2.4 地形通行性评估
前文已经阐明了地表几何特征的提取方法，但是，不同类别的地表几何特征分别在什么范围内取值？以什么样的标准划分范围来表达机器人不同的通行性？本书通过模糊逻辑的方法进行解决。
模糊逻辑[127]结合专家知识，运用近似自然语言的方式，对于处理数据的不确定性具备很好的效果，通过克服噪声和误差，可以实现输入输出之间的映射。水下地形本身非常不规则和非结构化，对地形三维重建不可避免存在误差，地形特征与真实值之间往往会有偏差，基于规则的推理可以减少系统不确定性，实现稳定的可通行性评估。
L.A.Zadeh发展了模糊理论，提出了把基于逻辑规则的语言转化成确定控制量的思想，奠定了模糊控制的理论基础。模糊控制主要组成部分为：模糊化、模糊推理、知识库和解模糊化[128]，如图2-9所示。
图2-9 地形通行性模糊化推理
（1）模糊化
将输入的确定量转换成模糊量。其中输入量为地形特征，包括坡度、起伏度及粗糙度。具体过程如下：首先对输入量进行处理，使其变成模糊控制要求的输入量；变换处理过的输入量的尺度，能够使其变换到各自的论域范围；对变换到论域范围的输入量模糊处理，使确定的输入量转换成模糊量，并用模糊集表示。
（2）知识库
知识库由规则库和数据库两部分组成：规则库包括用模糊语言变量表示的一系列控制规则，反映了控制专家的知识和经验；数据库包括尺度变换因子、模糊空间的分级数以及各语言变量的隶属度函数等。
（3）模糊推理
作为模糊控制的核心，模糊推理具有基于模糊概念的推理能力。推理过程是通过基于模糊逻辑中的推量规则及蕴含关系来进行的。
（4）解模糊化
将模糊推理得到的通过性描述的模糊量转换为确定的通过性指数。
2.4.1 钴结壳底质地形通行性评估
在钴结壳矿区中，基于地形几何特征的可通行性分析，主要依赖于机器人自身的越障能力，包括以下三个方面。
1）斜坡障碍：区域的平均坡度过大，超过机器人的爬坡限制；
2）起伏障碍：区域中存在较大的高程差，机器人难以翻越；
3）粗糙地形：区域中的地形粗糙度超过规定阈值，车体行走过程中颠簸严重，影响行驶稳定性。
为了贯彻执行国家海洋技术开发战略，根据“十五”课题（深海钴结壳采集模型机关键技术及装备研究）的研究成果和“提出未来钴结壳采掘样机设计方案”的要求，我国深海钴结壳采矿模型车的某些相关参数如表2-1所示。
表2-1 水下钴结壳采矿模型车相关参数
根据模型车的设计方案和对海洋实验室实验车的多次实验，最终可以得到地形几何特征模糊化的依据。
（1）地形几何特征模糊化
在模糊逻辑中，隶属度函数μs（s）反映了变量s对集合S的隶属程度，μs（s）的值域为[0，1]。典型的隶属度函数μs（s）定义如下
（2-28）
这种隶属度函数在二维图上表现为梯形。
以实验室现有采矿实验车为例（详见本书第6章），通过对其行走越障能力的反复实验，得到如下地形模糊评价。
1）地形坡度的模糊评价 将地形坡度予以模糊化，其隶属度函数μs（ss）的定义为
（2-29）
（2-30）
（2-31）
式中，ss为地形坡度变量。
2）地形起伏度的模糊评价 按照现有实验车的行走特性，（详见本书第6章），得到起伏度隶属度函数μu（su）的定义
（2-32）
（2-33）
（2-34）
式中，su为地形起伏度变量。
3）地形粗糙度的模糊评价 同理，地表粗糙度的隶属度函数μr（sr）定义为
（2-35）
（2-36）
（2-37）
式中，sr为地形粗糙度变量。
用模糊语言表达隶属度函数{flat，slanted，steep}，如图2-10（a）；起伏度表达为隶属度函数{even，rolling，uneven}，如图2-10（b）；粗糙度表达为隶属度函数{smooth，bumpy，rocky}，如图2-10（c）；通行性表达为隶属度函数{low，median，high}，如图2-10（d）。
图2-10 钴结壳地形模糊化隶属度函数
（2）地形特征参数的模糊规则
表2-2为水下钴结壳底质地形可通行性规则库。
表2-2 水下钴结壳底质地形可通行性规则库
（注：表中—表示该项对结果无影响）
（3）解模糊化
本书中解模糊化使用重心法[127]
（2-38）
式中，v，u分别为模糊输入和输出。
2.4.2 基岩底质地形通行性评估
在满足机器人通行的条件下，基岩底质地形会被认为是过渡区，即：机器人因为绕障安全等的原因，必须经过该区域，此时采矿头抬起，视为采集路线的过渡；而无法通行的区域，成为不安全过渡区。
为了描述方便，本书略去隶属度函数建立过程，方法同2.4.1，以下是水下基岩底质地形通行性规则库和模糊化成员函数。
用模糊语言表达隶属度函数{flat-transition，steep-transition}，如图2-11（a）；起伏度表达为隶属度函数{even-transition，uneven-transition}，如图2-11（b）；粗糙度表达为隶属度函数{smooth-transition，rocky-transition}，如图2-11（c）；通行性表达为{safe-transition，unsafe-transition}，如图2-11（d）。
图2-11 基岩地形模糊化成员函数
表2-3为水下基岩底质地形可通行性规则库。
表2-3 水下基岩底质地形可通行性规则库
2.4.3 水下泥沙砾底质地形通行性评估
水下沙砾泥混合物底质，一方面造成机器人沉陷，使采矿作业难以正常进行；而又在开采工作中引起巨大扰动，使定位系统和探测系统无法正常工作。因此，当水下某块区域底质为沙砾泥混合物时，被视为障碍区。