权利要求
1.一种深海
采矿车三维洋流约束路径规划协同方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、采集海底地形、障碍物、采集任务、母船位置和采矿车状态数据，建立双坐标系转换关系生成分层四面体网格，并输出环境模型与参数集，基于分层四面体网格获取多源洋流观测数据，构建散度自由向量高斯过程模型，输出各网格的洋流均值向量、共同协方差矩阵和垂向剪切强度指标;
步骤二、基于分层四面体网格和采矿车参数构建车辆-地形接触约束模型与准静态平衡方程，输出车辆可行运动域、缆线安全裕度函数和缆线空间包络点云;
步骤三、基于分层四面体网格和洋流均值向量，构造Finsler导航度量，融合能耗、风险、羽流回卷和缆线代价生成代价张量，输出各向异性代价张量，再将路径规划转化为测地线求解问题;
步骤四、以采矿车初始位姿为起点，采集区块目标点为终点，将代价张量嵌入三维各向异性快行进算法进行求解，得到最优到达值函数，通过梯度下降回溯得到输出满足曲率和坡度约束的三次B样条主路径;
步骤五、基于洋流协方差矩阵和跟踪误差生成椭球安全管道，纳入缆线空间包络点云进行干涉校核输出安全管道的合规路径。
2.根据权利要求1所述的一种
深海采矿车三维洋流约束路径规划协同方法，其特征在于，采集海底地形、障碍物、采集任务、母船位置和采矿车状态数据，建立双坐标系转换关系生成分层四面体网格，并输出环境模型与参数集，其具体步骤为：
通过多波束测深仪采集海底地形的原始点云数据，得到地形点云数据，通过海底多金属结核的勘探品位数据划定待采集区块，各待采集区块的水平边界以有序顶点序列表示，得到区块边界数据，从历史作业数据库中提取已知礁石、废弃采矿设备的位置记录，通过侧扫声呐对障碍物进行现场复核，得到障碍物数据，通过GPS
传感器实时采集得到母船位置和中继站位置，再通过车载传感器和车载电池管理分别获取当前采矿车初始位姿;以采矿车初始位姿的水平投影为原点，X轴指向正东，Y轴指向正北，Z轴垂直向上，构成右手笛卡尔系，将右手笛卡尔系通过齐次变换矩阵转化为海底局部坐标系;基于地形点云数据和预设海面垂直分层高度生成初始点集，通过约束四面体剖分算法将海底地形面、障碍物及预设禁入区边界作为硬约束嵌入初始点集，得到分层四面体网格。
3.根据权利要求2所述的一种深海采矿车三维洋流约束路径规划协同方法，其特征在于，基于分层四面体网格获取多源洋流观测数据，构建散度自由向量高斯过程模型，输出各网格的洋流均值向量、共同协方差矩阵和垂向剪切强度指标，其具体步骤为：
将所有环境和任务参数通过双线性插值映射四面体网格，包括地形高程值、障碍物标记、母船、中继站位置、采矿车初始位姿、剩余能量和区块边界数据;采集采矿车载多普勒计程仪反演的三维流速数据，通过校正船体运动对流速测量的影响，得到预处理后的观测点集，通过反距离加权插值将观测点集映射至分层四面体网格，得到网格上的观测值;基于网格中的任意两点观测值设置散度自由核函数;
随机选取四面体网格中的若干部分设置为诱导点，基于网格的协方差矩阵和诱导点的协方差矩阵获取诱导点和网格的共同协方差矩阵，对每个网格预测其流速后验分布，输出洋流均值向量，再基于垂向流速剖面计算剪切强度，对每个网格通过中心差分法计算水平流速的垂向梯度，基于垂向梯度和剪切强度获取垂向剪切强度指标。
4.根据权利要求1所述的一种深海采矿车三维洋流约束路径规划协同方法，其特征在于，基于分层四面体网格和采矿车参数构建车辆-地形接触约束与准静态平衡方程，其具体步骤为：
加载分层四面体网格的地质分层信息和海底地质勘察数据并整合为底层力学参数，将对应地层力学参数嵌入的分层四面体网格，包括内摩擦角、粘聚力、弹性模量和地基承载力特征值，通过线性插值将单元力学参数映射至对应网格，生成地形力学属性场;获取采矿车的采矿车参数，采矿车参数包括整车质量、驱动轮最大扭矩、设计最大爬坡角、最小转弯半径和允许最大接地比压，基于进行车辆底盘、履带和分层四面体网格的碰撞检测，判定接触点集，基于接触点集计算平均接地比压，设置平均接地比压≤预设接地比压为接地比压约束，基于地形内摩擦角与粘聚力，计算履带最大附着力，设置实时牵引力≤履带最大附着力为履带滑移约束;输入脐带缆关键参数，包括总长度、线密度、扭转刚度、外径、最小允许弯曲半径和最大允许拉伸力，通过按预设长度对缆线进行划分离散，得到若干节点;基于Cosserat杆理论建立缆线的准静态平衡方程，包括内力平衡和力矩平衡。
5.根据权利要求1所述的一种深海采矿车三维洋流约束路径规划协同方法，其特征在于，输出车辆可行运动域、缆线安全裕度函数和缆线空间包络点云，其具体步骤为：
