（机械电子工程专业论文）预定路径上海底集矿车行走的避障规划及可视化研究.pdf

中南大学硕二i ：学位论文 摘要 摘要 本文针对海底集矿车的作业特点，分析了海底集矿车的行走技术 要求以及海底环境对集矿车行走的影响。运用模糊决策理论对预定路 径上海底集矿车的行走过程进行了避障规划，对行走过程进行了三维 可视化，并在此基础上开发了海底集矿车作业过程的可视化监测软 件。本文主要进行了以下研究： 1 、分析了海底集矿车的作业特点和相关信息的获取方法，从而 得出了影响其海底行走的关键因素。 2 、基于模糊决策理论建立了海底集矿车在预定路径上行走过程 的避障规划算法，并根据海底障碍物的高度和大小对海底集矿车进行 绕障和越障决策。 3 、基于o p e n g l 标准建立了集矿车和海底环境的三维几何模型。 4 、对海底集矿车行走可视化进行了分析和研究，开发了相应的 可视化三维动画软件，逼真的反映了海底集矿车的作业过程。 5 设计了一套实验系统，对本文所研究的结果进行了测试和分 析，为进一步完善可视化软件提供了依据。 关键词：海底集矿车，避障规划，模糊控制，0 p e n g l ，软件工 程 中南大学硕：e 学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a i m i n ga tt h em i n i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd e e ps e am i n i n gv e h i c l e ，t h i s t e x ta n a l y z e dt h et e c h n i q u er e q u e s to fd e e ps e am i n i n gv e h i c l e sa c t i o n a n dt h ee f f 色c tt h a tt h ee n v i r o n m e n to fs e af l o o ra c t i n go ni t b a s e do n f l l z z yd e c i s j o nt h e o r y t h i st e x th a v ed o n e1 0 c a lp l a n n i n gf - o rd e e ps e a m i n i n gv e h i c l ew h ow a l ki ns c h e d l i l e dp a t ha n dt h ev i s u a l i z a t i o no fi t s a c t i o n ，a n dt h em o n i t o ra n dc o n t r o ls o r w a r eo ft h em i n i n gc o u r s eo fd e e p s e am i n i n gv e h i c l e t h i st e x th a v em a d et h ef i o l l o w i n gr e s e a r c h l 、 a n a l y z i n gt h em i n i n ge n v i r o n m e n to fd e e ps e am i n i n gv e h i c l e a n dt h em e t h o dt oc o l l e c tt h ee n v i r o n m e n t a li n f o m a t i o n ，t h e ng a i n e dt h e k e yf a c t o rw h oc a na 仟e c ti t sw a l ko ns e af l o o r 2 、s e t t i n g 吐l pl o c a lp l a n n i n ga r i t h m e t i cf o rd e e ps e am i n i n gv e h i c l e w h ow a l ki ns c h e d u l e dp a t hb a s e do nf u z z yd e c i s i o n ，a n di tw i l ld e c i d et o a c r o s so rg e ta r o l l n db a r r i e r sb a s e do nb a n i e r s h e i g h t 3 、b a s e do n0 p e n g le n v i r o n m e n t ， s e t t i n g u pt h eg e o m e t r ym o d e l o fd e e ps e am i n i n gv e h i c l ea n de n v i r o n m e n to fs e af l o o r 。 