水下採矿机器人环境建模及路径规划技术研究

作者：史春雪 着

出版日期：2017年11月

书号：978-7-122-30683-8

开本：B5 710×1000　1/16

装帧：平

版次：1版1次

页数：140页

本书主要由5部分内容所组成：①对海底环境，建立一种针对不同类底质的环境建模方法；②通过几种具体算法的融合以及问题的转换，提出一种海底矿区大尺度遍历路径规划方法；③提出基于改进蚁群算法的採矿机器人静态路径规划方法，为採集路线在小範围的具体化提出实现方案；④提出了基于改进滚动视窗法的採矿机器人动态路径规划方法，通过证明算法的收敛性和全局次优性，证明水下大範围路径规划是可行的；⑤对採矿机器人线上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。

本书可以作为机器人控制、水下资源採集与开发、海洋工程等相关专业的教师及研究人员参考。

第1章概述1

1.1本书背景与意义1

1.1.1本书研究的背景1

1.1.2本书研究的意义2

1.2水下机器人路径规划的特点及要求3

1.2.1水下採矿区地形的特殊性3

1.2.2我国调查区内地形特点5

1.2.3水下机器人路径规划的类型及特点6

1.2.4水下机器人路径规划的要求6

1.3国内外路径规划技术的研究现状7

1.3.1环境建模技术研究进展7

1.3.2遍历路径规划技术的研究进展9

1.3.3全局静态规划技术的研究进展11

1.3.4动态路径规划技术的研究进展13

1.4本书的主要研究内容和技术路线15

1.4.1本书主要研究内容15

1.4.2本书技术路线16

第2章水下钴结壳矿区环境建模研究18

2.1引言18

2.2水下DEM模型的表达19

2.2.1水下DEM模型19

2.2.2DEM模型的栅格化21

2.3地形几何特徵提取22

2.3.1地形坡度的提取22

2.3.2地形起伏度的提取23

2.3.3地形粗糙度的提取24

2.3.4DEM的混合属性表达25

2.4地形通行性评估26

2.4.1钴结壳底质地形通行性评估27

2.4.2基岩底质地形通行性评估31

2.4.3水下泥沙砾底质地形通行性评估32

2.5水下採矿区环境建模33

2.5.1通行代价函式的设定33

2.5.2不同区域的划分34

2.5.3水下钴结壳採矿区环境建模算法35

2.5.4栅格尺度的选择35

2.6仿真及实验研究36

2.6.1含底质类DEM数据的获取36

2.6.2环境建模实验38

2.7本章小结41

第3章水下矿区大尺度遍历路径规划研究42

3.1引言42

3.2遍历採集性能评价及相关定义42

3.2.1机器人遍历路径规划的性能评价42

3.2.2机器人遍历路径规划的相关描述44

3.3可采子域内部行走方式研究45

3.3.1现有子区域内部行走方式45

3.3.2机器人子区域内行走方式的确定47

3.4可采子域划分方式研究48

3.4.1现有子区域划分方式48

3.4.2水下矿区子区域的划分48

3.5可采子域连线方式研究51

3.5.1蚁群算法的TSP问题模型52

3.5.2可采子域综合连通距离矩阵的求取53

3.5.3可采子域连线的蚁群算法59

3.5.4局部最优路径的求取60

3.6水下矿区遍历路径规划算法研究60

3.6.1算法相关定义60

3.6.2算法步骤61

3.6.3算法流程62

3.7仿真实验63

3.7.1仿真实验163

3.7.2仿真实验265

3.8本章小结67

第4章基于改进蚁群算法的机器人静态路径规划研究69

4.1引言69

4.2完全遍历路径的组成69

4.3水下机器人静态路径规划的改进蚁群算法70

4.3.1蚁群算法的改进71

4.3.2环境模型的膨化75

4.3.3问题描述及相关定义76

4.3.4静态路径规划的改进蚁群算法步骤78

4.3.5算法收敛性分析80

4.4基于改进蚁群算法的机器人连线路径规划85

4.4.1启发函式设计86

4.4.2适应度函式设计86

4.4.3仿真实验87

4.5基于改进蚁群算法的机器人採集路径规划90

4.5.1启发函式设计91

4.5.2适应度函式设计92

4.5.3仿真实验92

4.6本章小结95

第5章基于改进滚动视窗法的机器人动态路径规划研究96

5.1引言96

5.2水下机器人动态路径规划的改进滚动视窗法96

5.2.1问题描述及相关定义97

5.2.2算法步骤100

5.2.3子目标点的选取方法102

5.3算法收敛性分析104

5.4算法最佳化性能分析106

5.4.1滚动规划最佳化性能分析106

5.4.2行走最佳化係数γ的最佳化性能分析110

5.5仿真分析111

5.5.1行走最佳化係数γ的最佳化性能仿真111

5.5.2算法可行性验证仿真113

5.6本章小结117

第6章机器人线上路径规划系统实车实验118

6.1引言118

6.2实车实验118

6.2.1实验目的118

6.2.2实验环境118

6.2.3实验硬软体组成119

6.2.4实验过程121

6.2.5实验结果128

6.3本章小结129

第7章总结与展望130

7.1总结130

7.2展望131

参考文献133