以当前采矿车位置为中心，在分层四面体网格的海底表面划定的候选区域，将区域内的海底网格节点作为候选位置，对各候选位置依次验证履带滑移约束和接地比压约束，若所有约束均满足，则标记为可行位置;否则标记为不可行位置，将所有可行位置通过凸包算法拟合，形成车辆可行运动域，并以网格节点集合的形式存储;对可行运动域内的每个车辆位置，将其设置为脐带缆下端边界条件，通过牛顿-拉夫逊法求解准静态平衡方程，得到缆线各节点的拉伸力和曲率，基于拉伸力和曲率计算拉伸安全裕度及弯曲安全裕度，通过拉伸安全裕度及弯曲安全裕度设置综合安全裕度函数;对所有满足安全裕度阈值的车辆位置，提取其对应缆线的全部节点坐标，生成缆线空间包络点云。
6.根据权利要求1所述的一种深海采矿车三维洋流约束路径规划协同方法，其特征在于，基于分层四面体网格和洋流均值向量，构造Finsler导航度量，融合能耗、风险和缆线代价生成代价张量，输出各向异性代价张量，再将路径规划转化为测地线求解问题，其具体步骤为：
基于四面体网格的地质属性通过线性插值得到等效摩擦系数，基于等效摩擦系数构造对角度量张量，再将各网格节点取洋流均值向量的水平分量，通过洋流水平分量获取构造切向量场，将对角度量张量和切向量场整合得到Finsler导航度量，基于采矿车运动功率消耗计算能耗代价，通过实时坡度除以最大爬坡角得到坡度风险，将实时接地比压除以最大接地比压得到接地比压风险，将坡度风险和接地比压风险进行融合得到风险代价，将1和综合安全裕度函数进行作差得到缆线代价，通过线性加权法融合能耗代价、风险代价及缆线代价得到综合代价因子，将综合代价因子嵌入Finsler导航度量，生成各向异性代价张量场;基于各向异性代价张量场将寻找最优采矿车路径转化为寻找Finsler空间中代价长度最短的测地线，具体设置采矿车起点为分层四面体网格节点，终点为目标采矿区节点，任意连接网格节点和目标采矿区节点得到路径长度，再获取路径的切向量，基于路径长度和切向量获取路径的代价长度，将代价长度最小的测地线设置为最优路径。
7.根据权利要求1所述的一种深海采矿车三维洋流约束路径规划协同方法，其特征在于，以采矿车初始位姿为起点，采集区块目标点为终点，将代价张量嵌入三维各向异性快行进算法进行求解，得到最优到达值函数，通过梯度下降回溯得到输出满足曲率和坡度约束的三次B样条主路径，其具体步骤为：
输入采矿车初始位姿，并通过最近节点法映射至网格，遍历网格节点，获取和初始位姿欧氏距离最小的节点，设置为网格起点，输入采集区块目标点集并对各目标点重复上述映射步骤，得到网格目标节点集，再选取距离初始位置最近的目标节点设置为主路径终点;
从网格目标节点集选取到达值的最小节点，将其标记为已冻结并移出窄带网格目标节点集，通过重心坐标插值获取最小节点和未被冻结节点的代价张量，基于代价张量计算最小节点和未被冻结节点的各向异性代价长度增量，将最小节点的到达值和对应异性代价长度增量进行相加得到网格节点的最优到达值，基于代价张量计算其速度向量的对偶值，得到最优回溯方向，基于最优回溯方向移动固定步长，得到新路径点，若新路径点在预设单元内，则将其加入初始路径点集，若新路径点超出预设单元则计算其与单元面的交点，将交点加入初始路径点集，并进入相邻四面体网格继续回溯，当回溯点距离网格起点小于移动固定步长，则将网格起点加入初始路径点集，并得到离散初始路径;
将离散初始路径的点按累积弦长分配参数，获取各参数的曲率，将曲率<预设曲率阈值设置为曲率约束，将坡度<预设坡度设置为坡度约束，将曲率约束和坡度约束嵌入离散初始路径，并进行三次B样条曲线转化得到主路径点集。
8.根据权利要求1所述的一种深海采矿车三维洋流约束路径规划协同方法，其特征在于，基于共同协方差矩阵和跟踪误差生成椭球安全管道，纳入缆线空间包络点云进行干涉校核输出安全管道的合规路径，其具体步骤为：
基于采矿车运动控制的标定精度，分解路径切向和法向的跟踪误差，生成跟踪误差协方差矩阵，将共同协方差矩阵和跟踪误差协方差矩阵进行叠加，得到路径点的协方差矩阵，以路径该点的一阶导数单位化得到切向量，以路径曲率中心方向为主法向量，将切向量和主法向量进行相乘得到副法向量，通过副法向量生成正交变换矩阵，将所有满足路径点协方差矩阵和正交变换矩阵的二次型≤置信度临界值的空间点集，得到该点的安全椭球，将主路径点集上所有点的安全椭球沿路径串联，生成主路径的椭球安全管道;
将椭球安全管道的体素点云和采矿车缆空间包络点云进行碰撞检测，若发生碰撞则重新生成新路径，相反则输出安全管道的合规路径。