4 、 a n a l y z i n ga n ds t u d y i n gt h ev i s u a l i z a t i o no fd e e ps e am i n i n g v e h i c l e m i n i n gc o u r s e ， d e s i g n e di t s v i s u a lt h r e e d i m e n s i o n a lc a n t o n s o r w a r et h i st h r e e d i m e n s i o n a lc a n t o nr e f l e c td e e ps e am i n i n gv e h i c l e m j n i n gc o i l r s ea c t u a l l y 5 、d e s i g n i n gae x p e r i m e n ts y s t e m ，t h i st e x tv a l i d a t e da n da n a l y z e d i i 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t t h ec o n c l u s i o n ，g a i n e dt h ef o l i n d a t i o nf o ri m p r o v et h ev i s u a ls o r w a r e k e yw o r d s ：d e e ps e am i n i n g v e h i c l e ，p a i hp l a n n i n g ，f h z z y c o n t r o l ，0 p e n g l ， s o 胁a r ep r o j e c t 1 l l 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： 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。 作者签名巷旦哞日期：趟年刨i 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 权保留学位沦文，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、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可以根据国家或湖南省有关部门的规定送交学位论文。 作者签名：莓鲥导师签名： 日期：上丛年凋_ i 卿 中南大学硕：e 论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景与课题来源 1 1 1 课题背景 随着世界经济和科学技术的飞速发展，人类对矿产资源的需求量越来越大。 由于陆地资源日益减少，人类必然要把目光转向其它领域。位于国家管辖海域以 外的国际海底区域面积约为2 5 1 7 亿km2 ，占地球表面积的4 9 ，这一广阔区域 蕴藏着丰富的矿产资源，据1 9 6 j 年美国加利福尼亚大学罗尔教授提出的一份研 究报告估算，世界各大洋多金属的储量约有2 3 万亿吨，仅太平洋就有l7 万亿 吨。它广泛分布于水深4 0 0 0 6 0 0 0 m 深海底，纬度达j 1 8kg m2 。“海洋 是地球上最后开辟的疆域，谁能最早、最好地开发利用海洋，谁就能获得最大的 利益。”因此，国际海底异常丰富的矿产资源已成为世界各国瞩目的2 l 世纪具有 商业开发前景的战略资源，各国纷纷加强了对深海采矿技术的研究。 国际上对深海采矿技术的研究始终是在跟踪或探索，很多国家的政府出于自 身利益的考虑，以各种方式资助和开展深海采矿技术的研究开发。 从1 9 8 3 年英国挑战者号海洋船发现多金属结构到本世纪6 0 年代以前，人类 对大洋多金属结核的凋查与研究还处于科学探索阶段，进入6 0 年代以来，美国、 德国、比利时、荷兰、意大利等国数家公司组成的跨国公司o m i ( o c e a nm a n a g e m e n t in c ) ，o 眦( o c o a nm i n i n ga s s o c i a t e ) ，o m c o ( o c e a nm i n e r a l sc o m p a n y ) 的成立， 特别是1 9 7 8 年他们对太平洋多金属结核试采的成功，标志着人类对深海采矿己 进入了大规模研究阶段。从j o 年代末开始，美国、西德、英国、法国、前苏联、 日本等一些发达国家及其财团对大洋多金属结核资源进行了调查活动。到7 0 年 代，调查技术、采矿选冶试验研究工作已有相当规模。进入九十年代，发达国 家的采、选、冶技术的研究已经形成相当的技术储备，正等待国际政治、经济环 境条件成熟，并适当吸收技术发展的最新成果后便马上投入商业开采。深海采矿 研究工作都转入与此有关环境研究，多金属结核开采技术研究开发的热点转移到 亚洲。 我国矿产资源人均占有量远低于世界人均水平，陆地上铜、镍、钴、锰4 种 中南大学硕士论文第一章绪论 金属的工业储量远远不能满足经济和科技飞速发展的需要。面对大洋多金属结核 开发的严峻形势，为维护本国应有的海洋权益，开辟本国新的矿产资源来源，加快 深海采矿技术的研究势在必行。 “七五”期间本国先后在太平洋海域进行了8 个航次的调查研究，调查面积 达2 0 0 万平方公里，并在c c 区圈定出具有潜在商业开采价值的矿区3 0 1 万平 方公里，为向联合国海底筹委会申请矿区登记创造了条件。 1 9 9 0 年8 月2 2 日以“中国大洋矿产资源研究开发协会”的名义，向联合国 海底管理筹委会提出了矿区申请。