海底钴结壳采矿车路径规划主要技术研究.pdf

分类号V D C 博士学位论文 密级 海底钴结壳采矿车路径规划主要技术研究 R e s e a r c ho nP a t hP l a n n i n gP r i m a r yT e c h n o l o g yf o r C o b a l t - - r i c hC r u s tM i n i n gV e h i c l e si nD e e p - s e a 作者姓名史春雪 学科专业机械设计及理论 学院 系、所 机电工程学院 指导教师b 英勇 编号0 5 3110 0 0 2 论文答辩日期型，7 世答辩委员会主席 2 0 1 1 年6 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名蜘日期兰 年旦月尘日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名邂导师签名左黟日期逊年蝴曼器 中南大学博士学位论文 摘要 摘要 海底钴结壳是一种生长在水深5 0 0 ～3 0 0 0 m 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目渐深入，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～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D E M 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B o u s t r o p h e d o n 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T S P 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S P P 问题，通过F l o y d 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。 中南大学博士学位论文摘要 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 术算法的思想，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y 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。 勋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。 关键词采矿车路径规划环境建模遍历静态规划动态规划蚁群 算法滚动窗口法 中南大学博士学位论文 A B S T R A C T A B S T R A C T D e e p - s e ac o b a l t - - r i c hc r u s ti sak i n do f r e s o u r c eg r o w no ns e a b e di n 50 0 30 0 0 md e e p ，w h i c hc o n t a i nm a n yr a r em e t a l ss u c ha sc o b a l t ， p l a t i n u m ，a n da l s o c o n t a i nm a n g a n e s e ，n i c k e l ，i r o n ，c o p p e ra n do t h e r m e t a l s ．I ti sak i n do fi m p o r t a n tm i n e r a lr e s o u r c e ．W i t hr a p i d l yr e d u c i n g o fr e s o u r c e so nl a n d ，a sak i n do fm a r i n em i n e r a lr e s o u r c ew i t he x t r e m e l y c o m m e r c i a lv a l u et o e x p l o i t ，d e e p s e a c o b a l t r i c hc r u s ti s c a t c h i n g a t t e n t i o n so fU S A ，G e r m a n y ，J a p a n ，R u s s i aa n do t h e rw e s t e r nc o u n t r i e s ， S o m ec o u n t r i e sh a v ee n t e r e di n t ot r i a l m i n i n gs t a g e w i t h g r a d u a l d e e p e n i n g r e s e a r c ho nm i n i n ga n de x p l o r a t i o no fc o b a l t r i c hc r u s t ． C o m p a r e dw i t hw e s t e r nd e v e l o p e dc o u n t r i e s ，I nC h i n a ，R e s e a r c ho n c o b a l t - r i c hc r u s tm i n i n ga n de x p l o r a t i o nw a sc a r r i e do u tl a t e r ．T o s a f e g u a r dt h em a r i n er i g h t so fC h i n a ，a n do p e nu pn e wm i n e r a lr e s o u r c e i no u rc o u n t r y ，a n df a c et h es i t u a t i o no fs t r i v i n gm a r i n er e s o u r c e si n i n t e r n a t i o n a l c o m m u n i t y ，i t i s n e c e s s a r y t o c a r r y o u tr e s e a r c ho n c o b a l t r i c hc r u s tm i n i n g ，e x p l o r a t i o na n de q u i p m e n t ． T h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yi t e mD Y l0 5 0 3 0 2 R e s e a r c ho nK e y T e c h n o l o g ya n dE q u i p m e n to fC o b a l t - r i c hC r u s tM i n i n gM o d e lV e h i c l e ． A f t e rc o n s u l t i n ga l a r g eq u a n t i t yo f r e l a t e dr e s e a r c hp a p e r sa n dt e c h n i q u e r e p o r t s ，t h ea u t h o ri sc a r r i e do u tt h o r o u g ha n ds y s t e m i cs t u d yo nd e e p s e a w o r l dm o d e l i n gp r o b l e m ，d e e p s e al a r g e - s c a l et r a v e r s a lp a t hp l a n n i n g p r o b l e m ，d e e p ．s e as t a t i cp a t hp l a n n i n gp r o b l e ma n dd e e p s e ad y n a m i c p a t hp l a n n i n gp r o b l e m ．M a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r e a sf o l l o w s 1 Ak i n do fw o r l dm o d e l i n gm o d e lw i t hd i f f e r e n tt y p e so fb o t t o m m a t e r i a l si nh i g h l yu n s t r u c t u r e ds e a f l o o re n v i r o n m e n tw a sp r o p o s e d ． D E Md a t aw i t hb o t t o mm a t e r i a lc l a s sa t t r i b u t e sd e t e c t e di np r o p h a s ew a s u t i l i z e d ，b ye x t r a c t i n gt e r r a i n g e o m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，f o u r - d i m e n s i o n a l m i x e da t t r i b u t e sd a t ao fs e a f l o o re n v i r o n m e n tw a so b t a i n e d ．