9.一种深海采矿车三维洋流约束路径规划协同系统，实现权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，包括采集模块、车辆分析模块、测底线分析模块、路径分析模块和合规路径输出模块：
采集模块采集海底地形、障碍物、采集任务、母船位置和采矿车状态数据，建立双坐标系转换关系生成分层四面体网格，并输出环境模型与参数集，基于分层四面体网格获取多源洋流观测数据，构建散度自由向量高斯过程模型，输出各网格的洋流均值向量、洋流协方差矩阵和垂向剪切强度指标;
车辆分析模块基于分层四面体网格和采矿车参数构建车辆-地形接触约束模型与脐带缆准静态Cosserat模型，输出车辆可行运动域、缆线安全裕度函数和缆线空间包络点云;
测底线分析模块基于分层四面体网格和洋流均值向量，构造Finsler导航度量，融合能耗、风险、羽流回卷和缆线代价生成代价张量，输出各向异性代价张量，再将路径规划转化为测地线求解问题;
路径分析模块以采矿车初始位姿为起点，采集区块目标点为终点，将代价张量嵌入三维各向异性快行进算法进行求解，得到最优到达值函数，通过梯度下降回溯得到输出满足曲率和坡度约束的三次B样条主路径;
合规路径输出模块基于共同协方差矩阵和跟踪误差生成椭球安全管道，纳入缆线空间包络点云进行干涉校核输出安全管道的合规路径。
说明书
技术领域
[0001]本发明为协同控制领域，具体为一种深海采矿车三维洋流约束路径规划协同方法及系统。
背景技术
[0002]深海多金属结核等固态
矿产资源是全球海洋资源开发的核心领域，履带式深海采矿车作为海底采集作业的核心装备，其路径规划的合理性直接决定开采效率、作业安全性和海洋环境保护效果。
[0003]现有方案多采用二维平面栅格模型，没有适配海底复杂三维地形、非均匀地质分层的力学特性，易引发接地比压超标和车辆侧翻等安全事故;对三维洋流的影响处理不足，大多仅将洋流简化为固定阻力项，没考虑洋流的时空不确定性与各向异性，无法规避开采沉积物羽流回卷污染已采矿区的问题，也缺乏满足流体不可压缩性的高精度流场建模能力;未充分耦合采矿车运动与脐带缆力学约束，容易出现缆线弯曲过载、缠绕断裂的风险。
[0004]因此需要一种深海采矿车三维洋流约束路径规划协同方法及系统解决上述问题。
发明内容
[0005]为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明提供一种深海采矿车三维洋流约束路径规划协同方法及系统。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
本发明第一方面提供一种深海采矿车三维洋流约束路径规划协同方法，包括以下步骤：
步骤一、采集海底地形、障碍物、采集任务、母船位置和采矿车状态等数据，建立双坐标系转换关系生成分层四面体网格，并输出环境模型与参数集，基于分层四面体网格获取多源洋流观测数据，构建散度自由向量高斯过程模型，输出各网格的洋流均值向量、共同协方差矩阵和垂向剪切强度指标;
步骤二、基于分层四面体网格和采矿车参数构建车辆-地形接触约束模型与脐带缆准静态Cosserat模型，输出车辆可行运动域、缆线安全裕度函数和缆线空间包络点云;
步骤三、基于分层四面体网格和洋流均值向量，构造Finsler导航度量，融合能耗、风险、羽流回卷和缆线代价生成代价张量，输出各向异性代价张量，再将路径规划转化为测地线求解问题;
步骤四、以采矿车初始位姿为起点，采集区块目标点为终点，将代价张量嵌入三维各向异性快行进算法进行求解，得到最优到达值函数，通过梯度下降回溯得到输出满足曲率和坡度约束的三次B样条主路径;
步骤五、基于洋流协方差矩阵和跟踪误差生成椭球安全管道，纳入缆线空间包络点云进行干涉校核输出安全管道的合规路径。
[0007]在本申请中，基于步骤一中，采集海底地形、障碍物、采集任务、母船位置和采矿车状态等数据，建立双坐标系转换关系生成分层四面体网格，并输出环境模型与参数集，基于分层四面体网格获取多源洋流观测数据，构建散度自由向量高斯过程模型，输出各网格的洋流均值向量、共同协方差矩阵和垂向剪切强度指标，其具体步骤为：
