一种深海履带式采矿车调头路径导航方法及系统

摘要

本发明属于深海履带式采矿车运动控制领域，具体说是一种深海履带式采矿车调头路径导航方法及系统，包括以下步骤：建立采集作业区域坐标系规划路径关键位置坐标点后，水下超短基线应答器接收定位的采集作业区域的声脉冲信号，并回发至导航信息处理单元；导航信息处理单元根据超短基线应答器信号，获取深海履带式采矿车实时位置信息，并比较与路径关键位置坐标点的偏差，对行驶路线进行校正，并通过行驶控制计算机发出控制指令，控制深海履带式采矿车实时调整行驶方向。本发明在完成调头动作后，需继续直线行驶一段距离直至到达规划采集作业区域边界，直线行驶过程中可以进行位姿调整，相较于传统调头方式，对于转弯速度控制误差具有更高的鲁棒性。

说明书

技术领域

本发明属于深海履带式采矿车运动控制领域，具体说是一种深海履带式采矿车调头路径导航方法及系统。

背景技术

矿产资源较为匮乏的背景下，通过开发深海矿产资源，来缓解人类社会资源匮乏这一难题，已成为全球趋势。深海的矿产资源丰富，主要分为多金属结核、富钴介壳以及多金属硫化物三种，随着人类对金属资源的需求不断增加，越来越多的国家将注意力集中到，如何开发利用深海这些丰富的矿藏资源上。因此无论是对深海资源的勘探，还是对各种深海矿产资源的采集，都离不开先进的深海水下采矿车装备。

进行深海矿产资源的开发，深海采矿车则是其中最重要的环节，为了适应海底地形环境，提升深海采矿作业能力，目前常见的深海采矿车大多采用履带系统进行驱动，履带驱动系统具有行走牵引力大，承载能力强，行走稳定等优势。而常见的履带式采矿车调头路径导航方式为U形，但是由于履带式采矿车转弯半径一般较大，无法满足在规划采集区域的全覆盖作业，为了满足深海采矿采集率的要求，需要深海履带式采矿车在采集作业区域按路径规划遍历行走，而履带驱动系统由于其自身特性，在稀软底质的海底环境难以原地掉头，转弯半径一般较大，为了实现深海履带式采矿车行驶轨迹的全覆盖，目前多采用Ω型调头路径导航方式，即通过3次以设定最小安全转弯半径转弯进行调头行驶，由于深海履带式采矿车的转弯运动速度相较于直线运动行驶显著降低，这种调头路径导航方法需要消耗大量时间，会严重影响深海履带式采矿车的采集效率。

因此，需要改进一种深海履带式采矿车调头路径导航方法，以更合理的路径导航方法进行调头行驶，从而更高效地进行深海采矿作业。

发明内容

本发明为深海履带式采矿车提供了一种改进的调头路径导航方法，本发明可以显著减少深海履带式采矿车的调头行驶时间，显著减少深海履带式采矿车的转弯行驶距离，改善驱动履带的受力状态，以提升深海采矿作业的采集效率。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种深海履带式采矿车调头路径导航方法，包括以下步骤：

1)设置在深海履带式采矿车上的行驶控制计算机规划采集作业区域，并建立采集作业区域坐标系；

2)行驶控制计算机根据采集作业区域坐标系规划路径关键位置坐标点后；

3)深海履带式采矿车的水下超短基线应答器接收定位的采集作业区域的超短基线应答器的的信号，回发超短基线应答器的信号至导航信息处理单元；

4)深海履带式采矿车的导航信息处理单元根据超短基线应答器信号，获取深海履带式采矿车在行驶过程中的实时位置信息，并将实时位置信息发送至行驶控制计算机；

5)行驶控制计算机比较深海履带式采矿车实时位置坐标与路径关键位置坐标点的偏差，根据实时位置坐标信息对行行驶路线进行校正，并通过行驶控制计算机发出控制指令，控制深海履带式采矿车实时调整行驶方向，以保证始终按照路径导航规划的关键坐标点行驶。

所述步骤1)，具体为：

深海履带式采矿车行驶控制计算机规划采集作业区域为方形采集作业区域，并以方形采集作业区域的左下角为坐标系原点，以采集作业区域Y轴的约束条件为采集作业区域的长度L，采集作业区域X轴的约束条件为n个车身宽度，建立采集作业区域坐标系。