1 9 9 1 年3 月1 5 日，联合国海底筹委会批准了 中国的矿区申请，将1 5 万km2 的区域作为中国的开发区。从而使本国成为继印 度、苏联、法国、日本之后的第5 个己登记的深海采矿先驱投资者。1 9 9 9 年3 月5 日，本国在广阔的太平洋海底最终圈定了一块7 5 万k m 2 的“战略金属资源 基地”，本国对该金属结核资源区具有专属勘探权，并在今后商业开采时机成熟时 享有对这一区域开采多金属结构资源的优先权。 在中国大洋协会组织下，国内有关科研院所从1 9 9 0 年开始大洋多金属结核 开采技术研究和试验工作。经过十余年的不懈努力，取得了大量的成果。 1 9 9 0 年至1 9 9 5 年期间，国内研究和试验工作重点是单体技术的基础试验研 究。这期间，重点解决了集矿机构原理样机和集矿模型机试验研究、多种扬矿方 案的试验研究等；并提出中国大洋多金属结核采矿中试系统总体方案o “。 1 9 9 6 年至2 0 0 0 年期问，国内试验研究工作的工作重点从单体技术研究转变 为系统研究、系统设计、部分关键部件研制和设计验证。这期问取得的主要成果 是在单体扩大试验研究成果的基础上，完成了中试采矿系统技术设计，组成了履 带自行式集矿机和软管输送系统，通过湖上试验对技术设计中的方案和主要技术 进行了验证。如图卜l 、图卜2 分别为“九五”湖试现场及“九五”湖试系统简 图“。 但由于湖试水深只有1 3 5 m ，不具备进行完整系统的试验的条件，而且与海 上试验作业环境相距甚远，尚不足以验证采矿系统的在海况下作业的所有关键技 术。按照中试采矿系统实施步骤，在湖试成功后，转入1 0 0 0 m 水深的浅海试验 通过浅海试验建立一套完整、可靠、能满足海试生产技术指标的大洋多金属 结核开采系统，在海上作业环境下进行中试采矿系统的整体试验，完成湖试不能 中南大学硕： ：论文 第一章绪论 和未能完成的试验项目，验证系统各组成部分及其设备的所有功能、工作可靠性， 考核系统及设备达到的技术指标，积累经验，验证“九五”深海采矿系统中试技 术设计，为6 0 0 0 m 深海中试的实施奠定技术和组织上的坚实基础。 图1 1 “九五”湖试现场图卜2 “九五”湖试系统简图 1 1 2课题来源与研究内容 课题来源于国务院大洋汾会“十五”项目“深海技术发展项目”的课题“采 矿系统作业水面监测中心的系统运行过程可视化子项目”，项目编号是： d y l 0 5 0 3 一0 2 一0 4 。项目研究内容是采矿系统的整体系统及各子系统建模、海试作 业过程控制模式与控制策略研究、系统稳定性和安全性评价、以及仿真过程与结 果的可视化表示。 1 0 0 0 m 海试系统是一个庞大复杂的系统：i ：程，成本极高，而海试环境又非常 复杂。1 0 0 0 m 海试是在给定的区域坐进行的，但这个给定的区域的环境不能在实 验前完全得知，区域里影响集矿车行走路径的障碍物的位置尚未知道。所以需要 对它的行走路径进行规划以达到9 i 利安全的避开障碍物从而回到原来的预定路 径继续前进。同时位于水而的工作人员通过肉眼根本无法直接观测在l 0 0 0 米海 底行走的集矿车的具体情况，难以产生直观的视觉效果从而影响对其的控制决 策。所以必须通过可视化将这些场景实时的展现出来。本论文研究的目的就是对 集矿车在给定区域里的行走路径进行规划，同时对行走进行实时的可视化。 1 2 国内外的研究现状 中南大学硕士论文 第一章绪论 本文涉及避障规划和科学计算可视化两个方面的研究。 1 2 1 避障规划的研究现状 1 2 1 1 海底集矿车避障规划问题概述及研究现状 海底集矿车避障规划问题是指在有障碍物的工作环境中，如何为集矿车在给 定的采矿作业区域里寻找一条运动路径，使其在运动的过程中能安全、无碰撞的 饶过障碍物。根据十五l o o o 米中试系统方案总体设计中提出的当海底集矿车采 矿作业路径上障碍物的高度超过了o5 米时，海底集矿车即要采取策略安全的避 开障碍物1 3 】。 避障规划问题的研究涉及环境的表达、规划方法、路径执行。环境表达有两 层含义，其一是如何有效的获得环境信息，其二是如何将环境信息有效的表达出 来。规划方法关心的是在环境表达的基础上，采用何种有效的方法规划优化路径。 路径执行与底层控制机构密切相关，并要考虑集矿车的动力学特性，控制集矿车 按预设的路径行走。 由于海底集矿车避障规划面临环境的复杂性和要求的多样性，使其呈现以 下特点： ( 1 ) 复杂性：海底环境复杂，有大量的不确定性因素，海底集矿车避障规 划问题非常复杂，且需要很大的计算量。 ( 2 ) 随机性：海底环境的变化往往存在很多随机和不确定因素。未知环境 中障碍物的出现往往带有不确定性，事先不能准确预知。 ( 3 ) 多约束：海底集矿车的运动存在几何约束和物理约束。几何约束是指 海底集矿车的形状制约。而物理约束是指海底集矿车的速度和加速度约束。 ( 4 ) 多目标：海底集矿车避障过程中对路径性能的要求存在多种目标，如 路径最短，时间最优，安全性最好，能量消耗最小，采矿区域最大，但它们之间 往往存在冲突。 目前国内有学者对海底集矿车在海底的运动控制策略进行了研究，取得了 一些成果。王随平1 5 1 选用c o 咖p a c p c ii p c 作为水下作业车在线自治控制主机 和水面远程监控站，构成两级智能控制系统，期待实现集矿作业车按预定规划路 径行走过程控制等要求。