（控制科学与工程专业论文）基于信息融合的深海集矿机路径规划.pdf

摘要 深海集矿机作为深海底集矿作业的载体，其作业环境为无自然 光、海底高压、未知复杂环境。如何依靠自身多传感器系统准确、实 时地描述作业环境特征是集矿机路径规划的前提和基础。而集矿机路 径规划技术直接关系整个深海采矿系统的运行性能和采矿效率高低。 本文主要围绕着集矿机系统中的路径规划算法、信息融合方法等展开 研究。目的是设计一种实时、可靠的基于信息融合的深海集矿机路径 规划方法，从而提高集矿机路径规划方法的实时性、最优性和自适应 性。 建立了深海集矿机多传感器两级数据融合模型。根据系统中传感 器的特性采用卡尔曼滤波法对环境位置信息进行融合，并结合多超声 波传感器所测得的环境数据实时更新集矿机的深海环境地图，为集矿 机的路径规划提供了精确的环境依据；借鉴预测控制滚动优化原理， 提出了基于栅格快速搜索法的集矿机滚动路径规划，该方法充分利用 传感器实时测得的局部环境信息，在一系列的移动空间窗口中以滚动 方式进行在线规划，同时将栅格快速搜索算法用于每个窗口下集矿机 的路径优化，克服了现有局部路径方法高复杂性的特点，可以满足集 矿机在海底复杂的未知环境下路径规划的实时性要求；通过对集矿机 的行走控制要求和作业特点的分析，提出了一种基于子区域搜索的覆 盖式深海集矿机路径规划方法。首先根据海底地形先验环境信息，对 作业区域进行划分，然后在以完全覆盖子区域的条件下在子区域规划 出形式统一简单的路径，最后在作业过程中依靠滚动路径规划对路径 进行局部修正。 在v i s u a lc + + 环境下开发了集矿机路径规划仿真平台，并对路径 规划算法进行了仿真，仿真结果验证了算法的有效性。 规划 关键词深海集矿机；信息融合；路径规划；卡尔曼滤波；滚动 a b s t r a c t a st h ec a r d e ro ft a s ka b o u tc o l l e c t i n gt h ep o l y m e t a l i cn o d u l e so n t h ed e e p s e a b e d ，t h em i n i n gv e h i c l ew o r k i n gi nt h en on a t u r el i g h t ，h i g h p r e s s u r e ，u n k n o w n a n d c o m p l e x e n v i r o n m e n t h o wt ou s et h e m i x s e n s o r ss y s t e mt od e s c r i b et h ew o r k i n ge n v i r o n m e n tc o r r e c t l ya n d r e a l t i m ei st h ep r e c o n d i t i o na n df o u n d a t i o no ft h ev e h i c l ep a t hp l a n n i n g 砀eo p e r a t i o np e r f o r m a n c ea n de x p l o i t i n ge f f i c i e n c yo ft h e w h o l e d e e p s e am i n i n gs y s t e ma r ed e c i d e db yp a t hp l a n n i n gt e c h n o l o g y 1 1 1 i s p a p e rh a sd o n e s o m er e s e a r c ho nt h ep a t h p l a n n i n ga r i t h m e t i ca n d i n f o r m a t i o nf u s i o nm e t h o d b a s e do nt h ei n f o r m a t i o nf u s i o nm e t h o d ，a r e a l t i m ea n dt r u s t yd e e p s e am i n i n gv e h i c l ep a t hp l a n n i n gm e t h o di s d e s i g n e d s o t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ev e h i c l e ，s u c ha sr e a l - t i m e ， o p t i m a l i t ya n da d a p t a b i l i t y , h a v ei m p r o v e d t h em u l t i s e n s o rm o d e lo fd e e p - s e a b e dm i n i n g v e h i c l ew a s e s t a b l i s h e d t h em e a s u r e dl o c a t i o nd a t aw a sf u s e du s i n gk a l m a nf i l t e ri n t h em o d e l ，a