基于改进A*算法的煤矿救援机器人路径规划

煤矿救援机器人在执行救援任务时,在获得任务指令后首先需要获得环境模型,再利用内置算法在该环境模型中规划出一条从当前位置到目标位置的无碰撞路径。为减少救援机器人的移动时间,通常要求该路径为时间最优,而目前使用较多的传统A*算法在栅格地图环境下规划的路径存在路径冗余点多、路径转折角度大等问题,导致该路径对于可沿任意方向灵活移动的救援机器人来说是“非最优”的。为解决这一问题,在传统A*算法的基础上提出一种改进A*算法。首先,该算法在传统A*算法的基础上增加当前扩展节点的邻接点数量,以快速搜索获得初始路径;其次,通过设置距离阈值并重连路径点,去除初始路径的冗余点;根据步长分割路径获得间距更小的路径点集合,并再次去除冗余点;最后,为进一步对所得路径的转角进行平滑处理,采用5次B样条曲线进行拟合,最终得到路径点更少、路径代价更小、累计转折角度更小的优化路径。在5种不同尺寸、障碍物覆盖率为20%的栅格地图环境中利用MATLAB对上述改进A*算法进行仿真实验,并将改进A*算法的仿真结果与传统A*算法的仿真结果进行对比。结果表明:相对于传统A*算法,改进A*算法通过扩展邻接点、去除路径冗余点及路径平滑等操作,有效改善了传统A*算法的路径冗余点多和路径转折角度大等问题;此外,改进A*算法还能在一定程度上减少生成初始路径时的扩展节点数量,降低系统内存占用。      

复杂风况条件下戈壁输沙量变化规律的研究

 戈壁输沙量与输沙势的定量关系一直是风沙地貌及风沙工程的关键科学问题之一。对莫高窟顶戈壁输沙量的长期监测（2008年5月至2009年4月）结果表明,窟顶戈壁输沙势为129VU,窟顶北侧的总输沙量约905 kg·m-1左右。其中,偏东风输沙量达500 kg·m-1,偏西风输沙量达320 kg·m-1。当风速大于11 m·s-1时,戈壁风沙发生长距离的输送,偏西风可将265 kg·m-1的沙量输送到窟区,偏东风可将410 kg·m-1的沙量吹回到鸣沙山。根据本区偏东风强盛,且偏东风戈壁输沙量大于偏西风输沙量的特点,提出了以固为主,输导结合的莫高窟风沙防治的主导思路。认为在窟顶构建一个既能阻截沙物质,又能对阻截的沙物质进行输导的人工戈壁床面是完全可行的。     

戈壁地区公路防沙措施防沙效应的风洞试验

 以穿越河西走廊西部戈壁荒漠的嘉峪关至安西一级公路为研究对象,基于风洞模拟试验,针对不同类型公路路基横断面和防护措施设计模型,采用粒子图像测速系统,研究模型的流场变化,进而探讨戈壁公路风沙危害形成机理及防沙措施。研究结果表明:①由于研究区内风沙活动以不饱和风沙流为主,携沙风对公路路基掏蚀、磨蚀严重,需要对路基边坡进行有效砌护;②为了在公路表面形成输沙通道,中央隔离带地表与行车路面应保持同一高度,隔离带采用空隙度大于30%的疏透型;③在公路两侧沙源丰富地段,公路边坡的坡角应小于40°,并且取消防洪沟,以防止沟内积沙;④在沙源丰富地区,公路两侧由外到内依次铺设草方格、覆盖砾石、设置积沙沟的防沙带,可以减少气流中的含沙量,阻止流沙上路,有效解决公路风沙危害问题。     

不同沙源供给条件下砾石床面的风沙流结构与蚀积量变化风洞实验研究

通过对不同沙源供给条件下各种砾石床面的风沙流结构、床面风蚀及堆积沙量变化的风洞实验,结果表明,风沙流结构是判断戈壁风沙流饱和与不饱和的一个重要途径,不同的戈壁风沙流结构对床面输、阻沙特性具有不同的指示意义。近地表0～6 cm高度内的风沙流结构决定了床面的输、阻性质,而6 cm以上的风沙流结构反映了风力对沙物质的输送状况。沙源供给的丰富与否,决定了风沙流的饱和程度,以及风沙流在砾石床面产生的蚀积状况。同等风速条件下,饱和风沙流的输沙率是非饱和风沙流输沙率的2～8倍。在饱和风沙流情形下,床面过程总体以积沙为主,且随风力的增强,床面积沙量急剧增加。在不饱和风沙流情形下,砾石床面总体以风蚀和输送沙物质过程为主,风沙流结构在0～2 cm高度内反映出砾石床面具有明显的阻沙功能,在2～5 cm高度上出现最大输沙值。     

砾石覆盖对边界层风速梯度的影响

通过莫高窟窟顶野外风洞实验对不同覆盖度砾石床面风速梯度的变化规律进行了研究。结果表明,床面砾石平均高度以下风速梯度随砾石覆盖度变化比较杂乱,而砾石平均高度以上风速梯度随覆盖度增加呈现出有规律的变化。从覆盖度5%到35%风速逐渐减小, 40%~80%趋于稳定,35%最小。据此,大气边界层可明显分为两层,约以砾石平均高度为界,下层定义为粗糙亚层,上层定义为惯性亚层。粗糙亚层风速梯度随砾石间距高度比D/H值的变化同样比较杂乱;惯性亚层风速梯度随砾石间距高度比D/H值的变化规律比较一致:风速在D/H值0.3~1.5段趋于稳定,2.0~4.0段风速逐渐增大,1.5处风速最小。另外,对砾石床面不同高度阻风效应的计算表明,砾石床面的阻风作用在砾石床面表面附近最强(0.75 H~1.1 H),粗糙亚层阻风作用随高度增大而增大,惯性亚层阻风作用随高度增大逐渐减小。该粒径砾石阻风效应最优间距高度比D/H值为1.5,最优间距为3 cm,最优覆盖度为35%,为砾石防沙工程的铺设提供了一定的参考作用。     