通过多波束测深仪采集海底地形的原始点云数据，得到地形点云数据，通过海底多金属结核的勘探品位数据划定待采集区块，各待采集区块的水平边界以有序顶点序列表示，得到区块边界数据，从历史作业数据库中提取已知礁石、废弃采矿设备的位置记录，通过侧扫声呐对障碍物进行现场复核，得到障碍物数据，通过GPS传感器实时采集得到母船位置和中继站位置，再通过车载传感器和车载电池管理分别获取当前采矿车初始位姿;以采矿车初始位姿的水平投影为原点，X轴指向正东，Y轴指向正北，Z轴垂直向上，构成右手笛卡尔系，将右手笛卡尔系通过齐次变换矩阵转化为海底局部坐标系;基于地形点云数据和预设海面垂直分层高度生成初始点集，通过约束四面体剖分算法将海底地形面、障碍物及预设禁入区边界作为硬约束嵌入初始点集，得到分层四面体网格;
将所有环境和任务参数通过双线性插值映射四面体网格，包括地形高程值、障碍物标记、母船、中继站位置、采矿车初始位姿、剩余能量和区块边界数据等;采集采矿车载多普勒计程仪反演的三维流速数据，通过校正船体运动对流速测量的影响，得到预处理后的观测点集，通过反距离加权插值将观测点集映射至分层四面体网格，得到网格上的观测值;基于网格中的任意两点观测值设置散度自由核函数;
随机选取四面体网格中的若干部分设置为诱导点，基于网格的协方差矩阵和诱导点的协方差矩阵获取诱导点和网格的共同协方差矩阵，对每个网格预测其流速后验分布，输出洋流均值向量，再基于垂向流速剖面计算剪切强度，对每个网格通过中心差分法计算水平流速的垂向梯度，基于垂向梯度和剪切强度获取垂向剪切强度指标。
[0008]在本申请中，基于步骤二中，基于分层四面体网格和采矿车参数构建车辆-地形接触约束与脐带缆准静态Cosserat模型，输出车辆可行运动域、缆线安全裕度函数和缆线空间包络点云，其具体步骤为：
加载分层四面体网格的地质分层信息和海底地质勘察数据并整合为底层力学参数，将对应地层力学参数嵌入的分层四面体网格，包括内摩擦角、粘聚力、弹性模量和地基承载力特征值，通过线性插值将单元力学参数映射至对应网格，生成地形力学属性场;获取采矿车的采矿车参数，采矿车参数包括整车质量、驱动轮最大扭矩、设计最大爬坡角、最小转弯半径和允许最大接地比压，基于进行车辆底盘、履带和分层四面体网格的碰撞检测，判定接触点集，基于接触点集计算平均接地比压，设置平均接地比压≤预设接地比压为接地比压约束，基于地形内摩擦角与粘聚力，计算履带最大附着力，设置实时牵引力≤履带最大附着力为履带滑移约束;输入脐带缆关键参数，包括总长度、线密度、扭转刚度、外径、最小允许弯曲半径和最大允许拉伸力，通过按预设长度对缆线进行划分离散，得到若干节点;基于Cosserat杆理论建立缆线的准静态平衡方程，包括内力平衡和力矩平衡;
以当前采矿车位置为中心，在分层四面体网格的海底表面划定的候选区域，将区域内的海底网格节点作为候选位置，对各候选位置依次验证履带滑移约束和接地比压约束，若所有约束均满足，则标记为可行位置;否则标记为不可行位置，将所有可行位置通过凸包算法拟合，形成车辆可行运动域，并以网格节点集合的形式存储;对可行运动域内的每个车辆位置，将其设置为脐带缆下端边界条件，通过牛顿-拉夫逊法求解准静态平衡方程，得到缆线各节点的拉伸力和曲率，基于拉伸力和曲率计算拉伸安全裕度及弯曲安全裕度，通过拉伸安全裕度及弯曲安全裕度设置综合安全裕度函数;对所有满足安全裕度阈值的车辆位置，提取其对应缆线的全部节点坐标，生成缆线空间包络点云。
[0009]在本申请中，基于步骤三中，基于分层四面体网格和洋流均值向量，构造Finsler导航度量，融合能耗、风险和缆线代价生成代价张量，输出各向异性代价张量，再将路径规划转化为测地线求解问题，其具体步骤为：
基于四面体网格的地质属性通过线性插值得到等效摩擦系数，基于等效摩擦系数构造对角度量张量，再将各网格节点取洋流均值向量的水平分量，通过洋流水平分量获取构造切向量场，将对角度量张量和切向量场整合得到Finsler导航度量，基于采矿车运动功率消耗计算能耗代价，通过实时坡度除以最大爬坡角得到坡度风险，将实时接地比压除以最大接地比压得到接地比压风险，将坡度风险和接地比压风险进行融合得到风险代价，将1和综合安全裕度函数进行作差得到缆线代价，通过线性加权法融合能耗代价、风险代价及缆线代价得到综合代价因子，将综合代价因子嵌入Finsler导航度量，生成各向异性代价张量场;基于各向异性代价张量场将寻找最优采矿车路径转化为寻找Finsler空间中代价长度最短的测地线，具体设置采矿车起点为分层四面体网格节点，终点为目标采矿区节点，任意连接网格节点和目标采矿区节点得到路径长度，再获取路径的切向量，基于路径长度和切向量获取路径的代价长度，将代价长度最小的测地线设置为最优路径。
[0010]在本申请中，基于步骤四中，以采矿车初始位姿为起点，采集区块目标点为终点，将代价张量嵌入三维各向异性快行进算法进行求解，得到最优到达值函数，通过梯度下降回溯得到输出满足曲率和坡度约束的三次B样条主路径，其具体步骤为：