l lo p t i m a le s t i m a t i o nm e t h o df o rl o c a t i o nd a t aw a so b t a i n e d t or e v i s e dc u m u l a t i v ee r r o rt i m e l y a sar e s u l t ，ap r e c i s ea n dr e a l - t i m e l o c a t i o ns e n s o rs y s t e mw a sr e a l i z e d a tt h es a m et i m e ，t h ew o r k i n g e n v i r o n m e n to ft h ed e e ps e am i n e ri sa p p e r c e i v e db ym u l t i - u l t r a s o n i c s e n s o r s ，w h i c he s t a b l i s ht h er o l l i n gl o c a le n v i r o n m e n tw i n d o w s t h el o c a l e n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o no fm i n i n gv e h i c l em o v i n gw a sr e a l - t i m e l y m e a s u r e d u s i n gt h er o l l i n go p t i m i z a t i o nc o n c e p t i o np r e d i c t i v e c o n t r o l f o rr e f e r e n c e ，an e wm i n i n gv e h i c l er o l l i n gp a t hp l a n n i n gm e t h o db a s e d o nr a p i ds e a r c hg r i d sa l g o r i t h mi sp r o p o s e d as e r i e so fw i n d o w si nt h e m o b i l es p a c eo nar o l l i n gb a s i so n l i n ep l a n e d r a p i ds e a r c hg r i d s a l g o r i t h mu s e df o re a c h w i n d o wm i n i n gv e h i c l ep a t ho p t i m i z a t i o n m i n i n gv e h i c l ew o r k i n gi nt h es e a b e du n k n o w nc o m p l i c a t e dd y n a m i c e n v i r o n m e n t ，t h ep a t h p l a n n i n g r e a l t i m e r e q u i r e m e n t sm e t m i n i n g v e h i c l em o v i n gc o n t r 0 1r e q u i r e m e n t sa n do p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sw a s a n a l y z e d b a s e do ns u b r e g i o n a ls e a r c h ，an e wp a t hp l a n n i n gm e t h o dw a s p r o p o s e d f i r s t ， a c c o r d i n g a st h es u b m a r i n et o p o g r a p h yp r i o r e n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o n ，t h ew o r k i n gr e g i o nd i v i d e d t h e n ，as i m p l e u n i f i e dp a t hw a sp l a n e di ns u b r e g i o n l a s t ，t h ep l a n n i n gp a t h w a s m o d i f i e dp a r t i a l l yi nw o r k i n gb yt h er o l l i n gp l a n n i n g t h ep a t h p l a n n i n gs i m u l a t i o np l a t f o r mf o rm i n i n gv e h i c l ei s d e v e l o p e di nv i s u a lc + + e n v i r o n m e n t t h e nt h es i m u l a t i o no fp