1.2 水下机器人路径规划的特点及要求
1.2.1 水下采矿区地形的特殊性
水下环境极为恶劣：水深3000m的水下作用在300个大气压高压下，海水水温常年保持1～4℃低温，环境中无自然光，还有不均匀的海流作用[23，24]。在这种极限环境中，机器人的控制和导航实现十分困难[25]。在可开采区内部，除了有钴结壳分布以外，还存在大量流塑状沉积物（水下泥砾沙混合物）和无钴结壳覆盖的裸露基岩。
（1）钴结壳分布区
钴结壳层一般只有4～6cm，最大24cm。其地形起伏差异很大：大部分地形起伏在5～20cm之间，偶尔达到数十厘米甚至数米；中间经常出现落差为0.5～3m之间的峭壁与台阶；有时出现布满沉积物及大块卵石的沟槽；分布有钴结壳的海山山坡上部较陡，而下部较缓，结壳表面呈葡萄状，平整状等；成片大面积结壳层地形起伏不大，在可采区平均坡度小于15°[26～28]。
按地形表面几何特征，通常把钴结壳矿床分为以下几种类型[29～31]：
卵石形矿区，钴结壳表面有一些大的接近圆形的卵石状突起，卵石状物外有一层结壳层，看起来像大的结核。
阶梯形矿区（图1-2），多数裸露的结壳都有一个到数个的台阶，形成陡坡，钴结壳分布的面积及厚度和每一个台阶的坡度有关。
图1-2 阶梯形矿区
瘤状形矿区（图1-3），看起来像一条由结核组成的地毯，钴结壳表面由密布的结核连在一起而成，覆盖率可以达到50%以上。
图1-3 瘤状形矿区
线状形矿区（图1-4），从图形上看这些结壳表面就像一条条的水槽状，或像朝一个方向绘制的一系列直线，其中填满了沉积物。
图1-4 线状形矿区
（2）裸露基岩区
采矿区中还分布着裸露基岩[26，32～34]，较为平坦的基岩区本身不会影响机器人的正常行走，但在连续作业的过程中，机器人经过基岩分布的地形，则会采集到大量的无钴结壳覆盖的基岩碎块，这会大大增加矿物废石率和选冶成本，增大采矿的经济代价。
（3）水下沉积物区
采矿环境存在的沙砾泥混合物，含水率极高，底质内聚力小，塑性指数高，含有触变特性（经扰动后其承载能力下降剧烈），呈流塑状分布，不同地点其性质还存在区别，水下这种“稀软底”的底质环境完全不同于陆地环境。在这种环境中进行采集作业的机器人在行走过程中不均匀，打滑严重，行走状态难以测量[35～37]。同时，机器人在采矿作业过程中，车体前部的采集头工作时会对车体产生反作用力，使表面沉积物破坏或扰动，并扬起大量水下沉积物，包围机器人周边区域，使基于光学的环境感知传感器（水下摄像机等）不能发挥作用；机器人采集时还会产生强烈的噪声，对基于声学原理的图像声呐成像（红外侧扫装置）和声学探测定位系统（单波束、多波束探测系统）的测量形成严重干扰。
由此可见，钴结壳可开采区地形是高度非结构化的，在进行开采区采集路线设计前，必须依据先验的水下地形DEM数据和水下底质类型数据，对可开采区进行大尺度环境建模，依据不同底质下水下地形的几何特征，判断开采区地形的可通行性，并得到针对不同底质的综合可通行性地图，将水下地形结构化，最终为可开采区大尺度路径规划提供基础；而对于真实采集作业中的在线路径规划，需要利用探测系统获得的实时DEM数据，以相同的方法建立小范围环境模型，以指导机器人在线路径规划。
1.2.2 我国调查区内地形特点
《联合国海洋法公约》有关原则规定：富钴结壳的调查和开采不宜选在专属经济区内，应选在国际海域中。经过初步勘查中太平洋钴结壳赋存区，我国找到了一片钴含量较高、丰度和覆盖率十分可观的远景矿区[10]。
在我国的调查区（中太平洋CC区）内，钴结壳呈斑块状固结于硬质基岩上，大片结壳层面积有时可达数十平方公里；可开采区地势较平坦，一般高差为10～50m；大部分属小型水下丘陵，其中还分布有少数平顶海山，矿区平均坡度小于10°[10，23，28]。
综合来看，在我国调查区内，分布有两种典型的钴结壳可采地形：大范围的相对平坦地形和极少量平顶海山地形[4，10]。
（1）平坦地形
在大范围的相对平坦地形中，裸露的基岩区和水下沙砾泥混合沉积物区域相对较小，但呈现不均匀、无规律的分布形态。一般在几平方公里到数十平方公里的大尺度连续可开采区内，分布有少量的沉积物区、裸露基岩区和较为陡峭的水下丘陵地带[4，8，10，31]。
而在平坦地形中，钴结壳类型的分布与地形坡度大小关系密切，坡度为0°～3°时，以钴结核为主；坡度为3°～7°时，通常覆盖有沉积物；在7°～15°时，为结核、结壳过渡区，随坡度增大结壳所占比例逐渐增大[26～28]。