他们在实验室里对l ：2 0 比例的爬行车模型进行了系统 联调，在模型车上实现了路径的跟踪行走，得到了预定的路径控制目标。然后他 4 中南大学硕士沦文第一章绪论 们把该控制系统应用于实际的爬行车辆，在浅海稀软体环境实现按预定作业路径 行走。另外王随平【6 坯采用通过检测弱地磁磁场的磁通门罗盘对航向角进行检测 组成的控制系统，提出一个能实现集矿车行走导航的方案，并给出具体实现的途 径。 海底集矿车在结构、：i ：作方式等方面都可以看作是移动机器人的一种，是 移动机器人在海洋研究中的体现，探讨移动机器人的避障规划方法可以为本文研 究海底集矿车的避障规划提供坚实的基础。 1 2 1 2 移动机器人避障规划研究现状 目前的移动机器人避障规划问题研究可以分为全局型方法、局部型方法、混 合型方法三种。 ( 1 ) 全局规划方法【7 8 】依据已获得的全局环境信息，给机器人规划出一条 从起点到终点的无碰撞运动路径。规划路径的精确程度取决于获取的环境信息的 准确程度。全局方法通常可以寻找最优解，但要预先知道准确的全局环境信息。 通常该方法计算量很大，实时性比较差，不能适应动态的未知环境。 ( 2 ) 局部规划方法f 9 ”i 侧重考虑机器人探知的当前局部环境信息，这使机 器人具有良好的避障能力。现有的不少水下机器人的避障规划方法都采用了局部 方法。其规划仅依靠传感器系统实时感知的信息。与全局规划方法相比，局部规 划更具有实时性和实用性，对动态环境具有较强的适应能力；其缺点是由于仅依 靠局部信息，有时会产生局部极点或振荡，无法保证机器人能顺利到达目标点。 ( 3 ) 混合型方法。12 1 试图结合全局和局部方法的优点。机器人利用已有的 环境信息进行全局路径规划，将全局规划的“粗”路径作为局部规划的子目标， 在进行过程中根据实时探测的局部环境信息不断修正运动路线，从而弥补由于先 验信息不足而引起的全局规划偏差。 另外，从机器人工作环境的角度区分规划方法，可以分为静态环境规划方法 和动态时变环境规划方法。以前大多数研究： 作集中于结构化环境下，但动态不 确定环境中的规划问题已经引起人们的重视，并取得了一些成果。 静态环境是指机器人的工作环境中障碍物静止不动，在对全局环境信息已 知的情况下，常用的路径规划方法有： ( 1 ) 位姿空间法 中南大学硕士论文第一章绪论 位姿空间法是由w e h o w d e n 【1 3 | ，su d u p a 【1 4 】，t ，l o z a n op e r e z 和 m a ，w e s l e y l l 5 】，r ，a ，b r 0 0 k s 等人发展起来的一种无碰撞路径规划算法。其实质 是根据机器人的大小和姿态，把周围的障碍物向外扩展一定的距离，即相应的“膨 胀”，变成扩展障碍。与此同时，运动物体缩为一个点( 运动物体位姿的描述简 化位姿空间的一个点) ，于是得到一个新的空间，称为位姿空间。由于环境中障 碍物的存在，机器人在位姿空间中有一个相应的障碍区。这样，把原来在物理空 间中求运动物体的无碰问题变成位姿空空间中求一个质点的运动路径。这实际上 构造了一个虚拟的空间，把运动物体、障碍物及其几何约束关系做了等效变换。 位姿空间法把原来求一般物体无碰路径问题转换为求质点在位姿空间的安全路 径问题，使问题得到简化，因此得到广泛的应用。 ( 2 ) 人工势场法 人工势场法的基本概念是将机器人在周围环境中的运动设计成一种人造引 力场中的运动。目标位置对机器人来说是吸引极点，而障碍物对机器人来说则是 排斥面。它基本上是一种局部的方法，关键在于如何设计“引力场”。 人工势场法早先由k h a t i b 和k r o 曲提出。k h a t i b 研究机器人手臂在笛卡 尔空间中如何直接由任务相关的参数、运动、受力来控制其运动。k r o 曲把问 题看成使系统状态由给定的初始状态转移到理想的目标状态，而避免状态空间中 的静止区域，并引入一个重要的概念：广义势场，即不仅考虑位置x ，也考虑速 度v = x 。人工势场法最主要的问题是局部极小化。常用的有以下几种势场：牛 顿型势场、圆形对称势场、超四次方势场、调和场以及虚拟力场。势场法实际上 是试图使障碍物的分布情况及其形状等信息反映在环境每点势场值中，而机器 人依此决定行进方向。它的优点是机器人的运动是由机器人当前位置所承受的势 场即其梯度方向所决定的。故它与全局规划方法相比具有计算量小，实时性好的 特点。 ( 3 ) 图搜索法 将机器人工作空间划分为一个个单元。某一单元若包含障碍物则称为障碍 单元：若没有则成为自由单元；若部分包含障碍物则成为混合单元把单元视为结 点，其问的相关联系用弧线连接，得到一个网络，称为连通图。寻找安全路径的 问题变为图的搜索。如r a ，b m o k s 和t ，l o z a n op e r e z 提出的切分法，将位姿空 c ，南大学硕：f ：论文第一章绪论 问切分为一块块的单元，然后搜索由相邻单元组成的连接图。它的缺陷是切分单 元的数目随着精度的提高而迅速膨胀。为了提高表示的效率，采用层次结构表示。 ae l f e s 提出的网络模型将确定性的网络用于离线的全局规划。f a v e r i o n 采用 八叉树表示三维环境的位姿空间，用于机械手的运动规划。 ( 4 ) 其他方法 张拨2 1 1 等首先提出用状态空间连通性的分析来解决无碰撞路径规划的问 题。 以上介绍的各种规划方法基本上都是针对全局环境信息己知的情况下进行 的，但在许多的情况下，机器人所处的环境信息是不完全更可能是未知的，机器 人只能探测到局部信息，针对这种情况，人们提出了不少解决未知环境下避障规 划问题的方法和策略，他们大致可以分为以下两类： ( 1 ) 基于实时探测信息的避障规划 机器人在向终点运行过程中通过实时探测信息，规划安全的行进路径。这 类方法基于比较的环境信息，运算量小，规划速度快，但往往不能保证规划的全 局性，b o r e n s t e i n 2 2 1 采用虚拟力场法解决未知环境中机器人避障问题，该方法在 某些情况下不能保汪机器人顺利到达终点，且会产生不稳定性。仅依赖实时探测 信息进行局部避障规划很难保证规划的全局收敛性，为此不少路径规划方法通过 结合一些必要的全局信息来保证收敛性。 ( 2 ) 结合全局信息的局部避障规划 l u m e l s k v 平s t e p a n o v 研究了未知环境中机器人规划的非启发式方法，让 机器人记住环境中的某些特殊点，用一个全局收敛准则来保证收敛性，由于缺乏 对路径的有效优化，执行效果并不理想。s a n k a r a n a r a v a n a n 通过增加机器人的 存储信息，对此进行了一些改进。机器人通过积累已探测到的环境信息，逐步建 立全局环境地图，在每一个规划周期开始时刻先用全局规划做引导，从而顺利到 达终点。0 r i 0 1 0 1 2 5 】等也用实时地图创建与导航相结合的方法解决自治机器人路径 规划方法。机器人在行进的过程中不断积累传感器采集的信息，逐步拓展已知区 域，并依据现有环境产生至终点的全局优化路径，机器人就沿该路径行进至已知 区域，然后进行下一次规划。这些方法充分利用已探测的环境信息，收敛性也显 见，但随领域的扩大，需要机器人具有很大的信息存储量和运算速度。 中南大学硕士论文 第一章绪论 过去十多年对避障规划的研究大都集中在环境信息精确已知的静态环境。实 际上，在机器人的工作环境中，常常存在动态障碍，并且机器人往往不具备全局 信息。而考虑动态障碍与静态障碍在方法存在很多的不同，难度将大大的增加。 已有的静态规划方法很难直接推广到动态不确定环境中。从智能机器人应用的角 度看，能处理动态障碍将大大的扩展机器人的智能和应用领域。 r e i f 和s h a 俨6 1 研究了动态环境中运动规划的复杂问题。他们的研究表明， 处理动态环境中的运动规划比静态环境下复杂得多。有速度约束的机器人在三维 动态环境中的运动规划问题是p 空间难度问题。 目前对动态时变环境仍缺乏有效的路径规划方法，大多基于不同的假设和近 似。较早的规划方法是k a n t 和z u c k e r 刚的两级规划方法。首先针对环境中的静 态障碍物规划出一条最短路径，然后控制机器人沿着规划好的路径运动，并通过 调整机器人的运动速度来避开动态障碍物。 模糊理论自1 9 6 5 年由z a d c h 创立以来，得到了迅速的发展，而且在控制领 域、人工智能、模式识别和机器人学的研究中应用日益重要。模糊控制是模糊理 论最成功的应用之一，在机器人规划的相关领域也得到成功的应用。 bb e a u 仃e r e l 2 8 】针对完全未知的静态障碍环境，基于模糊逻辑推理模型处理机器人 导航问题。导航算法由三部分组成：避碰、到达目标点、改变机器人运动方向， 前两部分采用模糊逻辑推理模型实现。机器人行走过程中，首先处理环境建模， 然后用导航算法监测机器人移动。p sl e e l 2 9 1 等研究了基于传感器信息的规划方 法，采用模糊逻辑和神经网络实现机器人的障碍避碰。 除了上述方法外，还有可达图法、截距向量法、图搜索法、线性规划结合法、 o 算法、d + 算法等多种，在此不再一一的介绍了。 1 2 2 科学计算可视化的研究现状 人们常常在数据的海洋面前不知所措，难以理解大量抽象数据蕴涵的本质， 结构和规律。可视化【3 0 1 ( v i s u a l i z a t i o n ) 把看似枯燥无味的数据转变直观的图形 图像，帮助人们分析自然现象和社会发展规律，更好的认识客观事物的本质和变 化规律。可视化有三个分支：科学可视化( s c i e n t i 6 cv i s u a l i z a t i o n ) 、数据可视化 ( d a t av i s u a l i za t l o n ) 和信息可视化( i n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o n ) 。科学可视化侧 重于科学和工程技术领域的数据可视化。数据可视化比科学可视化涵概更广，不 中南大学硕士论文第一章 绪论 仅包括工程技术领域的数据可视化，还包括其他领域( 包括经济、金融和商业) 的数据可视化。信息可视化一般指超文本、目录、文件等类似抽象信息的可视化。 科学可视化既科学计算可视化( v l s cv i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t 讯cc o m p u t i n g ) 是计算机科学的一个重要领域。