a t h p l a n n i n ga l g o r i t h mi sp r e s e n t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l tp r o v e dt h ev a l i d i t y o fa l g o r i t h m k e yw o r d s d e e p - s e a b e dm i n i n gv e h i c l e ；d a t af u s i o n ；p a t hp l a n n i n g ； k a l m a n f i l t e r ；r o l l i n gp l a n n i n g 1 1 1 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，除了论文中特另t l d i ：l 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：壅盟 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：新鼍墨导师签名日期：旦年二月翌日 中南大学硕上学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 机器人的诞生和机器人学的建立，是2 0 世纪人类科学技术的重大成就。作 为机器人学核心的机器人控制，是一项跨越多个学科的综合性科学技术，它涉及 到自动控制、计算机、传感技术、人工智能、电子技术和机械工程等多个学科领 域的内容i l 】。近年来，随着与其相关的诸多学科领域技术的发展，机器入学技术 取得了长足的进步，机器人的应用也越来越广泛。在机器人5 0 年的发展过程中， 其功能已从进行简单的操作发展到能承担多种任务；工作环境也从固定的工厂或 车间转移到户外，从陆地延伸到海洋、天空。 深海集矿机属于自主式机器人的一种，这类机器人可以代替人类实现很多繁 重或恶劣条件下人类无法胜任的工作。采矿作业时要求集矿机在水深6 0 0 0 m 左 右的海底软泥上行走并采集赋存于海底的多金属结核，因此，深海集矿机作为深 海采矿系统的随动中心，是整个系统的核心设备，承担了深海采矿最复杂最危险 的任务1 2 j 。 1 2 深海采矿研究意义 随着世界经济和工业生产的飞速发展，对矿产资源的需求量与日俱增。目前， 陆上的矿产资源正在日益减少，某些矿产资源的短缺已经形成国民经济发展的阻 碍。经过多年的海洋资源勘探和调查，深海海床蕴藏着各种异常丰富的矿产资源。 据1 9 6 5 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1 3 】，世界各大 洋多金属的储量约有2 - - 3 万亿吨，仅太平洋就有1 7 万亿吨。它广泛分布于水 深4 0 0 0 - - - 6 0 0 0 m 深海底，丰度达5 1 8 k g m 2 。含有铜、钴、镍、锰、铁、钨、 钛、钼、金、银、铂等7 0 多种元素，其中钴、铜、锰的平均品位分别为0 2 2 、 1 0 0 、2 5 0 0 。据测算，分布在太平洋的锰储量达2 0 0 0 亿吨，相当于陆地上 的5 7 倍；镍9 0 亿吨，相当于陆地的8 3 倍；铜5 0 亿吨，相当于陆地上的9 倍； 钴3 0 亿吨，相当于陆地上的5 3 9 倍。因此，大洋矿产资源已成为世界各国瞩目 的具有商业开发前景的2 l 世纪战略资源。 从二十世纪六十年代开始，世界工业发达国家独立或联合投入大量资金进行 大洋采矿的概念性与试验性研究，并取得了相应成果。鉴于矿产资源对于各国经 济发展的重要性，世界大多数国家主张“海洋是共同的财富”而反对少数几个国 家坚持的“海洋自由”的主张【4 1 。1 9 8 2 年1 2 月联合国通过了“国际海洋公约”。 到目前为止，包括中国在内的7 0 多个国家设立了2 0 0 海罩专属经济区 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( e e z e x c l u s i v ee c o n o m i cz o n e ) 。2 l 世纪，大洋采矿将成为世界经济的竞争主 战场之一。 中国在2 0 世纪7 0 年代开始进行大洋多金属结核资源采、选、冶的情报研究， 收集了大量的国外技术资料和专利文献，为开展大洋采矿技术研究做了前期准 备。2 0 世纪8 0 年代初派出调查船在中太平洋开始调查。1 9 9 0 年国务院批准将“大 洋多金属结核矿产资源研究开发”列为长远发展项目，成立了中国大洋矿产资源 研究开发协会。随后，中国大洋协会组织制定了大洋多金属结核资源研究开发 第一期( 1 9 9 1 一2 0 0 5 年) 发展规划，提出了明确的阶段目标和实施计划f 5 】。 大洋多金属结核的开采是较航天技术难度更大的一项高新技术，采矿设备需 要在环境极度恶劣的6 0 0 0 m 深海底按预定的路径进行高效率采集结核。由于高 压、低温、腐蚀性和缺氧，在深海底实现人工操作极其困难，因此必须设计可靠、 安全、高智能的自主无人驾驶的深海采矿系统，代替人类直接深入海底进行采矿 作业。