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《中南大学》 2011年
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海底钴结壳采矿车路径规划主要技术研究

史春雪  
【摘要】:海底钴结壳是一种生长在水深500-3000m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,深海钻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。随着面向钻结壳勘探开采研究工作的日渐深入,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,提出了一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DEM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Boustrophedon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TSP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SPP问题,通过Floyd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。 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*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γ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。 5)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。
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