普若岗日冰原毗邻地区风沙地貌及其环境演变

冰川作用形成的大面积的冰碛物沉积及寒冻风化是高寒区风沙沉积的主要物质来源.风沙地貌的发育与高寒区环境密切相关,冻结作用使沙丘发育以加积作用为主,形成了高大的新月形沙丘.沙丘的侵蚀与移动主要发生在暖季,新月形沙丘运动速度相当缓慢,年平均水平移动量约1.8～0.5cm·a^-1,加积速率约0.3～0.08cm·a^-1.普若岗日冰原毗邻地区的环境变化主要受温度条件制约,沙丘腐殖质层沉积年代与我国东部沙区古沙丘、敦德冰芯具有一定的相关性,可以认为西南季风的强度对本区具有重要的作用.高原下垫面的变化造成太阳辐射差异,是引起西南季风强弱,造成高原腹地温度与降水随之变化的重要原因.     

从冰前风沙地貌初看普若岗日冰原的形成演变

野外实地考察和室内样品分析表明,位于普若岗日冰原西侧冰川前缘带的大片风沙地貌,直接发育在冰碛之上,并以冰碛为主要物质来源,与冰川运动和冰原环境具有密切的联系,是相关冰川和冰原形成演化过程的良好反映与记录.结合沙丘沉积序列中的沉积构造测量、粒度分析及腐殖质夹层的¹⁴C测年等结果,初步得出:普若岗日冰原至少形成于18kaBP;冰原降水可能主要来自西风降水;18kaBP以来,冰原在总体上处于收缩过程,在约108kaBP来,冰原西缘的零平衡线的年均水平退缩速率约为088～102m·a^-1,铅直升高速率约为24～32mm·a^-1。     

不同砾石覆盖度戈壁床面风蚀速率定量模拟

通过风洞实验,利用称重传感器自动记录风蚀观测样方重量变化过程,对供沙条件下不同砾石覆盖度戈壁床面风蚀速率进行了定量模拟研究。结果表明:砾石覆盖度是影响戈壁风蚀速率的关键因子,戈壁床面风蚀速率随砾石覆盖度增加按指数规律递减。各实验风速下,砾石覆盖度>50%时,戈壁床面风蚀速率随砾石覆盖度增加而减小量有限,甚至无风蚀发生;而盖度从10%到50%时,风蚀速率显著减小。因此,两种实验粒径砾石(3 cm与4 cm)至少在50%盖度时才能达到较好的风蚀防治效果。戈壁风蚀防护机理主要是砾石覆盖度的增加增大了砾石间沙粒的临界起动剪切风速,而且减少了作用在砾石间可蚀地表的剪切压。与沙质对照床面相比,10%~90%砾石盖度戈壁床面沙粒临界起动剪切风速增大了0.8~3.4倍,只有0.5％~28%的剪切压作用在砾石间可蚀地表。     

地形在高大金字塔沙山形成发育过程中的作用——以敦煌鸣沙山-月牙泉地区为例

地形在金字塔沙山形成发育过程中起着重要的作用。金字塔沙山通常形成于山前地带,应属于地形屏障影响下形成的一种沙丘类型。首先,上升气流的发育是山前风阻区气流的主要特征,地形屏障是上升气流发生发展的主要原因。沙山的坡脚、坡中及坡顶分别是上升气流的启动区、发育区及衰退区。上升气流是沙山增高增大发育的主要机制。其次,金字塔沙山多发育于局地环流发育较强的地带,局地环流与区域风况配置是形成复杂沙丘类型的重要因素。本区局地环流偏南风不仅持续时间长,且受到鸣沙山微地形的影响,下坡气流较强。实地观测结果破解了常规气候台观测数据难以揭示上升气流及局地环流对金字塔沙丘形成发育的影响。第三,下附地形在沙山形成发育过程中决定着沙丘发育的“临界尺度”,即丘体达到“临界尺度”的时候,坡面上升气流及风速放大作用逐渐显现,促使丘体增高增大发育,随着沙丘形态与上升气流的互馈作用进一步增强,金字塔沙丘逐渐形成演化为高大沙山。实地观测进一步证实了金字塔沙山是纵向（横向）沙丘形变的一种形式。并提出了金字塔沙山在地形条件下形成演化的一种新模式。     

金字塔沙丘地表气流场及其动力学过程研究

沙丘沉积构造指示及风洞实验结果表明：莫高窟顶金字塔沙丘形成于３组风向条件下（ＮＥ、ＳＷ及ＮＷ）,是链状沙丘的一种变形、分离形式。从沙丘形态特征分析,三面体金字塔沙丘及其它复杂沙丘类型（线形、格状、多面体金字塔沙丘）之间存在某种内在本质的联系。即多信风条件下产生的风向组合,通过主、副脊（梁）的不同形式发育组合过程,形成适应于地表气流的地貌形态。同时认为：沙丘沉积构造及风洞实验相结合的综合研究比以往单一过程研究更为全面、系统、深刻。