行驶控制计算机根据采集作业区域坐标系规划路径关键位置坐标点，具体为：

(1)深海履带式采矿车移动至采集作业区域坐标系原点，控制深海履带式采矿车沿采集作业区域坐标系Y轴直线行驶，行驶距离为L，直至初次到达采集作业区域另一边界位置坐标点P1(0，L)；

(2)行驶控制计算机规划路径关键位置坐标点P2、P3、P4，行驶控制计算机规划深海履带式采矿车依次沿P1、P2、P3到达P4的路径后，通过驱动器控制深海履带式采矿车行驶到达所述路径关键位置坐标点P4，完成一个方向的调头路径规划；

(3)控制深海履带式采矿车沿正向直线行驶L长度，到达规划采集作业区域起始点端边界，即到达所述路径关键位置坐标点P5；

(4)行驶控制计算机规划路径关键位置坐标点P6、P7、P8，行驶控制计算机规划深海履带式采矿车依次沿P5、P6、P7到达P8的路径后，通过驱动器控制深海履带式采矿车行驶到达所述路径关键位置坐标点P8，完成另一个方向的调头路径规划；

(5)根据步骤(1)～步骤(4)完成一个周期调头路径规划；行驶控制计算机重新以一个周期调头路径的目标终点为原点，重复步骤2)～步骤5)，在规划采集区域进行采矿作业。

步骤(2)中，所述行驶控制计算机规划路径关键位置坐标点P2、P3、

P4，具体为：

行驶控制计算机规划路径关键位置坐标点P2为：

其中，行驶距离为

所述行驶控制计算机规划路径关键位置坐标点P3为：

所述行驶控制计算机规划路径关键位置坐标点P4为[B,L]；

步骤(2)中，所述通过驱动器控制深海履带式采矿车行驶到达所述路径关键位置坐标点P4，具体为：

2-1)行驶控制计算机规划路径关键位置坐标点P2，并控制深海履带式采矿车相对于直线行驶方向以设定最小安全转弯半径R左转至路径关键位置坐标点P2；

2-2)控制深海履带式采矿车停止并执行后退运动，并相对于后退方向以设定最小安全转弯半径R向左转弯，行驶

2-3)控制深海履带式采矿车沿正向直线行驶

步骤(4)中，所述行驶控制计算机规划路径关键位置坐标点P6、P7、P8，具体为：

所述行驶控制计算机规划路径关键位置坐标点P6为：

其中，行驶距离为

所述行驶控制计算机规划路径关键位置坐标点P7为：

所述行驶控制计算机规划路径关键位置坐标点P8为：[2B,0]；

步骤(4)中，所述通过驱动器控制深海履带式采矿车行驶到达所述路径关键位置坐标点P8，具体为：

4-1)控制计算机控制深海履带式采矿车沿直线行驶方向以设定最小安全转弯半径R右转

4-2)控制计算机控制深海履带式采矿车执行后退运动，并相对于后退方向以设定最小安全转弯半径R向右转弯

4-3)控制深海履带式采矿车沿正向直线行驶

一种深海履带式采矿车调头路径导航系统，包括：水下超短基线应答器、导航信息处理单元以及行驶控制计算机；

水下超短基线应答器，用于接收定位的声脉冲信号，并作出应答，回发声脉冲信号至导航信息处理单元；

导航信息处理单元，用于根据超短基线应答器信号，获取深海履带式采矿车在行驶过程中的实时位置信息；

行驶控制计算机，用于规划采集作业区域，建立采集作业区域坐标系，并规划路径关键位置坐标点，比较深海履带式采矿车实时位置坐标与路径关键位置坐标点的偏差，根据实时位置坐标信息对行行驶路线进行校正，并通过行驶控制计算机发出控制指令，控制深海履带式采矿车实时调整行驶方向，以保证始终按照路径导航规划的关键坐标点行驶。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明通过连续两次行驶方向相反的转弯，实现深海履带式采矿车在规划采集区域路径规划中的调头动作，与传统调头路径规划方案相比，本发明可以通过更短的转弯距离实现调头动作，同时保证了调头前后深海履带式采集车沿直线行驶垂直方向的移动距离，保证深海履带式采矿车可以更高效地对规划采集区域进行全覆盖采集作业。