这一术语正式出现于1 9 8 7 年2 月美国国家科学 基金( n f sn a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ) 召开的一个研讨会上川，会议报告给出 了科学可视化的定义、覆盖的领域和近长期的研究方向。此后n f s 的几个学部 开始支持科学计算可视化研究项目，随后欧洲也开始资助科学计算可视化的研究 汁划。1 9 9 0 l e e e 计算机学会( 1 e e ec o m p u t e rs o c i e t y ) 计算机图形技术委员会开 始举办一年一度的可视化国际会议，标志科学计算可视化成为了一个崭新的研究 领域。 科学计算可视化涉及数学，物理，计算机图形学，图形处理，计算机视觉， 计算机辅助没计及图形用户界面等基础学科和研究领域，它研究把科学数据映射 为直观的图形图象，对科学研究、工程实践和国民经济起越来越重要的作用。典 型的应用有： 分子构膜技术遗传工程和蛋白质工程，蛋白质d n a 模型分析。 医学成像诊断医学，整形与假肢外科规划，辐射治疗规划。 脑功能研究超声、c t 和m r a 脑图分析。 地球科学气象监测与分析、地址勘探和地震预测。 太空探索天文数据分析、天体、卫星和太空环境的三维重建。 计算流体力学矢量场可视化。 有限元分析航空机械设计、建筑结构分析等。 欧洲很多发达国家的研究机构、院校及公司都在积极从事科学可视化的研究 ：i ：作，并开发出了许多的可视化系统，如n a s aa r c 的f a s t 和p l o t 3 d 套 件、r e s e a r c hs v s t e m si n c o r d o r “o n 的l d l 1 0 n 瓜i v e r t 0 0 1 阶j o e s y s v i p 套件、 a d v a n c e dv i s u a ls y s t e m 的a v s e x p f e s s 和g s h a r p 等。 目前科学计算可视化的前沿问题主要有： ( 1 ) 体可视化( v o l u m ev i s u a l i z a t i o n ) 。体可视化能够洞察物体内部原本不可 见的复杂结构，比传统的图形学具有更大的优越性，但体可视化非常的耗时耗内 存，目前人们正在努力改善。 中南大学硕士论文第一章绪论 ( 2 ) 矢量场可视化。矢量既有大小又有方向，矢量场可视化比标量场可视化 更具有挑战性。 ( 3 ) 可视化人机交互技术研究。以认知理论指导可视化，使信息表示更直观 更准确；以自然和谐的交互手段跟踪和控制可视化过程。随着计算机在图形图像 处理等方面的能力不断的增强，在系统设计中建立一个和谐的“以人为中心”的 人机环境逐渐成为了可能。在传统的用户界面设计中，信息表征只局限于一维的 数字化模型，但技术的发展要求要求信息是多维的，可视化人机交互技术给这个 要求的实现提供了一个途径。 ( 4 ) 可视化数据建模。包括分辨率建模和散乱数据建模。 ( 5 ) 可视化基本原理研究。可视化系统及接口的模型描述，可视化结果的一 致性和有效性研究。 ( 6 ) 复杂数据集可视化。提取特征，构造多分辨率模型，按需交互可视化。 当前有效的科学可视化工具种类有很多，0 p e n g l 是其中很有效的一种。 o p e n g l 是s g i 公司从其图形工作站上图形开发环境g l ( g r a p h i c sl i b r a r y ) 拓展而来。因为具有良好的可移植性和跨平台性，己逐渐成为高性能图形开 发和交互式视景的开放标准，目前包括s g i 、a t & t 、s u n 、i b m 等几家在计算 机市场上占主导地位的大公司均采用0 p e n g l 图形标准。后来m i c r o s o r 与s g i 公司共同主导开发了0 p e n g l 的w i n d o w s 版本，这个举措使得0 p e n g l 在微机 上得到了广泛的应用，很多的科研单位和高校以此为基础展开了不同领域的研 究。 1 3 本论文的主要研究内容和基本框架 本文结合“采矿系统作业水面监测中心的系统运行过程可视化子项目”的要 求，查阅相关资料，分析海底集矿车本身的行走技术要求，海底环境对海底集矿 车行走的影响，确立了海底集矿车预定路径上局部避障路径规划的方案，基于模 糊逻辑决策建立了预定路径上海底集矿车行走的避障规划模型。建立了海底集矿 车的几何模型和海底的三维场景，并在此基础上建立了基于o p e n g l 的可视化程 序，并实现了数据实时通信和数据的实时保存等工作，最后通过实验来验证整个 第一章绪论 方案以及具体实现方法的可行性和稳定性以及安全性。 论文的基本结构如下： 第一章为绪论部分。介绍了课题的来源和背景，国内外在避障规划和科学计 算可视化研究的现状和发展，并简要说明了本论文的研究思路。 第二章确定了海底集矿车避障规划的整体方案，从解决的海底集矿车避障规 划几个相关问题和未知环境里静止障碍物对海底集矿车行走的影响着手，确定了 其避障规划的方法。同时结合人机交互技术可视化的要求和海底集矿车行走的特 性，研究了基于模糊决策的局部避障控制算法，并仿真以验证其可行性。 第三章介绍了海底集矿车行走的可视化工作中利用到的o p e n g l 的一些基 本的原理和操作方法。