深海采矿系统由深海精确定位子系统、深海地形、地貌测量子系统、深海 底自动导航子系统、深海通信及动力传输子系统等组成。只有各个子系统的密切 配合，才能保障采矿系统的正常运行。由于它的带动，许多科学和技术领域将得 到飞速的发展，如海洋自动观测技术、海洋遥感技术、水声技术、水下工程探测 技术、海洋地质和地球物理勘探技术、超高强度和耐高压材料、深海密水技术、 人工智能、机器人技术等【6 。 。 1 3 深海集矿机主要研究方向 深海集矿机作为深海底集矿作业的载体，是深海采矿系统中技术最复杂、最 关键的部分。对深海集矿机的研究涉及多个前沿学科领域，其中，又以人工智能、 智能控制和传感技术为其研究的重剧9 1 。 1 集矿机的体系结构 一般的说，系统的体系结构是指系统的软、硬件的组织形式，也就是说系统 的各个部分是如何有机地结合在一起的【l o l 。它在集矿机系统中起着统帅全局的作 用，是系统的灵魂。对于集矿机系统来说，体系结构直接影响着系统的性能。体 系结构的要求是：系统的鲁棒性要强、系统的模块化程度要高、系统的可扩展性 要强、系统的智能性要高。 目前，在机器人的研究中提出了许多体系结构i 】，但从对系统的分解方式来 看主要有两种：功能分解型和行为分解型。功能分解型的原理是：整个系统按需 要完成的功能被分成了感知、建模、规划、执行四大部分，其每一个工作周期都 包括了这四个部分。行为分解型的原理是：根据机器人需要完成的任务，将系统 的行为划分为几个不同的模块，每一个模块都能独立控制机器人完成一个特定的 行为。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 2 深海底未知环境的导航和定位技术 在集矿机的实际应用中，精确的位置定位是一个基本问题1 2 】。然而深海底一 片漆黑，而且由于电磁波在水中的衰减很快，g p s 信号不能到达6 0 0 0 米深的海 底。现有的深海定位系统多采用基于声学定位的长基线、短基线、及超短基线技 术。其中，定位精度最好的长基线定位系统也只能达到米级的定位精度【1 2 】。因此， 只能主要依赖惯性导航。另外，采矿车行走和采矿时会掀起大量的海底沉积物， 这将使得采矿车周围的环境受到严重扰动，使摄像头等传感器的性能受到严重影 响。研究以惯性导航为主的深海底自动导航和定位技术也是深海集矿机正常工作 需解决的关键问题之一。 3 集矿机的路径规划 早期的机器人运动研究曾被称为路径规划或轨迹规划【1 3 , 1 4 】。路径规划是为避 障以及满足作业而进行的以运动安全性为主要标志的路径设置。而轨迹规划则是 在路径规划完成后，为满足控制的需要以运行精度和时间为主要性能指标的生成 运动序列点的策略。两者其实是紧密相连的，但由于障碍约束的复杂性，才使路 径规划问题忽视考虑机器人物理系统的轨迹规划而独立出来。复杂环境下的路径 规划问题一直是一个没有得到很好解决的难题。深海集矿机车的作业属于未知环 境，特种机器车的路径规划范畴，是一个具有一定挑战性的研究课题。 4 多传感器信息融合技术 多传感器信息融合是指对不同知识源和传感器采集的数据进行融合以实现 对观测现象更好理解【1 5 , 1 6 。多传感器融合系统可以有效地解决单传感器的模糊 点，更精确地观察和解释环境。集矿机工作于动态变化、不确定与非结构化的海 底未知环境中，这些高度不确定的环境要求集矿机具有高度的自治能力和对环境 的感知能力，采用多传感器数据融合技术可以使集矿机具有感知外界环境及其变 化的能力【1 7 】。目前，集矿机车身上安装了多类传感器，如何有效的利用多个传感 器搜集到的环境信息去感知外部环境并做出实时的响应，是集矿机自主化作业的 一个关键问题。 1 4 课题的背景及意义 “十五”期间，6 0 0 0 米深海底集矿机控制技术研究被列为国家大洋协会“十 五”攻关的重点之一。本论文研究内容为该项目的子课题。在本文中着重研究多 传感器信息融合和路径规划两个子问题。 深海底采矿机器车是深海底集矿作业的载体，为深海底采矿系统中技术最复 杂、最关键的部分。其技术难点在于如何保证采矿车在6 0 0 0 米深海未知环境中 正常可靠地行驶，并能保证以较高的效率收集多金属结核。这就需要根据集矿机 的自身需求和海底的特殊环境设计一种安全、可靠的路径规划方法。深海集矿机 中南大学硕一l 学位论文第一章绪论 工作的环境及其恶劣，是未知时变环境，单一独立的传感器系统不足以为集矿机 路径规划提供正确的环境依据，如何依靠车身上的多类传感器感知作业环境及其 变化是集矿机自主作业的基础，而避障路径规划则保证了集矿机能够安全快捷的 到达指定目标，如果避障路径规划的效果不好，轻则大大降低集矿机的采矿效率， 造成矿产资源的浪费，重则使集矿机无法避开障碍物，造成设备损坏。从以上分 析可以看出路径规划和信息融合是集矿机自主、高效、安全作业的关键所在，本 文所提出基于信息融合的深海集矿机路径规划方法具有极高的研究价值和应用 意义。 1 5 移动机器人路径规划研究现状 深海集矿机是一种自主式移动机器人，路径规划是自主式移动机器人的重要 研究领域。移动机器人的路径规划是指在有障碍物的工作环境中，按照一定的性 能指标( 如距离、时间、能量等) ，寻找一条从给定起点到终点的运动路径，使机 器人在运动过程中能安全、无碰地绕过所有障碍物【i 引。