T e r r a i n t r a f f i c a b i l i t yi n d e xw i t hd i f f e r e n t c l a s sw a sg o tb yu s i n gt h ef u z z y r e a s o n i n gm e t h o d ．B ys e t t i n gu pc o m p r e h e n s i v e t r a f f i c a b i l i t y c o s t f u n c t i o n ． ‘ ～c a b i l i “ ‘ s e a f l o o re n v i r o n m e n tw i t hdifferentfunction t e r r a i nt r a t t i c a b l l l t l e si ns e a t l o o re n v l r o n m e n tW l t r lO l l i e i e n t ， b o t t o mm a t e r i a l sw e r en o r m a l i z e d ，a n dt h e nt h ew o r l dt r a f f i c a b i l i t ym a p 中南大学博士学位论文A B S T R A C T 5 E x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt ot e s ta n dv e r i f ym i n i n gv e h i c l e o n l i n ep a t hp l a n n i n gs y s t e m ，a n dt h e s y s t e mw a sp r o v e df e a s i b l eb y a n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t sr e s u l t s ． K e yw o r d s c o b a l t r i c h c r u s tm i n i n gv e h i c l e ，p a t h p l a n n i n g ，w o r l d m o d e l i n g ，t r a v e r s e ，s t a t i cp l a n n i n g ，d y n a m i cp l a n n i n g ，A C O , r o l l i n g w i n d o wm e t h o d V 中南大学博士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S T R A C T ⋯．⋯．．．．⋯⋯．．．．⋯．．⋯．．．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．．I I I 目蜀毛⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 论文背景与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．1 论文研究的背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．2 论文研究的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 海底钴结壳采矿车路径规划的特点及要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．1 海底采矿区地形的特殊性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 我国调查区内地形特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．3 钴结壳采矿车路径规划的类型及特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．4 钴结壳采矿车路径规划的要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 国内外路径规划技术的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．1 环境建模技术的研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．2 遍历路径规划技术的研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．3 ．3 静态路径规划技术的研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 1 ．3 ．4 动态路径规划技术的研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 1 ．4 论文的主要研究内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 1 ．4 ．1 论文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 1 ．4 ．2 论文技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一17 第二章海底钻结壳矿区环境建模研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．2 海底D E M 模型的表达⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．2 ．1 海底D E M 模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．2 ．2D E M 模型的栅格化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 2 ．3 地形几何特征提取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 2 ．3 ．1 地形坡度的提取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 2 2 ．3 ．2 地形起伏度的提取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 2 ．3 ．3 地形粗糙度的提取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．3 ．4D E M 的混合属性表达⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 2 ．4 地形通行性评估⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 2 ．4 ．1 钴结壳底质地形通行性评估⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 7 2 ．4 ．2 基岩底质地形通行性评估⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 2 2 - 4 ．3 海底泥沙砾底质地形通行性评估⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 2 ．5 海底采矿区环境建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 2 ．5 ．1 通行代价函数的设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 2 ．5 ．2 不同区域的划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 4 2 ．5 ．3 海底钴结壳采矿区环境建模算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 2 ．5 ．4 栅格尺度的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 2 ．6 实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 V I 中南大学博士学位论文 目录 2 ．6 ．1 含底质类D E M 数据的获取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 2 ．6 ．2 环境建模实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 9 2 ．7 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 第三章海底钴结壳矿区大尺度遍历路径规划研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 3 ．2 遍历采集性能评价及相关定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 3 ．2 ．1 采矿车遍历路径规划的性能评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 3 ．2 ．2 采矿车遍历路径规划的相关描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 4 3 ．