2.本发明可以比较深海履带式采矿车实时位置坐标与路径导航规划坐标的偏差，并发出控制指令，根据实时位置坐标信息对行行驶路线进行校正，控制深海履带式采矿车小幅度调整行驶方向，以保证始终按照路径导航规划的关键坐标点行驶。

3.本发明深海履带式采矿车在完成调头动作后，需继续直线行驶一段距离直至到达规划采集作业区域边界，直线行驶过程中可以进行位置姿态调整，相较于传统调头方式，对于转弯速度控制的误差具有更高的鲁棒性。

4.本发明深海履带式采矿车每进行一次调头路径规划行驶，深海履带式采矿车相对于直线行驶的垂直方向移动一个采矿车宽度的距离，实现规划采集作业区域的全覆盖。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的深海履带式采矿车调头路径规划路线示意图；

图2为本发明一实施例提供的深海履带式采矿车位置状态示意图；

图3为本发明一实施例提供调头轨迹示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本实施例中所涉及使用到的附图做一简单的介绍，附图仅旨在于对本实施例做示意性说明和解释，并不限定本申请的范围。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他附图。

本发明实施例的深海履带式采矿车调头路径导航方法包括以下步骤：

1)设置在深海履带式采矿车上的行驶控制计算机规划采集作业区域，并建立采集作业区域坐标系；

2)行驶控制计算机根据采集作业区域坐标系规划路径关键位置坐标点；

3)深海履带式采矿车的水下超短基线应答器接收定位的采集作业区域的超短基线应答器的信号，回发超短基线应答器信号至导航信息处理单元；

4)深海履带式采矿车的导航信息处理单元根据超短基线应答器信号，获取深海履带式采矿车在行驶过程中的实时位置信息，并将实时位置信息发送至行驶控制计算机；

5)行驶控制计算机比较深海履带式采矿车实时位置坐标与路径关键位置坐标点的偏差，根据实时位置坐标信息对行行驶路线进行校正，并通过行驶控制计算机发出控制指令，控制深海履带式采矿车实时调整行驶方向，以保证始终按照路径导航规划的关键坐标点行驶。

如图1所示，为本发明实施例提供的深海履带式采矿车调头路径规划方法的路线示意图，深海履带式采矿车调头导航方法，具体如下：

于本实施例中，深海履带式采矿车调头路径规划方法的起始点为规划采集作业区域的左下角；

深海履带式采矿车处于规划采集作业的方形区域的左下角，并以深海履带式采矿车艏向中点作为路径规划原点P0；

控制深海履带式采矿车从作业原点沿规划采集作业区域边界直线行驶，直至初次到达规划采集作业区域另一边界位置坐标点P1；

控制深海履带式采矿车相对于直线行驶方向以设定最小安全转弯半径左转，直至到达所述路径关键位置坐标点P2；

控制深海履带式采矿车执行后退运动，并相对于后退方向以设定最小安全转弯半径向右转弯，直至到达所述路径关键位置坐标点P3，深海履带式采矿车行驶方向相对于初始行驶方向调转180°，并相对于路径原点向直线行驶垂直方向移动一个采矿车宽度的距离；

控制深海履带式采矿车沿正向直线行驶，直至到达规划采集作业区域边界，到达所述路径关键位置坐标点P4；

控制深海履带式采矿车沿正向直线行驶，直至到达规划采集作业区域起始点端边界，到达所述路径关键位置坐标点P5；

控制深海履带式采矿车沿上一直线行驶方向以设定最小安全转弯半径右转，直至到达所述路径关键位置坐标点P6；

控制深海履带式采矿车执行后退运动，并相对于后退方向以设定最小安全转弯半径向左转弯，直至到达所述路径关键点位置坐标点P7，此时深海履带式采矿车再次完成调头，并相对于路径原点向直线行驶垂直方向再次移动一个采矿车宽度的距离；