所谓动态不确定环境，是 指移动机器人只能通过传感器探测其周围有限范围的环境信息，或是虽然有先验 的全局环境信息，但环境中的障碍物是动态变化的。在机器人的路径规划问题中， 动态不确定环境下的路径规划是一个研究热点，也是一个没能妥善解决的难题。 移动机器人的路径规划方法通常分为全局路径规划和局部路径规划方法1 9 】， 下面就国内外路径规划问题研究中常见的各种方法做简要的介绍。 1 5 1 全局路径规划方法 全局规划方法主要是以基于c 空间的自由空间法等各种几何以及拓扑法这 两大方面为主，它包括环境建模和路径搜索两个子问题。最初开始研究路径规划 问题的时候，主要采用基于直角坐标空间的假设和检验方法，这种最早的全局路 径规划法比较简单，但实时性差，无法获得要求的优化路径1 1 9 1 。直到8 0 年代初， 各种相对完善的环境建模法被提出，如：自由空间法，栅格法，构形空间法等， 与之相关的各种几何法和拓扑法也应运而生，使得全局规划算法逐渐步入了成熟 阶段。 1 自由空间法( f r e es p a c e a p p r o a c h ) b r o o k s 【2 0 】提出的自由空问法采用预先定义的如广义锥形和凸多边形等基本 形状构造自由空间，并将自由空间表示为连通图，通过搜索连通图来进行路径规 划。该方法比较灵活，起始点和目标点的改变不会造成连通图的重构，但算法的 复杂程度与障碍物的多少成正比，且不是任何情况下都能获得最短路径。 2 可视图法( v i s i b i l i t yg r a p hm e t h o d ) n i l s s o n l 2 1 ，2 2 】提出的可视图法将机器人视为一点，假定障碍物是多边形或者多 面体，自由空间由n 条直线边缘所围成，将机器人、目标点和障碍物各顶点进行 4 中南大学硕上学位论文第一章绪论 组合连接，要求机器人和障碍物各顶点之问、目标点和障碍物各顶点之间以及各 障碍物顶点与项点之间的连线，均不能穿越障碍物，即直线是可视的。搜索最优 路径的问题就转化为从起始点到目标点经过这些可视直线的最短距离的问题。该 法能够获得最优路径，但假设机器人的尺寸大小忽略不计，使得机器人通过障碍 物顶点时离障碍物太近甚至接触并且搜索时间过长，对n 条连线的搜索时间为 o fn 2l l 乃】。h a n p a n gh u a n g 和s h u y u nc h u n g 提出了一种快速的动态可视图法 ( d y n a m i cv i s i b i l i t yg r a p h ：d v g ) 用以沿着凸多边形障碍物构建简化的路标，加快 了算法搜索的速度1 2 4 j 。 3 栅格法1 2 5 瑚 ( g r i d sm e t h o d ) 栅格法将机器人工作环境分解成一系列具有二值信息的网格单元，多采用四 叉树或八叉树表示工作环境，并通过优化算法完成路径搜索。该法以栅格为单位 记录环境信息，环境被量化成具有一定分辨率的栅格，栅格的大小直接影响着环 境信息存储量的大小和规划时间的长短。栅格划分大了，环境信息存储量小，规 划时间短，但分辨率下降，在密集环境下发现路径的能力减弱；栅格划分小了， 环境分辨率高，在密集环境下发现路径的能力强，但环境信息存储量大，规划时 间长。袁曾任等提出了将改进的栅格法与回归预测法结合起来【27 1 ，对栅格的改进 采用以障碍物为单位记录信息量，这样比原来以栅格为单位记录的信息量大大减 少，克服了栅格法中环境存储量大的问题，提高了实时性。 1 5 2 局步路径规划方法 局部路径规划，就是在环境未知或部分未知的情况下，依赖于传感器获得的 信息，包括障碍物的尺寸、形状和位置等信息所进行的规划，即必须通过传感器 获得的路径规划。局部路径规划是当前移动机器人路径规划的研究热点，主要方 法有：人工势场法、遗传算法、神经网络和模糊逻辑算法等。 1 人工势场法( a r t i f i c i a lp o t e n t i a lf i e l d ) 人工势场法是由k h a t i b l 2 8 】提出的一种虚拟力法。实质是对机器人运动环境的 一种抽象描述，它把规划中的目标点当作引力源，而障碍物和其它机器人被当作 斥力源，由它们的合力为移动机器人产生一个虚的推动力，来控制机器人的运动 方向，使机器人绕过障碍物朝目标前进。该法结构简单，便于低层的实时控制， 在实时避障和平滑的轨迹控制方面，得到了广泛应用。在局部的路径规划中，单 一的采用人工势场法由于缺乏全局信息，因而存在局部极值点的问题，可能使移 动机器人在到达目标点之前就停留在局部最优点1 2 9 1 。b u m s 和w e i s s 提出用l a p l a c e 微分方程去改进势场函数，从而避免陷入局部最优的问题1 3 0 l 。 2 遗传算法p 2 j ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) j h o l l a n d 在6 0 年代初提出了遗传算法，这是一种以自然遗传机制和自然选择 中南火学硕士学位论文第一章绪论 等生物进化理论为基础的搜索算法。它利用选择、交叉和变异来培养控制机构的 计算程序，在某种程度上对生物进化过程做数学方式的模拟。