3 可采子域内部行走方式研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 3 ．3 ．1 现有子区域内部行走方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 5 3 ．3 ．2 采矿车子区域内行走方式的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 3 ．4 可采子域划分方式研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 3 ．4 ．1 现有子区域划分方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 9 3 ．4 ．2 海底矿区子区域的划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 9 3 ．5 可采子域连接方式研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一51 3 ．5 ．1 蚁群算法的T S P 问题模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 3 3 ．5 ．2 可采子域综合连通距离矩阵的求取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 5 3 ．5 ．3 可采子域连接的蚁群算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 l 3 ．5 ．4 局部最优路径的求取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 3 ．6 海底矿区遍历路径规划算法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 3 ．6 ．1 算法相关定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 3 3 ．6 ．2 算法步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 3 ．6 ．3 算法流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 3 ．7 仿真实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 3 ．7 ．1 仿真实验一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 6 3 ．7 ．1 仿真实验二⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 7 3 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 第四章基于改进蚁群算法的采矿车静态路径规划研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 l 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 l 4 ．2 完全遍历路径的组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 4 ．3 海底采矿车静态路径规划的改进蚁群算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 4 ．3 ．1 蚁群算法的改进⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 4 ．3 ．2 环境模型的膨化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 7 4 ．3 ．3 问题描述及相关定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 9 4 ．3 ．4 静态路径规划的改进蚁群算法步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 l 4 ．3 ．5 算法收敛性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 4 4 ．4 基于改进蚁群算法的采矿车连接路径规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 8 4 ．4 ．1 启发函数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 8 4 ．4 ．2 适应度函数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 9 4 ．4 ．3 仿真实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 0 4 ．5 基于改进蚁群算法的采矿车采集路径规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 4 ．5 ．1 启发函数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 4 4 ．5 ．2 适应度函数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 5 4 ．5 ．3 仿真实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 5 V l I 中南大学博士学位论文 目录 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 8 第五章基于改进滚动窗口法的采矿车动态路径规划研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 9 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 9 5 ．2 海底采矿车动态路径规划的改进滚动窗口法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 9 5 ．2 ．1 问题描述及相关定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 0 5 ．2 ．2 算法步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 3 5 ．2 ．3 子且标点的选取方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 5 5 ．3 算法收敛性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 8 5 ．4 算法优化性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 9 5 ．4 ．1 滚动规划优化性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 9 5 ．4 ．2 行走优化系数7 的优化性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 3 5 。5 仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯115 5 ．5 ．1 行走优化系数y 的优化性能仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 15 5 ．5 ．2 算法可行性验证仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．117 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 1 第六章采矿车在线路径规划系统实车实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12 2 6 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 6 ．2 实车实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 6 ．2 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 6 ．2 ．2 实验环境⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12 2 6 ．2 ．3 实验硬软件组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12 3 6 ．2 ．4 实验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 6 6 ．2 ．5 实验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l31 6 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 第七章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 7 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 3 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．