控制深海履带式采矿车沿正向直线行驶，直至到达规划采集作业区域边界，到达所述路径关键位置坐标点路径关键位置坐标点P8；

完成两次完整的深海履带式采矿车调头路径规划，并形成一个循环，可以继续以此规划路径，在规划采集区域进行采矿作业。

其中，图1中的坐标系的建立方法具体如下：

深海履带式采矿车行驶控制计算机规划采集作业区域为方形采集作业区域，并以方形采集作业区域的左下角为坐标系原点，以采集作业区域Y轴的约束条件为采集作业区域的长度L，采集作业区域X轴的约束条件为n个车身宽度，建立采集作业区域坐标系。

其中，规划路径关键位置坐标点的方法以及行进过程的方法如下：

深海履带式采矿车处于规划采集作业的方形区域的左下角，并以深海履带式采矿车艏向中点作为路径规划原点P0，坐标点为(0,0)；

控制深海履带式采矿车从作业原点沿规划采集作业区域边界直线行驶，直至初次到达规划采集作业区域另一边界位置坐标点P1(坐标点为0，L)，行驶距离为L，其中L为规划采集作业的方形区域长度；

控制深海履带式采矿车相对于直线行驶方向以设定最小安全转弯半径R左转，直至到达所述路径关键位置坐标点路径关键位置坐标点P2，坐标点为

如图3所示，为本发明一实施例提供调头轨迹示意图，控制深海履带式采矿车停止并执行后退运动，并相对于后退方向以设定最小安全转弯半径R向左转弯，直至到达所述路径关键位置坐标点路径关键位置坐标点P3，坐标点为

控制深海履带式采矿车沿正向直线行驶，直至到达规划采集作业区域边界，到达所述路径关键位置坐标点路径关键位置坐标点P4，坐标点为[B,L]，行驶距离为

控制深海履带式采矿车沿正向直线行驶，直至到达规划采集作业区域起始点端边界，到达所述路径关键位置坐标点路径关键位置坐标点P5，坐标点为[B,0]，行驶距离为L；

控制深海履带式采矿车沿上一直线行驶方向以设定最小安全转弯半径R右转，直至到达所述路径关键位置坐标点路径关键位置坐标点P6，坐标点为

控制深海履带式采矿车执行后退运动，并相对于后退方向以设定最小安全转弯半径R向右转弯，直至到达所述路径关键位置坐标点路径关键位置坐标点P7，坐标点为

如图2所示，为本发明一实施例提供的深海履带式采矿车调头路径规划方法的深海履带式采矿车位置状态示意图，深海履带式采矿车在两次转弯行驶之后，行驶方向调转180°，完成调头动作；

控制深海履带式采矿车沿正向直线行驶，直至到达规划采集作业区域边界，到达所述路径关键位置坐标点路径关键位置坐标点P8，坐标点为[2B,0]，行驶距离为

完成两次完整的深海履带式采矿车调头路径规划，并形成一个循环，总行驶距离为

根据本发明的另一方面，本发明提供一种用于路径行驶导航的深海履带式采矿车调头路径导航系统，包括：水下超短基线应答器、导航信息处理单元以及行驶控制计算机；

水下超短基线应答器，用于接收定位的声脉冲信号，并作出应答，回发声脉冲信号至导航信息处理单元；

导航信息处理单元，用于根据超短基线应答器信号，获取深海履带式采矿车在行驶过程中的实时位置信息；

行驶控制计算机，用于规划采集作业区域，建立采集作业区域坐标系，并规划路径关键位置坐标点，比较深海履带式采矿车实时位置坐标与路径关键位置坐标点的偏差，根据实时位置坐标信息对行行驶路线进行校正，并通过行驶控制计算机发出控制指令，控制深海履带式采矿车实时调整行驶方向，以保证始终按照路径导航规划的路径关键位置坐标点行驶。

综上，本发明可以比较深海履带式采矿车实时位置坐标与路径导航规划坐标的偏差，并发出控制指令，根据实时位置坐标信息对行行驶路线进行校正，控制深海履带式采矿车小幅度调整行驶方向，以保证始终按照路径导航规划的关键坐标点行驶。此外，深海履带式采矿车在完成调头动作后，需继续直线行驶一段距离直至到达规划采集作业区域边界，直线行驶过程中可以进行位置姿态调整，相较于传统调头方式，对于转弯速度控制的误差具有更高的鲁棒性。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。