多数优化算法都是 单点算法，很容易陷入局部最优，而遗传算法为复杂的搜索空间提供了一个鲁棒 的多点搜索算法，提高了搜索到全局最优解的可能性，算法的整体搜索策略和优 化计算只利用函数的适应值信息，而无需应用梯度信息，解决了一些其他优化算 法无法解决的问题【3 3 1 。因此，遗传算法在移动机器人路径规划方面得到了广泛的 应用。但是遗传算法的数学基础公认是不完善的，使得该方法在处理复杂环境下 的路径规划问题时存在一些不足之处：容易出现未成熟解，陷入局部最优；初始 群体规模大时，虽然可以提高收敛全局最优解可能性，但是收敛速度较慢，耗时 长【3 4 1 。周明等提出一种遗传模拟退火算法，利用遗传算法与模拟退火算法相结合 来解决机器人路径规划问题，有效地提高了路径规划的收敛速度【3 5 1 。 3 神经网络1 3 6 1 ( n e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h m s ) 1 9 8 6 年r u m e l h a r t 和m c c l e l a n d 提出了多层网络的前馈学习算法，h i b p 算法 1 3 刀，该算法从后向前修正各层之间的连接权值，可以求解感知机无法解决的问题， 人工神经网络控制由此发展起来。 路径规划是感知空间到行为空间的一种映射。映射关系可用不同方法实现， 但很难用精确数学方程表示，而采用神经网络同则容易表示1 3 引。神经网络具有任 意逼近精确函数的能力，它将传感器数据作为网络输入，由人给定相应场合下期 望运动方向角增量作为网络输出，由多个选定位姿下的一组数据构成原始样本 集，经过剔除重复或冲突样本等加工处理，得到最终样本集。神经网络具有较强 的学习和适用能力，但获取具有代表性的训练样本不容易。 4 模糊逻辑算法【3 9 ，4 0 l ( f u z z yl o g i ca l g o r i t h m s ) 模糊逻辑法是基于对驾驶员的工作过程的观察研究得出的，它基于传感器得 到实时测量信息，通过查表得到规划信息。其优点是计算量不大，易做到边规划 边跟踪，能满足实时性要求，克服了势场法容易产生局部极小问题的缺点，对处 理未知环境下的规划问题显示出很大优越性；对于解决用通常的定量方法来说是 很复杂的问题，或当外界只能提供定性近似的、不确定信息数据时非常有效，适 用于时变未知环境的路径规划。模糊控制算法虽然有诸多优点，但也有其固有缺 陷：首先是人的经验不一定完备；其次，当输入量增多时，推理规则或模糊表会 急剧膨胀1 4 。 1 6 信息融合技术在机器人路径规划中的研究现状 对外界环境的感知是自主移动机器人路径规划系统自动化和智能化的基本 要求，而多传感器信息融合技术正是提高系统感知能力的有效方法。因此随着信 息融合技术的同益发展和成熟，它必将在更多的领域得到更深入的应用，更好地 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 提高系统的智能水平。移动机器人采用多传感器信息融合技术，就是为了实现移 动机器人的目标识别、路径规划、跟踪、定位以及感知自身状况等。目前，国内 外学者在移动机器人领域对信息融合技术的研究非常的活跃。 1 9 7 9 年，瑚l a i 也成为第一个应用多传感器信息( 视觉、声音、激光测距) 创建的可移动机器人f 4 2 l ，实现了在人造未知环境中的稳定工作。s t a n f o r d 大学研 制的移动机器人则将触觉、立体视觉和超声波传感器用于非结构化的人为环境中 的机器人导航，两维的环境模型采用分层表示，卡尔曼滤波用于机器人运动时的 动态信息融合1 4 3 1 。b a s t o s f i l h o 和t f 应用超声波传感器和c c d 摄像机对移动机器 人障碍物空间进行探测】，获得障碍物与机器人的距离及障碍物相对机器人的方 位，为机器人提供周围精确的环境信息。1 9 9 7 牛津大学机器人研究小组采用分布 式滤波及局部智能控制代理的系统模式，利用卡尔曼滤波方法融合来自摄像机、 激光测距、声纳的数据信息，设计出了在已知或未知的工厂环境下工作的移动机 器人o x f o r da g v s 4 5 1 。 国内信息融合在机器人上的应用研究起步比较晚，但发展非常迅速。基于多 传感器信息的移动机器人障碍物探测技术在清华大学的智能移动机器人得到很 好的应用【2 7 1 ，它采用改进的栅格法来处理来自多组超声波传感器的数据信息，获 得障碍物的三维空间信息，实现了机器人的局部路径规划。中科院沈阳自动化研 究所于2 0 0 2 年研制的“c a s i a i 智能移动机器人利用分布在机器人上的多个红 外传感器，超声波传感器和摄像机，在多传感器信息融合的基础上完成感知周围 环境及其变化，实现躲避障碍物、寻找最优路径、轨迹跟踪等功能。哈尔滨工业 大学开发的全方位移动机器人平台，对红外、超声、定向陀螺、码盘和g p s 等传 感器给出的环境信息进行融合，实现了了复杂未知环境移动机器人的自主导航 【4 6 j 。在深海集矿机信息融合的研究方面，实验室师兄魏炜等在基于信息融合的定 位和轨迹规划问题上进行了深入研究，取得了较好的效果。 1 - 7 本文的研究内容和结构安排 通过对集矿机系统的关键技术的研究现状和发展趋势进行了充分的调研之 后，本文主要围绕集矿机系统中多传感器系统的搭建、多传感器的信息融合方法、 局部和全局的路径规划算法展开研究。