输入采矿车初始位姿，并通过最近节点法映射至网格，遍历网格节点，获取和初始位姿欧氏距离最小的节点，设置为网格起点，输入采集区块目标点集并对各目标点重复上述映射步骤，得到网格目标节点集，再选取距离初始位置最近的目标节点设置为主路径终点;
从网格目标节点集选取到达值的最小节点，将其标记为已冻结并移出窄带网格目标节点集，通过重心坐标插值获取最小节点和未被冻结节点的代价张量，基于代价张量计算最小节点和未被冻结节点的各向异性代价长度增量，将最小节点的到达值和对应异性代价长度增量进行相加得到网格节点的最优到达值，基于代价张量计算其速度向量的对偶值，得到最优回溯方向，基于最优回溯方向移动固定步长，得到新路径点，若新路径点在预设单元内，则将其加入初始路径点集，若新路径点超出预设单元则计算其与单元面的交点，将交点加入初始路径点集，并进入相邻四面体网格继续回溯，当回溯点距离网格起点小于移动固定步长，则将网格起点加入初始路径点集，并得到离散初始路径;
将离散初始路径的点按累积弦长分配参数，获取各参数的曲率，将曲率<预设曲率阈值设置为曲率约束，将坡度<预设坡度设置为坡度约束，将曲率约束和坡度约束嵌入离散初始路径，并进行三次B样条曲线转化得到主路径点集。
[0011]在本申请中，基于步骤五中，基于共同协方差矩阵和跟踪误差生成椭球安全管道，纳入缆线空间包络点云进行干涉校核输出安全管道的合规路径，其具体步骤为：
基于采矿车运动控制的标定精度，分解路径切向和法向的跟踪误差，生成跟踪误差协方差矩阵，将共同协方差矩阵和跟踪误差协方差矩阵进行叠加，得到路径点的协方差矩阵，以路径该点的一阶导数单位化得到切向量，以路径曲率中心方向为主法向量，将切向量和主法向量进行相乘得到副法向量，通过副法向量生成正交变换矩阵，将所有满足路径点协方差矩阵和正交变换矩阵的二次型≤置信度临界值的空间点集，得到该点的安全椭球，将主路径点集上所有点的安全椭球沿路径串联，生成主路径的椭球安全管道;
将椭球安全管道的体素点云和采矿车缆空间包络点云进行碰撞检测，若发生碰撞则重新生成新路径，相反则输出安全管道的合规路径。
[0012]本发明第二方面提供一种深海采矿车三维洋流约束路径规划协同系统，采用上述描述中的方法，包括采集模块、车辆分析模块、测底线分析模块、路径分析模块和合规路径输出模块：
采集模块采集海底地形、障碍物、采集任务、母船位置和采矿车状态等数据，建立双坐标系转换关系生成分层四面体网格，并输出环境模型与参数集，基于分层四面体网格获取多源洋流观测数据，构建散度自由向量高斯过程模型，输出各网格的洋流均值向量、洋流协方差矩阵和垂向剪切强度指标;
车辆分析模块基于分层四面体网格和采矿车参数构建车辆-地形接触约束模型与脐带缆准静态Cosserat模型，输出车辆可行运动域、缆线安全裕度函数和缆线空间包络点云;
测底线分析模块基于分层四面体网格和洋流均值向量，构造Finsler导航度量，融合能耗、风险、羽流回卷和缆线代价生成代价张量，输出各向异性代价张量，再将路径规划转化为测地线求解问题;
路径分析模块以采矿车初始位姿为起点，采集区块目标点为终点，将代价张量嵌入三维各向异性快行进算法进行求解，得到最优到达值函数，通过梯度下降回溯得到输出满足曲率和坡度约束的三次B样条主路径;
合规路径输出模块基于共同协方差矩阵和跟踪误差生成椭球安全管道，纳入缆线空间包络点云进行干涉校核输出安全管道的合规路径。
[0013]与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将车辆-地形接触约束与静态方程前置融入路径规划流程，而非传统方案的事后校验环节。其中车辆-地形接触约束充分融合海底地层的内摩擦角、粘聚力和地基承载力等真实力学参数，从接地比压、履带滑移、爬坡稳定性多维度划定车辆可行运动域，减少海底软底质环境下车辆陷车、打滑、侧翻的作业风险，静态方程输出缆线安全裕度函数与空间包络点云，从路径规划源头规避缆线弯曲过载、拉伸断裂、空间缠绕的隐患，减少无效重规划次数，加强全流程规划效率;
基于洋流协方差矩阵与车辆跟踪误差生成的椭球安全管道，随流场不确定性与控制偏差自适应调整边界，相比固定宽度的安全通道，在保障作业安全的前提下避免过度保守的路径规划;基于多车协同作业场景，适配深海水声通信带宽低、延迟高和易中断的弱通信环境，通过分布式协同机制实现稀疏信息交换下的路径冲突消除，无需集中式控制节点。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，以下附图并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制，重点在于示出本发明的主旨。
