第2章　水下钴结壳矿区环境建模研究

2.1　引言

水下机器人路径规划研究分为两个核心内容：环境建模与路径搜索。环境建模就是采用适当的知识方法对环境信息进行描述，表达机器人运行空间的结构[46]。环境的表达是机器人认知领域的重要内容，对路径规划方法的选取具有决定性的影响。对于水下机器人来说，环境建模就是将真实的三维空间环境信息以抽象的方式加以表达。

水下钴结壳矿区，地形环境是非结构化的，非常复杂，遍布着裸露基岩和水下泥砾沙混合沉积物，而且存在着地面粗糙、起伏较大、坡度较高的地形，这些高度非结构化的地形严重影响机器人的自主采集作业。因此，合理的环境模型是规划采集路径，进而完成采矿作业的关键。

关于环境模型的表达，有很多传统方法，主要包括：可视图法[103～106]（Visibility Graph，V-Graph），切线图法[107]（Tangent Graph，T-Graph），Voronoi图法[108，109]，确切栅格分解法[110～112]（Exact Cell Decomposition），近似单元分解法[113～115]（Approximate Cell Decomposition），概率路标算法[116～119]（Probabilistic RoadMap，PRM），拓扑图法[120]（Topology Graph），自由空间法[121，122]（Free Space Approach）和人工势场法（Artificial Potential Field）[123]。这些传统方法本身对于环境的描述是完备的，但是并没有对环境模型中障碍区和可行区进行明确的界定，即没能对机器人工作环境的可通行性进行明确表达。

1）从工作环境上说，传统方法更适合二维平面的机器人工作空间，但是水下采矿环境是三维的，并且是高度复杂的非结构化环境，其中障碍物的界定是一项核心问题；采矿环境中可行区域本身也是三维的，因此从地形几何特征上来说，超出了机器人越障能力的坡、谷、台阶或粗糙地形才会被认为是障碍区。

2）从工作目的上说，本着采矿作业安全、高效的目的，造成机器人沉陷的海沙海泥地面，裸露的基岩表面，同样会被视为障碍区或过渡区，在可以形成通路的情况下，要考虑绕行。因此环境底质同样也成为障碍区判别的一项指标，但传统方法并没有涉及。

有鉴于此，本书提出一种基于不同底质地形通行性的水下开采区环境建模方法，具体内容如下：

1）将水下DEM模型栅格化，按照底质类属性将DEM点集分成三个子集；

2）利用DEM数据提取地形几何特征，包括地形坡度、起伏度和粗糙度；

3）利用模糊理论，按照机器人的通行能力，对不同底质类地形的通行性进行评估，得到不同底质地形的通行性指数；

4）设置综合通行性代价函数，对不同底质地形的通行性有效整合，按照代价函数取值的不同，将环境模型划分为不同区域，并提出环境建模算法；

5）通过实验及仿真研究，对算法进行验证。