基于研究内容，本文分六章来论述，结构 安排如下： 第一章为绪论，本章首先简单介绍了深海采矿技术的研究背景和意义，以及 深海集矿机的主要研究方向，然后回顾了过去几十年中一些具有代表性的机器人 路径规划方法和信息融合技术在机器人研究中的现状，最后概要的介绍了本论文 的内容和结构安排。 第二章主要是对面向路径规划的多传感器信息融合的方法进行了研究。对系 7 中南大学硕上学位论文 第一章绪论 统中的传感器原理和特性进行了详细的分析，以此为依据构建了深海集矿机多传 感器信息融合模型，并设计了基于自适应卡尔曼滤波的位置数据的信息融合算 法。 第三章提出了基于栅格快速搜索法的滚动路径规划方法。借鉴预测控制滚动 优化原理，以多超声波传感器建立滚动的局部栅格环境视窗，在一系列的移动视 窗中采用栅格快速搜索法进行局部路径规划，逐步逼近目标点。 第四章对集矿机全区域覆盖式路径规划的特点进行了分析，采用了一种基于 子区域搜索的覆盖式路径规划方法，详细介绍了算法的步骤。 第五章在v i s u a lc + + 环境下开发了集矿机路径规划仿真平台，并对文章中提 出的路径规划算法进行了大量的仿真试验及分析。 第六章对于本论文的研究进行了总结，并对有待进一步研究的问题进行了分 析和展望 8 中南大学硕士学位论文第二章面向路径规划的集矿机多传感器信息融合 第二章面向路径规划的集矿机多传感器信息融合 对于集矿机自主行走控制来说，对环境信息的理解和建模功能是系统的核 心，因此集矿机的路径规划系统研究就是针对所处作业环境选择相应的传感器， 在海底未知环境下依靠传感器系统不断感知自身位置和环境信息，准确地，实时 地描述集矿机周围的环境特征，然后根据传感器信息特征采用相应的环境模型， 为定位、导航、运动规划与控制提供可靠的依据，最后建立面向海底环境模型的 路径规划控制算法，躲避障碍物，不断趋近目标。 2 1 多传感器信息融合技术 信息融合称为数据融合，亦称多传感器数据或信息融合，就是利用多个传感 器的信息，进行分析、处理与综合，得到对环境或目标的判断测量，并形成综合 的发展趋势。有时可以得到单个传感器无法得到的信息，解决单个传感器无法解 决的问题。信息融合系统在国外从7 0 年代初期已开始研究，8 0 年代初，传感器 技术的飞速发展推动了信息融合技术的研究。经过3 0 多年的发展，信息融合技 术己广泛应用于许多军事及民用领域【4 7 ，4 8 1 。 采用多传感器数据融合技术在解决目标探测、跟踪和识别等方面，和使用单 传感器比较，具有以下特点。 1 生存能力强。在有若干传感器不能被利用或受干扰，或某个目标不在覆 盖范围内时，总有一种传感器可以提供信息，是系统能够不受干扰连续尽心、弱 化故障、并增加检测概率。 2 扩展空间覆盖范围。通过多个交叠覆盖的传感器作用区域，扩展了空间 的覆盖范围。一些传感器可以探测到其他传感器探测不到的地方，进而增加了系 统的监视能力和检测概率。 3 扩展时间覆盖范围。当某些传感器不能探测的时候，另一些传感器可以 检测、测量目标，即多个传感器的协同作用可以提高系统的时问检测范围和检测 概率。 4 可信度高、信息模糊度低。一种或多种传感器对同样的目标加以确认， 多传感器的联合信息降低了目标时间的不确定性。 5 探测性能好。对目标的多种测量的有效融合，提高了探测的有效性。 6 空间分辨力高。多传感器融合可以获得比任何单个传感器更高的分辨力， 并用改善目标位置数据支持防御能力和攻击方向的选择。 7 系统可靠性。多传感器信息融合虽然具有很多优点，但与单传感器相比， 多传感器系统的复杂性大大增加，由此会产生一些不利因素，如提高成本、降低 9 中南大学硕士学位论文第二章面向路径规划的集矿机多传感器信息融合 系统可靠性、增加识别物理因素等 集矿机需要在海底各种不确定的环境中作业，其首要任务是确切知道其所处 环境，给出环境模型的描述。使用多种不同的传感器可以获得环境的多种特征， 包括局部的、间接的环境知识。环境的统一描述将在这些知识上进行，所以一个 具有很强适应能力的多传感器信息融合系统是反映集矿机自主智能水平的重要 条件之一。 2 2 深海集矿机传感器的选择 传感器的选择主要是考虑集矿机的工作需求和应用特点，对集矿机感知系统 的选择则需要根据海底环境以及该环境信息的类型为基本依据。集矿机对传感器 的要就基于以下几点： 1 适应6 0 0 0 米深的水底环境。长期工作于海底使得集矿机上安装的传感器 不仅需要长期浸泡于海水中，而且需要承受6 0 m p a 的巨大水压，一般传感器根 本无法工作，因此选择传感器的前提条件便是需要其能在海底正常工作。 2 精度高、重复性好。集矿机的传感器的精度直接影响机器人的工作质量。 用于检测和控制集矿机运动的传感器是控制集矿机定位精度的基础。集矿机是否 能准确无误的正常工作，很大程度上取决于传感器的测量精度。 3 稳定性好、可靠性高。集矿机传感器的稳定性和可靠性是保证集矿机能 够长期稳定可靠地工作的必要条件。 4 抗干扰能力强。由于集矿机工作环境条件的恶劣，以及集矿机多个传感 器安装位置的局限，集矿机传感器需要在承受一定的电磁干扰和很强振动的条件 下正常工作。 本文中集矿机所要求实现的功能有：定位，导航，环境感知等。