产生强烈的噪声，对基于声学原理的图像声呐成像(红外侧扫装置)和声学探测定位系统(单波束、多波束探测系统)的测量形成严重干扰。

由此可见，钴结壳可开采区地形是高度非结构化的，在进行开采区采集路线设计前，必须依据先验的水下地形DEM数据和水下底质类型数据，对可开采区进行大尺度环境建模，依据不同底质下水下地形的几何特征，判断开采区地形的可通行性，并得到针对不同底质的综合可通行性地图，将水下地形结构化，最终为可开采区大尺度路径规划提供基础；而对于真实采集作业中的在线路径规划，需要利用探测系统获得的实时DEM数据，以相同的方法建立小范围环境模型，以指导机器人在线路径规划。

1.2.2　我国调查区内地形特点

《联合国海洋法公约》有关原则规定：富钴结壳的调查和开采不宜选在专属经济区内，应选在国际海域中。经过初步勘查中太平洋钴结壳赋存区，我国找到了一片钴含量较高、丰度和覆盖率十分可观的远景矿区^[10]。

在我国的调查区(中太平洋CC区)内，钴结壳呈斑块状固结于硬质基岩上，大片结壳层面积有时可达数十平方公里；可开采区地势较平坦，一般高差为10～50m；大部分属小型水下丘陵，其中还分布有少数平顶海山，矿区平均坡度小于10°^{[10，23，28]}。

综合来看，在我国调查区内，分布有两种典型的钴结壳可采地形：大范围的相对平坦地形和极少量平顶海山地形^[4，10]。

(1)平坦地形

在大范围的相对平坦地形中，裸露的基岩区和水下沙砾泥混合沉积物区域相对较小，但呈现不均匀、无规律的分布形态。一般在

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