根据现有的集矿车建立其三维几何模型和海底环境的三维 场景，并详细的给出了基于0 p e n g l 标准的三维可视化程序各个部分的具体实现 方法。 第四章从软件工程的角度阐述了海底集矿车采矿作业的可视化j 监测软件的 开发过程。着重阐述了基于w i n d o w s 操作平台的t c p i p 阶议，建立了以 c i i e n t s e e r 为结构的多客户机对主服务器的系统，实现信息的共享。建立了友 好的软件操作界而，实现数据的实时读取及保存 第五章为实验验证部分。通过建立相应的实验系统来验证海底集矿车行走可 视化监测软件的网络数据传输的准确性、稳定性和安全性，以及可视化的效果和 实际行走是否吻合和输出行走平面图的准确性。 最后总结本研究所进行的工作，主要的结论和论文的创新点。并对以后的研 究进行了展望。 中南大学硕士论文第二章海底集矿车避障规划的研究及仿真 第二章海底集矿车避障规划的研究及仿真 2 1 海底集矿车避障规划需要解决的问题 海底集矿车避障规划的目的是当其行走在预定的路径上时在障碍环境中寻 找一条安全的优化路径。障碍物环境的状态可能存在以下四个方面的情况： 1 己知环境下的静态障碍物，其环境中的状态、大小和位置对规划系统都 是精确已知的，其障碍物是静止不动的。 2 己知环境下的动态障碍物，其环境中的状态、大小和位置对规划系统都 是精确己知的，但其障碍物是动态的。 3 未知环境下的静态障碍物，其环境中的状态、大小和位置对规划系统都 是未知的或部分未知的，其障碍物是静止不动的。 4 未知环境下的动态障碍物，其环境中的状态、大小和位置对规划系统都 是未知的或部分未知的，且障碍物也是动态的。 分析集矿车给定的工作区域的可能情况，本文设定其路径规划的研究是基于 未知环境下的静态障碍物的，其环境中的状态、大小和位置对规划系统都是未知 的，其障碍物是静止不动的。 当环境信息己知时，离线的全局规划就可以解决集矿车路径规划的问题。然 而在这样的未知的环境信息情况下，集矿车只能在行走的过程中探测局部的环境 信息，局部的避障规划就是一个突出的问题。以下五个方面的问题是海底集矿车 路径规划需要解决的问题： ( 1 ) 海底集矿车预定路径的选择。 ( 2 ) 海底集矿车如何从海底环境中获取周围的障碍物信息和其他相关信 息。 ( 3 ) 海底集矿车如何根据内部和外部传感器来回答当前处于区域中的什么 位置。 ( 4 ) 海底集矿车如何根据处于当前区域的位置和当前区域中信息来确定行 动策略。 中南大学硕士论文 第二章海底集矿车避障规划的研究及( 方典 ( 5 ) 如何产生合适的驱动信号使海底集矿车行走在预定的轨迹上。 为了解决这些问题，要对相应的三个方面进行研究： 传感器技术：海底集矿车的传感器可分为内部传感器和外部传感器，内部传 感器提供的信息对其的自定位是非常必要的。外部传感器用以检测外部环境的信 息，是建立环境的全局区域和得到用以局部避障的海底集矿车附近障碍物信息的 依据。 定位技术：由于海底集矿车得到的传感器信息是相对于海底集矿车的局部坐 标系的，而用于路径规划的地图采用全局坐标系。如果没有机器人的当前位置信 息，也就没有局部坐标系在区域坐标系中的位置，从而无法进行行走的规划。 规划和决策：分为任务规划和路径规划两级。任务规划主要是产生其各个系 统的动作序列，它是路径规划的上级系统；路径规划主要用于设计空间路径，在 层次上一般分为全局规划和局部避障规划1 3 3 1 。 海底集矿车路径规划的结构框图如图2 1 所示： 图2 1 1路径规划的结构 本章的研究从在给定的区域里事先进行的离线全局规划和行走时在线避障 规划相结合来考虑，结合上面涉及的五个相关问题，并对传感器技术、自定位技 术和规划技术进行研究，着重考虑在未知环境信息的情况下对海底集矿车规划系 统的影响，同时利用科学计算可视化的手段把行走路径实时表现出来。 2 2 海底集矿车行走的避障规划研究 十五l o o o 米中试系统中海底集矿车的采矿区域是给定的，这就要求在这一 给定区域里的行走路径进行规划。这就是五个问题中的如何选预定的行走路径的 问题。在方案总体设计中，提出了海底集矿车的行走是按照预定的路径的i ，但 中南大学硕士论文第二章海底集矿车避障规划的研究及仿真 无论集矿车行走在什么样的预定路径上，在其行走的过程中都要对不可预知的问 题进行处理，这就是避障规划要解决的问题了。 2 2 1 基于模糊控制理论的海底集矿车避障路径规划的研究 如果说全局规划是基于环境先验信息的规划，那么局部避障规划是基于不 确定环境中的传感器信息的规划。在避障规划中，实时的避开障碍物回到预定的 路径是主要的目的。这里要解决的问题就是海底集矿车如何根据处于当前区域的 位置和当前区域中信息来确定行动策略。 在集矿车开始采矿行走后，海底周围的环境的不确定性会对其产生很大的影 响。经过分析可得出以下几个影响其行走的因素。 a 障碍物的高度。根据海底集矿车的设计性能，当障碍物的高度超过的o5 米的时候1 3 】，它就很难越过障碍物了，这个时候就要求能够顺利安全的绕开障碍 物。 b 障碍物的距离。由于集矿车转弯性能的限制，不可能在障碍物位于很近 的距离才进行转弯的处理，同样的在离障碍物很远的情况下输出很大的转角会使 行走的路径变长而降低工作的效率。 c 障碍物的方位。这个可以影响集矿车转弯的方向，以及输出转角的大小 的策略。 