集矿机需要 采用传感器检测集矿机的运动状态和环境信息，基于以上的标准和需求，集矿机 上选取了多类传感器建立了集矿机定位传感器系统和环境感知传感器系统。 2 2 1 集矿机定位传感器系统 根据所使用传感器的类型的不同，应用于机器人的定位方法有内部传感器定 位，路标定位，视觉定位，激光定位等。但由于海底的特殊环境，光线较暗，而 且水中对激光和电磁波的衰减较大，所以不适于采用后两种定位方法，内部传感 器定位原理简单，容易实现，但无法自我修正累积误差。路标定位精度相对较高， 但计算量大，实时性差。为了全面解决移动集矿机定位问题，综合使用这两种方 法是最优的设计方案。集矿机的左右履带的驱动轮上各自配备了一个光电编码 器，由两个光电编码器的实时检测数据和相应的位置累积算法构成了里程计式的 内部相对定位传感器。同时，在采矿船上设计了水声接收装置，来感知海底固定 路标和集矿机的位置，确定集矿机与路标的相对位置，经过定位计算，获得集矿 1 0 中南大学硕士学位论文第二章匝向路径规划的集矿机多传感器信息融合 机的定位信息。利用里程计的数据满足系统对定位信息的实时要求，定期根据长 基线水声的绝对定位数据修正里程计的累积误差，从而实现了精度较高、实时性 较强的定位系统。 1 里程计相对定位传感器 里程计相对定位利用左右履带驱动轮上的光电编码器记录车轮转动的圈数 来计算集矿机相对于初始位置的偏移来实现相对定位，又称之为航迹推算，它是 实现相对定位最简单方便的传感器，价格低廉并且能够实现实时性。但是由于是 通过对两个驱动轮在时间上的位移量的累加来实现定位，因此随着运动距离的增 大必然会导致无限的误差累积。来自于集矿机本身的系统误差，如驱动轮间轴距 的误差，编码器的分辨率和采样速率误差等，以及来自外界条件的非系统误差， 如松软的海底，履带与海底之间存在打滑与细小障碍物的碰撞等，都是定位误差 的来源。 设车轮半径为厂，光电编码器为p 线转，垃时间内光电编码器输出的脉冲 数为，则该车轮移动距离d 为： a d = 2 x ( n p ) x z r r ( 2 一1 ) 假设由光电编码器检测出机器人左右驱动轮的移动距离分别为a d i 和以， 且两轮间距为口，集矿机从位姿置= ( x k ，y k ，依) 运动到以+ 。= ( x k 小y k 小哦+ ，) 。则 集矿机移动的距离为a d = ( 或+ a d 詹) 2 ，集矿机转过的角度为 a 0 = ( a d l a d 月) a 。 如图所示，假设g k = ( 蛾，哦) 1 是集矿机里程计定位传感器系统的输入， 其中a d k 是集矿机在垃时间内运动所经过的弧长，而皖是集矿机终止位姿和起 始位姿的方向角的差值，因此集矿机的运动半径可表述为 气= 告 ( 2 - 2 ) 路径可以由两种简单的路径类型来表示，圆弧运动和直线运动【4 9 1 。圆弧运动 是一种通用的运动模型，其不但考虑了集矿机运动中的位移变化，同时还考虑运 动中航向角的变化，则用里程计参数和终止位和起始位的方向角差值f 皖i 得： 厂( x k u 。) = 以+ 筹( s i n ( 哦+ 刚确 儿+ 筹( c 。s ( 最+ 皖) 一c o s 皖+ 最 ，l 皖l 0 ( 2 3 ) 中南人学硕士学位论文第二章面向路径规划的集矿机多传感器信息融合 图2 - i 里程计定位传感器模型及集矿机运行中的几何关系 结合图2 1 ，做角只的角分线，其与弧蛾对应的弦垂直相交并将其平分， 由图2 1 所示几何关系可得集矿机在x 方向和y 方向的位移增量可表示为： 瓴：2 r ks i n 竽s 心+ 华1 ( 2 - 4 ) 二 二 a y 。：2 r ks i n 竽s i n f 幺+ 竽1 ( 2 - 5 ) 二 二 经过三角公式转化并带入公式( 2 2 ) 就可推出公式( 2 3 ) 。 2 长基线水声定位传感器 目前，水下目标定位跟踪的主要手段仍是依赖于几何原理的水声学定位方 法。在这些方法中，依据测量基线的长度分类，有超短基线( u s b l s s b i ) 、短基 线( s b l ) 和长基线( l b l ) 方式【5 0 】。一般而言，长基线方式较超短基线和短基线方 式定位精度高，作用范围大，用于时延、相位和频率等参数估计的水声信号处理 系统和用于载体姿态修正和航迹滤波等的后置数据处理系统简单，测量基阵安装 校准精度要求较低，因此在海洋工程和水下作业时精确测量定位中有重要应用。 长基线基阵安装在母船上，长基线水声定位系统由导航处理器、换能器基阵 组成，如图2 2 所示。其中换能器基阵由一个发射器和多个接收器组成，水声发 射器发出声询问信号，安装于深海集矿机上的声信标收到询问信号后经过一个固 定的时间延时，返回应答信号，根据深海集矿机应答信标发出的声信号到达长基 线接收基阵各接收换能器的相位差即可计算出深海集矿机相对母船的位置坐标。 1 2 中南大学硕士学位论文第二章面向路径规划的集矿机多传感器信息融合 图2 - 2 长基线水声定位系统 设长基线水声定位系统由四个阵元组成，四个阵元布成边长为5 o n 的正方 形测量阵，阵形如图2 3 所示。 3 ( x 3 ，y 3 ，z 3 )2 ( x 2 ，3 2 ，z 2 ) 图2 3 长基线水声定位系统阵形图 四个阵元的坐标分别为( ，儿，刁) ，f = o ，1 ，