[0015]图1为本发明的方法步骤图。
[0016]图2为本发明的模块连接图。
具体实施方式
[0017]下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显而易见地，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，也属于本发明保护的范围。
[0018]请参照图1所示，本发明第一方面提供一种深海采矿车三维洋流约束路径规划协同方法，包括以下步骤：
步骤一、采集海底地形、障碍物、采集任务、母船位置和采矿车状态等数据，建立双坐标系转换关系生成分层四面体网格，并输出环境模型与参数集，基于分层四面体网格获取多源洋流观测数据，构建散度自由向量高斯过程模型，输出各网格的洋流均值向量、共同协方差矩阵和垂向剪切强度指标;
步骤二、基于分层四面体网格和采矿车参数构建车辆-地形接触约束模型与脐带缆准静态Cosserat模型，输出车辆可行运动域、缆线安全裕度函数和缆线空间包络点云;
步骤三、基于分层四面体网格和洋流均值向量，构造Finsler导航度量，融合能耗、风险、羽流回卷和缆线代价生成代价张量，输出各向异性代价张量，再将路径规划转化为测地线求解问题;
步骤四、以采矿车初始位姿为起点，采集区块目标点为终点，将代价张量嵌入三维各向异性快行进算法进行求解，得到最优到达值函数，通过梯度下降回溯得到输出满足曲率和坡度约束的三次B样条主路径;
步骤五、基于洋流协方差矩阵和跟踪误差生成椭球安全管道，纳入缆线空间包络点云进行干涉校核输出安全管道的合规路径。
[0019]在本申请中，基于步骤一中，采集海底地形、障碍物、采集任务、母船位置和采矿车状态等数据，建立双坐标系转换关系生成分层四面体网格，并输出环境模型与参数集，基于分层四面体网格获取多源洋流观测数据，构建散度自由向量高斯过程模型，输出各网格的洋流均值向量、共同协方差矩阵和垂向剪切强度指标，其具体步骤为：
通过多波束测深仪采集海底地形的原始点云数据，得到地形点云数据，通过海底多金属结核的勘探品位数据划定待采集区块，各待采集区块的水平边界以有序顶点序列表示，得到区块边界数据，从历史作业数据库中提取已知礁石、废弃采矿设备的位置记录，通过侧扫声呐对障碍物进行现场复核，得到障碍物数据，通过GPS传感器实时采集得到母船位置和中继站位置，再通过车载传感器和车载电池管理分别获取当前采矿车初始位姿和
动力电池组的电压、电流和温度参数;以采矿车初始位姿的水平投影为原点，X轴指向正东，Y轴指向正北，Z轴垂直向上，构成右手笛卡尔系，将右手笛卡尔系通过齐次变换矩阵转化为海底局部坐标系;基于地形点云数据和预设海面垂直分层高度生成初始点集，通过约束四面体剖分算法将海底地形面、障碍物及预设禁入区边界作为硬约束嵌入初始点集，得到分层四面体网格;
将所有环境和任务参数通过双线性插值映射四面体网格，包括地形高程值、障碍物标记、母船、中继站位置、采矿车初始位姿、剩余能量和区块边界数据等;采集采矿车载多普勒计程仪反演的三维流速数据，通过校正船体运动对流速测量的影响，得到预处理后的观测点集，通过反距离加权插值将观测点集映射至分层四面体网格，得到网格上的观测值;基于网格中的任意两点观测值设置散度自由核函数;
随机选取四面体网格中的若干部分设置为诱导点，基于网格的协方差矩阵和诱导点的协方差矩阵获取诱导点和网格的共同协方差矩阵，对每个网格预测其流速后验分布，输出洋流均值向量，再基于垂向流速剖面计算剪切强度，对每个网格通过中心差分法计算水平流速的垂向梯度，基于垂向梯度和剪切强度获取垂向剪切强度指标。
[0020]在本申请中，基于步骤二中，基于分层四面体网格和采矿车参数构建车辆-地形接触约束与脐带缆准静态Cosserat模型，输出车辆可行运动域、缆线安全裕度函数和缆线空间包络点云，其具体步骤为：
加载分层四面体网格的地质分层信息和海底地质勘察数据并整合为底层力学参数，将对应地层力学参数嵌入的分层四面体网格，包括内摩擦角、粘聚力、弹性模量和地基承载力特征值，通过线性插值将单元力学参数映射至对应网格，生成地形力学属性场;获取采矿车的采矿车参数，采矿车参数包括整车质量、驱动轮最大扭矩、设计最大爬坡角、最小转弯半径和允许最大接地比压，基于进行车辆底盘、履带和分层四面体网格的碰撞检测，判定接触点集，基于接触点集计算平均接地比压，设置平均接地比压≤预设接地比压为接地比压约束，基于地形内摩擦角与粘聚力，计算履带最大附着力，设置实时牵引力≤履带最大附着力为履带滑移约束;输入脐带缆关键参数，包括总长度、线密度、扭转刚度、外径、最小允许弯曲半径和最大允许拉伸力，通过按预设长度对缆线进行划分离散，得到若干节点;基于Cosserat杆理论建立缆线的准静态平衡方程，包括内力平衡和力矩平衡;