13 6 附两乏1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 8 附录2 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 0 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．17 2 攻读博士学位期间的主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．17 3 1 ．攻读博士学位期间发表的论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 2 ．攻读博士学位期间参与的科研项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 4 V I Ⅱ 中南大学博士学位论文 第一章绪论 1 ．1 论文背景与意义 1 ．1 ．1 论文研究的背景 第一章绪论 海洋是人类巨大的共同资源宝库，蕴藏有丰富的矿产资源，其中富钻结壳、 热液硫化物、多金属结核中C o 、N i 、C u 、M n 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I l J ，这些种类的新型资源具备很好的商业应用前景，被称作2 l 世纪人类可持续发展战略的接替能源【2 巧1 。 钴结壳是大洋底部最具有吸引力的矿产资源之～，其主要生长在水深 8 0 0 2 4 0 0 m 的海底，其平均厚度仅为4 - 6 c m ，富含钴、铂、镍、锰、磷、钛、锌、 铅、铈、铜、铁等战略金属元素。新进的调查表明，在5 0 0 ．3 5 0 0 m 水深范围内 也有结壳发现，最深处甚至超过4 0 0 0 mt 6 - 9 ] 。钻结壳中钴的平均含量一般都大于 O ．5 ％，平均达到O ．8 ％．1 ．2 ％，最高可至2 ％f 1 0 】，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8 0 倍。陆地钴的矿区 含钴量很小，通常不大于O ．1 ％，只就钴的含量而言，在陆地上还没有类似矿床 【I I i o 自上世纪8 0 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 C o 的价值就高于结核中M n 、N i 、C u 的价值之 和，是M n 的3 0 倍 ，钴结壳已成为大洋矿产资源开发、研究的热点【1 2 】，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 在钻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【1 3 ．2 l 】。 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，推进我国国际海底区 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 C O M R A 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钻结壳的勘探开采研究工作 中南火学博I j 学位论文第一章绪论 [ 2 0 - 2 7 1 。1 9 8 7 年在H Y 一8 7 1 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。1 9 9 0 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。1 9 9 1 年我国被联合国 批准成为国际上首批海底开发先驱投资者。在国家“八五”到“十五”期间，我 国对登记申请的海底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、深拖海底摄像和照相、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1 9 9 9 年3 月5 同，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。 C O M R A 在“九五”研究成果的基础上，在国际海底区域研究开发“十五” 立项指南和国际海底区域研究开发“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卧弱J 。 本论文的研究内容为“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 论文研究的意义 1 9 8 5 年，J o h nE ．H a l k y a r d 【2 圳及其公司在多次试验和大量资料整理基础上， 于美国圣地亚召开的“海洋工程及其环境”国际会议上，提出最佳的钴结壳开 采方案应是包括由海底履带式采矿车、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【2 8 】海底采集系统 集矿机、海底采矿车 提升系统 扬矿输送系统 N N N 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 提升系统将海底采矿车获得的矿产资源从几千米深的海底高效地运送到海 面上的运输船；要想获得较高的开采效率，保证海底采集系统能够正常地工作， 中南大学博士学位论文 第一章绪论 必需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、调度海底采集系统，对它实行在线状态监测；水面辅助支持系 统包括完成海底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。 水下采集系统在海底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，因此必需设计可靠性高，并有一定采矿效率的无人驾驶海底资源采集 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、环境高度复杂的海底，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，因此又被称为海底自主式采矿车 自主式采矿机器人 。 本文所研究的内容为钴结壳采矿车路径规划相关技术，它是海底采矿车导航 控制系统中的重要环节，是采矿车能否精确、安全和完整的完成采矿作业的关键。 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 海底环境极为恶劣水深3 0 0 0 m 的海底作用在3 0 0 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1 3 ∞，在这 种极限环境中，采矿车的控制和导航实现十分困难【3 2 1 ；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 海底泥砾沙混合物 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 ．6 c m ，最大2 4 c m 。其地形起伏差异 很大大部分地形起伏在5 ．2 0 c m 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 ．3 m 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1 56 [ 3 3 - 3 5 1 。 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【3 6 郴】 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，看起来象大的结核。 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， 钻结壳分布的面积及厚度和每一个台阶的坡度有关。 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5 0 ％以上。 中南人学博．1 学位论文第一章绪论 线状形矿区 I N1 ．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。 黪；∥ 7 1 事 一 l 菇≮i j 。 、。 l j ≯’、i I ，一 。糕’。。鬻癫 ‘。譬．’。‘辱- 图1 2 阶梯形矿区 图1 ．3 瘤状形矿区 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【3 殳3 9 州j ，较为平坦的基岩区本 身不会影响采矿车的正常行走，但在连续作业的过程中，采矿车经过基岩分布的 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 海底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，海底这种“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采矿车在行走过程中不均匀，打滑严重， 行走状态难以测量[ 4 2 - 4 4 J 。同时，采矿车在采矿作业过