（2）海山地形
钴结壳在平顶海山地形上的分布受到水深制约，一般沿海山周边基岩表面呈水平带状分布。在平顶海山的顶面，存在孔虫砂发育的轮廓通常决定着矿床的上部边界，在山坡下部，则以水下黏土发育层的上界决定矿体的下部边界。有勘查发现：在平顶海山椭圆形支脉包括附属地段上钴结壳厚度最大，大于15°坡度时，以钴结壳为主；而在坡度大于45°的陡峭山坡上结壳会变得很薄，有时仅为铁锰氧化物薄膜[29～31]。
由于机器人的开采任务是要在单次采集作业中，完成对可开采区的遍历（全覆盖）式采集作业。因此在开采区环境模型的基础上，只有通过遍历开采的方式，才能最大限度达到高采集率和低废石率，完成采集作业的要求。
对于海山地形，COMRA已经确定了螺旋式的开采方式[4，6，8，21]；而对于平坦地形，需要从采集覆盖率、重复率、能耗等多个角度，考虑建立一种高效的采集方法。
1.2.3 水下机器人路径规划的类型及特点
利用先验的开采区DEM数据和水下底质类型数据，完成大尺度的环境建模，初步确定可采区和不可采区，为机器人的遍历路径规划提供依据；以大尺度环境模型为基础，通过对我国调查区内主要分布的平坦地形矿区，进行遍历式采集路径规划，也就完成了机器人采集的先期准备工作。
大尺度遍历式采集路径规划结束后，将会得到一个由一系列曲线段首尾相连而成的采集路线图，该图在二维平面的投影为一系列直线段首尾相连而成的区域完全遍历图。图中每一个直线段的端点都会被视为机器人采集路径的转向点。机器人在实际的开采工作中，会以图中相邻转向点为局部起点和终点，以在线的方式完成采集任务。
由于水下地形的复杂性和探测系统的不精确性（一般只能达到数米到10m之间[37]），在机器人的采集路径上，仍然会存在影响车体正常行走的小型海石、海阶、海沟和小型基岩区和沙砾泥混合物区。因此，在采集作业中，出于安全性的考虑，必须利用车载探测系统，实时更新环境信息，以在线的方式完成采集作业任务。在采集路径上每两个相邻转向点之间，机器人是通过在线的方式进行动态路径规划：从一点开始，通过探测范围（滚动窗口）内环境信息的更新，不断寻找新的规划子目标点，不断更新局部采集路径，直到找到规划终点。
而在每一个已精确获知环境信息的滚动窗口内，机器人在线路径规划系统建立滚动窗口内环境模型，实时规划窗口内环境信息已知的静态路径，找到窗口中从局部起点到局部终点之间，符合采矿要求的局部采集路线。
因此只有通过这种先验规划与在线规划，静态规划和动态规划相结合的方式，机器人才能安全，遍历的完成采集任务。
1.2.4 水下机器人路径规划的要求
通过上述分析，可以确定本课题需要解决的问题如下。
1）利用先验的水下地形DEM数据和水下底质类型数据，建立水下采矿区大尺度环境模型，为路径规划研究提供基础；
2）建立在我国钴结壳调查区内，平坦地形的遍历路径规划模型，确定机器人在大尺度开采区的开采路线；通过开采路线上的相邻转向点，获得机器人动态规划的起点和终点；
3）建立机器人在每个滚动窗口内，静态路径规划的问题解决模型；
4）建立在线规划的起点和终点之间，局部路径规划的问题解决模型。
以上四点同时也是本课题研究的主要内容。
在解决以上问题的过程中，主要存在着以下难点。
1）现有的环境建模研究主要针对解决环境的通行性，而没有对不同底质的环境通行性进行分类研究，而且如何通过对含三种底质类型的水下地貌进行通行性分析后，再有机整合，并按照综合通行能力在环境模型中划分成不同区域，是本研究的一个难点。
2）在机器人大尺度遍历路径规划研究中，如何通过设定优化评价准则，使矿区遍历路径规划能在寻优过程中满足开采要求；如何建立遍历路径规划的问题解决模型，并设置合理的算法，使得规划路径在实际采集作业中能够顺利实现。
3）现有的静态路径规划主要以路径最短作为规划目标，从而设计算法，而在水下采矿环境中，还需要兼顾采矿安全性、采集覆盖率等目标。因此，需要针对机器人路径规划的特点及要求，设计出适合采矿作业的静态路径规划算法。
4）在水下大尺度环境中，将先期规划的遍历路径具体实现，需要机器人以在线形式，动态进行规划，因此，如何找到一个适合采集作业的动态路径规划方法，算法能否收敛，能否在全局信息未知的情况下具备较好的优化性能，成为课题研究的又一个难点。
本书就上述问题进行研究，并建立相应的解决模型，最后对机器人在线路径规划系统进行实验验证。