以上三个方面的因素都是在集矿车行走的过程中发生的，是未知的，所以 这样的避障规划是在线的，同时集矿车避开障碍物后要回到原来预定的行走路 线，所以又是局部的规划。近年来，模糊控制的应用越来越广泛，本文将在基于 模糊控制理论对集矿车的局部避障规划方面做深入的研究。集矿车的避障路径规 划主要面对的问题就是如何避开不可预见的障碍物并回到预定的轨道上去，所以 本文确立了针对水下未知环境中的静止障碍物情况下，海底集矿车通过传感器逐 点检测、基于模糊决策的避障判断和路径选择、返回预定路径来完成整个局部路 径规划的方法。具体的体现为：若运动前方没有障碍物则集矿车沿预定路径前进； 若运动前方碰到障碍物，则实时的判断出需要转动的方向和转向的角度，沿这个 方向前进一步后再继续重复上述的过程。 2 2 1 1 模糊控制理论概述 自动控制理论已历经经典控制理论、现代控制理论两个发展阶段，现在已 4 中南大学硕士论文 第二章海底集矿车避障规划的研究及仿真 经进入智能理论发展时期。虽然目前对智能控制的界定尚未形成统一的认识，但 人们都不怀疑模糊理论是智能控制理论的重要组成部分。与模糊控制相区别，本 文把经典控制理论、现在控制理论称为传统控制理论。 传统的控制理论在工业生产等许多的领域已经取得了成功的应用。在这些领 域的应用中，控制器的设计都是建立在被控对象精确数学模型的基础之上的，一 般来说，过程描述越精确，控制的效果越好。然而在实际的：i ：业过程往往极其复 杂，具有高度非线行、时变等特征，很难用传统的数学方法为其建立精确的数学 模型，因而使得传统的控制理论的应用受到了很大的限制。事实上，人们在不知 道过程精确模型的情况下，根据自己的操作和控制经验就能实现对复杂工业过程 的良好控制。人类在处理复杂事物及模糊信息方面的能力使得专家吗吸取了人脑 的结构特征及思维特点，形成对复杂系统的简便灵活的控制，模糊控制正是在此 背景下应运而生的。 “模糊”这一概念是美国加州大学b e r k e l e v 分校的l az a d e h 教授于1 9 6 5 在他的开创性论文f u z z vs e t s 中首先提出的1 3 4 】。它的主要思想是将人类所掌 握的知识和经验融合到控制策略中，用于控制缺乏数学模型或很难建立数学模型 的复杂系统。从理论上，模糊控制有以下优势【3 5 。】： 首先，模糊控制无需建模，既模糊控制无需知道被控系统的数学模型。虽然 传统控制中也存在一些无需建模的方法，如非线性自适应控制和p i d 控制，但模 糊控制完全属于另一类更接近人类思维的控制方法； 其次，模糊控制本质上是一种线行控制，只要合适的选择控制器的参数， 就能简单的完成复杂的：| 线性控制任务； 最后，模糊控制能综合利用数据信息和语言信息，这是传统控制方法所无 法比拟的。尤其是在数学模型难以得到时，所能利用的信息来源只有两个，即来 自传感器的数据信息和来自人类专家的语言信息。而传统的控制方法无法利用专 家的谚语言信息，此时，模糊控制的优势就显而易见了。 同时，从实用的观点来看，模糊控制又有以下的特点： 首先是方便易懂。千h 对与以严格的数学方法来解决问题的传统控制理论，模 糊控制模仿人的控制策略，因此即使对非控制类专业人员来说其控制原理也是比 较的容易理解的。 中南大学硕士论文第二章海底集矿车避障规划的研究及仿真 其次是执行简便。模糊系统具有高度的并行处理能力，许多超大规模集成 电路芯片使得模糊控制器的执行快速简便。 再有开发成本低廉。由于模糊控制方法简便易懂缩短了培训时间，可以降低 “软件成本”，同时模糊控制的执行简便，“硬件成本”也降低。另外，模糊控制 器的设计已有现有的软件工具，这样模糊控制就成为一种高性价比的控制方法。 从理论和实用方面的分析表明，模糊控制是一种无需数学模型的仿人非线性 控制器，可以在海底集矿车的局部路径规划中应用。 2 2 1 2 模糊控制基本结构和原理 自e h m a m d a n i 发明第一个模糊控制器以来，不管是哪一类的模糊控制器， 其基本的结构都至少包含四个部分【3 6 1 ：语言变量的模糊化环节、知识库( 一组控 制规则或推理渠道) 、模糊推理机和清晰化环节。 模糊控制器的设计有别与传统的基于传递函数法和状态空问法设计，它采用 目前专家系统、模糊系统、人工神经网络等理论和技术进行控制处理、其应用领 域为那些困难而复杂的控制问题。这些问题一般无法建立数学模型或者可以建立 数学模型但用传统的控制方法难以获得良好的控制效果。一般的反馈控制系统的 结构如下： 图2 2 1 控制系统的基本结构图 用基于模糊的专家控制器代替一般的线性非线性控制器。其基本的工作 模型如下图： 中南大学硕士论文第二章海底集矿车避障规划的研究及仿真 x 1 x 2 x n ! 刚“静匪 y l y 2 y n x 1x n 精确的数字化输入w 。w 。与x 。x 。对应的模糊化的输入 z l - z n 模糊化的输出 y - y 。与z - z t l 对应的精确的输出 图2 2 2 模糊控制器的最基本结构 2 2 1 3 避障规划模糊控制器输入输h 的选择 设计模糊控制器的第一步就是选择输入输出语言变量，输入输出语言变量 选择太多，控制过程就特别的复杂，而且实时性差：输入输出语言变量选择的过 少，就不能对复杂的控制过程进行有效的控制。既然模糊控制是一