以当前采矿车位置为中心，在分层四面体网格的海底表面划定的候选区域，将区域内的海底网格节点作为候选位置，对各候选位置依次验证履带滑移约束和接地比压约束，若所有约束均满足，则标记为可行位置;否则标记为不可行位置，将所有可行位置通过凸包算法拟合，形成车辆可行运动域，并以网格节点集合的形式存储;对可行运动域内的每个车辆位置，将其设置为脐带缆下端边界条件，通过牛顿-拉夫逊法求解准静态平衡方程，得到缆线各节点的拉伸力和曲率，基于拉伸力和曲率计算拉伸安全裕度及弯曲安全裕度，通过拉伸安全裕度及弯曲安全裕度设置综合安全裕度函数;对所有满足安全裕度阈值的车辆位置，提取其对应缆线的全部节点坐标，生成缆线空间包络点云。
[0021]在本申请中，基于步骤三中，基于分层四面体网格和洋流均值向量，构造Finsler导航度量，融合能耗、风险和缆线代价生成代价张量，输出各向异性代价张量，再将路径规划转化为测地线求解问题，其具体步骤为：
基于四面体网格的地质属性通过线性插值得到等效摩擦系数，基于等效摩擦系数构造对角度量张量，再将各网格节点取洋流均值向量的水平分量，通过洋流水平分量获取构造切向量场，将对角度量张量和切向量场整合得到Finsler导航度量，基于采矿车运动功率消耗计算能耗代价，通过实时坡度除以最大爬坡角得到坡度风险，将实时接地比压除以最大接地比压得到接地比压风险，将坡度风险和接地比压风险进行融合得到风险代价，将1和综合安全裕度函数进行作差得到缆线代价，通过线性加权法融合能耗代价、风险代价及缆线代价得到综合代价因子，将综合代价因子嵌入Finsler导航度量，生成各向异性代价张量场;基于各向异性代价张量场将寻找最优采矿车路径转化为寻找Finsler空间中代价长度最短的测地线，具体设置采矿车起点为分层四面体网格节点，终点为目标采矿区节点，任意连接网格节点和目标采矿区节点得到路径长度，再获取路径的切向量，基于路径长度和切向量获取路径的代价长度，将代价长度最小的测地线设置为最优路径。
[0022]在本申请中，基于步骤四中，以采矿车初始位姿为起点，采集区块目标点为终点，将代价张量嵌入三维各向异性快行进算法进行求解，得到最优到达值函数，通过梯度下降回溯得到输出满足曲率和坡度约束的三次B样条主路径，其具体步骤为：
输入采矿车初始位姿，并通过最近节点法映射至网格，遍历网格节点，获取和初始位姿欧氏距离最小的节点，设置为网格起点，输入采集区块目标点集并对各目标点重复上述映射步骤，得到网格目标节点集，再选取距离初始位置最近的目标节点设置为主路径终点;
从网格目标节点集选取到达值的最小节点，将其标记为已冻结并移出窄带网格目标节点集，通过重心坐标插值获取最小节点和未被冻结节点的代价张量，基于代价张量计算最小节点和未被冻结节点的各向异性代价长度增量，将最小节点的到达值和对应异性代价长度增量进行相加得到网格节点的最优到达值，基于代价张量计算其速度向量的对偶值，得到最优回溯方向，基于最优回溯方向移动固定步长，得到新路径点，若新路径点在预设单元内，则将其加入初始路径点集，若新路径点超出预设单元则计算其与单元面的交点，将交点加入初始路径点集，并进入相邻四面体网格继续回溯，当回溯点距离网格起点小于移动固定步长，则将网格起点加入初始路径点集，并得到离散初始路径;
将离散初始路径的点按累积弦长分配参数，获取各参数的曲率，将曲率<预设曲率阈值设置为曲率约束，将坡度<预设坡度设置为坡度约束，将曲率约束和坡度约束嵌入离散初始路径，并进行三次B样条曲线转化得到主路径点集。
[0023]在本申请中，基于步骤五中，基于共同协方差矩阵和跟踪误差生成椭球安全管道，纳入缆线空间包络点云进行干涉校核输出安全管道的合规路径，其具体步骤为：
基于采矿车运动控制的标定精度，分解路径切向和法向的跟踪误差，生成跟踪误差协方差矩阵，将共同协方差矩阵和跟踪误差协方差矩阵进行叠加，得到路径点的协方差矩阵，以路径该点的一阶导数单位化得到切向量，以路径曲率中心方向为主法向量，将切向量和主法向量进行相乘得到副法向量，通过副法向量生成正交变换矩阵，将所有满足路径点协方差矩阵和正交变换矩阵的二次型≤置信度临界值的空间点集，得到该点的安全椭球，将主路径点集上所有点的安全椭球沿路径串联，生成主路径的椭球安全管道;
