海底钴结壳采矿车路径规划主要技术研究

摘要

海底钴结壳是一种生长在水深500～3000m海底壳状物，它富含钴、铂等稀贵金属，还含有锰、镍、铁、铜等金属，是一种重要的矿产资源。随着陆地资源的日趋枯竭，深海钴结壳作为一种极具商业开采价值的海生矿产资源，获得了美国、德国、日本、俄罗斯等西方国家的重视。随着面向钴结壳勘探开采研究工作的日渐深入，部分国家已经步入试开采阶段。与西方发达国家相比，我国对钴结壳的勘探开采研究工作起步较晚。为维护我国的海洋权益，开辟我国新的矿产资源来源，面对国际社会对海洋资源争夺的形势，有必要开展钴结壳的探测采集技术与装备研究。
　　 本文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，对海底采矿车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、海底采矿车静态路径规划问题和海底采矿车动态路径规划问题进行了深入并系统的研究。主要的研究成果如下:
　　 1)对高度非结构化，含不同类型底质的海底环境，提出了一种针对不同类底质的环境建模方法。利用先验的含底质类属性的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，并通过实验验证了算法的有效性。
　　 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。通过仿真，验证了算法的可行性。
　　 3)提出基于改进蚁群算法的采矿车静态路径规划方法。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，提出了采矿车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;通过仿真，验证了两种算法的可行性。
　　 4)提出了基于改进滚动窗口法的采矿车动态路径规划方法。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;通过仿真验证了算法的可行性。
　　 5)对采矿车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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文背景与意义

1．1．1 论文研究的背景

1．1．2 论文研究的意义

1．2 海底钴结壳采矿车路径规划的特点及要求

1．2．1 海底采矿区地形的特殊性

1．2．2 我国调查区内地形特点

1．2．3 钴结壳采矿车路径规划的类型及特点

1．2．4 钴结壳采矿车路径规划的要求

1．3 国内外路径规划技术的研究现状

1．3．1 环境建模技术的研究进展

1．3．2 遍历路径规划技术的研究进展

1．3．3 静态路径规划技术的研究进展

1．3．4 动态路径规划技术的研究进展

1．4 论文的主要研究内容和技术路线

1．4．1 论文主要研究内容

1．4．2 论文技术路线

第二章 海底钴结壳矿区环境建模研究

2．1 引言

2．2 海底DEM模型的表达

2．2．1 海底DEM模型

2．2．2 DEM模型的栅格化

2．3 地形几何特征提取

2．3．1 地形坡度的提取

2．3．2 地形起伏度的提取

2．3．3 地形粗糙度的提取

2．3．4 DEM的混合属性表达

2．4 地形通行性评估

2．4．1 钴结壳底质地形通行性评估

2．4．2 基岩底质地形通行性评估

2．4．3 海底泥沙砾底质地形通行性评估

2．5 海底采矿区环境建模

2．5．1 通行代价函数的设置

2．5．2 不同区域的划分

2．5．3 海底钴结壳采矿区环境建模算法

2．5．4 栅格尺度的选择

2．6 实验研究

2．6．1 含底质类DEM数据的获取

2．6．2 环境建模实验

2．7 本章小节

第三章 海底钴结壳矿区大尺度遍历路径规划研究

3．1 引言

3．2 遍历采集性能评价及相关定义

3．2．1 采矿车遍历路径规划的性能评价

3．2．2 采矿车遍历路径规划的相关描述

3．3 可采子域内部行走方式研究

3．3．1 现有子区域内部行走方式

3．3．2 采矿车子区域内行走方式的确定

3．4 可采子域划分方式研究

3．4．1 现有子区域划分方式

3．4．2 海底矿区子区域的划分

3．5 可采子域连接方式研究

3．5．1 蚁群算法的TSP问题模型

3．5．2 可采子域综合连通距离矩阵的求取

3．5．3 可采子域连接的蚁群算法

3．5．4 局部最优路径的求取

3．6 海底矿区遍历路径规划算法研究

3．6．1 算法相关定义

3．6．2 算法步骤

3．6．3 算法流程

3．7 仿真实验

3．7．1 仿真实验一

3．7．1 仿真实验二

3．8 本章小结

第四章 基于改进蚁群算法的采矿车静态路径规划研究

4．1 引言

4．2 完全遍历路径的组成

4．3 海底采矿车静态路径规划的改进蚁群算法

4．3．1 蚁群算法的改进

4．3．2 环境模型的膨化

4．3．3 问题描述及相关定义

4．3．4 静态路径规划的改进蚁群算法步骤

4．3．5 算法收敛性分析

4．4 基于改进蚁群算法的采矿车连接路径规划

4．4．1 启发函数设计

4．4．2 适应度函数设计

4．4．3 仿真实验

4．5 基于改进蚁群算法的采矿车采集路径规划

4．5．1 启发函数设计

4．5．2 适应度函数设计

4．5．3 仿真实验

4．6 本章小结

第五章 基于改进滚动窗口法的采矿车动态路径规划研究

5．1 引言

5．2 海底采矿车动态路径规划的改进滚动窗口法

5．2．1 问题描述及相关定义

5．2．2 算法步骤

5．2．3 子目标点的选取方法

5．3 算法收敛性分析

5．4 算法优化性能分析

5．4．1 滚动规划优化性能分析

5．4．2 行走优化系数γ的优化性能分析

5．5 仿真分析

5．5．1 行走优化系数γ的优化性能仿真

5．5．2 算法可行性验证仿真

5．6 本章小结

第六章 采矿车在线路径规划系统实车实验

6．1 引言

6．2 实车实验

6．2．1 实验目的

6．2．2 实验环境

6．2．3 实验硬软件组成

6．2．4 实验过程

6．2．5 实验结果

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

附录1

附录2

致谢

攻读博士学位期间的主要研究成果