将椭球安全管道的体素点云和采矿车缆空间包络点云进行碰撞检测，若发生碰撞则重新生成新路径，相反则输出安全管道的合规路径。
[0024]请参照图2所示，本发明第二方面提供一种深海采矿车三维洋流约束路径规划协同系统，采用上述描述中的方法，包括采集模块、车辆分析模块、测底线分析模块、路径分析模块和合规路径输出模块：
采集模块采集海底地形、障碍物、采集任务、母船位置和采矿车状态等数据，建立双坐标系转换关系生成分层四面体网格，并输出环境模型与参数集，基于分层四面体网格获取多源洋流观测数据，构建散度自由向量高斯过程模型，输出各网格的洋流均值向量、洋流协方差矩阵和垂向剪切强度指标;
车辆分析模块基于分层四面体网格和采矿车参数构建车辆-地形接触约束模型与脐带缆准静态Cosserat模型，输出车辆可行运动域、缆线安全裕度函数和缆线空间包络点云;
测底线分析模块基于分层四面体网格和洋流均值向量，构造Finsler导航度量，融合能耗、风险、羽流回卷和缆线代价生成代价张量，输出各向异性代价张量，再将路径规划转化为测地线求解问题;
路径分析模块以采矿车初始位姿为起点，采集区块目标点为终点，将代价张量嵌入三维各向异性快行进算法进行求解，得到最优到达值函数，通过梯度下降回溯得到输出满足曲率和坡度约束的三次B样条主路径;
合规路径输出模块基于共同协方差矩阵和跟踪误差生成椭球安全管道，纳入缆线空间包络点云进行干涉校核输出安全管道的合规路径。
[0025]上述实施例，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或其他任意组合来实现。当使用软件实现时，上述实施例可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令或计算机程序。在计算机上加载或执行所述计算机指令或计算机程序时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以为通用计算机、专用计算机、计算机网络，或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集合的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、ATA硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)，或者半导体介质。半导体介质可以是固态ATA硬盘。
[0026]应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
[0027]本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件，或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
[0028]在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其他的形式。
[0029]所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，既可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0030]另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0031]所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术作出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动ATA硬盘、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0032]以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
说明书附图(2)
声明：
“深海采矿车三维洋流约束路径规划协同方法及系统” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：深圳天境羽宏科技有限公司
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