履带式深海采矿车软底质行走性能分析

海底底质的物理力学参数不同于陆地土壤,其极低的抗剪强度和承压强度对深海采矿车的行走性能提出高要求。分析基于车辆地面力学理论,开展了底质土力学特性试验研究,建立了深海底质力学模型。根据深海重载作业采矿车样机结构参数,在大型动力学仿真软件Recurdyn中建立了仿真模型。通过直线行走多体动力学仿真与直线行走海试试验的对比,验证了仿真模型的准确性。在此基础上开展了采矿车样机在深海软底质上的多种行走工况动力学仿真,分析与评价其行走性能。结果表明,采矿车样机可以顺利完成转弯、爬坡、越障等基本功能。该研究成果可为深海采矿车海底行走性能评估提供理论参考,为深海采矿车和软底质的相互作用力学研究提供借鉴。     

深海采矿机器人行走液压系统特性研究

针对深海采矿机器人"鲲龍500"行走液压系统,建立深海采矿机器人行走液压系统理论模型,分析深海高压和低温环境对油液特性影响,并基于AMESim软件平台,建立深海采矿机器人行走液压系统数值模型,研究了0～6 000 m不同作业深度下的行走液压系统泵和马达的动态特性,以及在6 000 m水深时不同牌号液压油和行走启动特性对其行走性能的影响,对比分析了深海采矿机器人水池行走试验和500 m海底行走试验的行走泵的输出压力与流量曲线与其数值模拟曲线。研究表明,随着超过1 000 m作业水深的增加,深海行走液压系统的动态响应性能和稳定性显著降低,通过减小行走输入电压斜坡斜率和减小控制电压可以提高行走液压系统的稳定性,并通过试验验证了行走液压系统数值建模与仿真的正确性,为深海液压系统研究提供理论基础。     

基于模糊PID的深海采矿机器人路径跟踪控制

深海采矿作业中,由于海底软泥稀软,采矿机器人极易打滑,以及海底地形、海流等干扰,采矿机器人容易偏离预定路径。针对采矿机器人的海底作业过程中路径跟踪问题,设计并分析了深海采矿机器人的路径跟踪控制系统。首先提出了艏向控制实现采矿机器人路径跟踪的控制算法,通过采矿机器人与当前目标点相对位置计算采矿机器人的目标艏向角,后基于运动学模型建立模糊比例积分微分(PID)的控制方法控制采矿机器人两侧转速差值进而控制采矿机器人艏向,从而使机器人按目标路径行走;同时为了防止输入过大引起打滑,基于动力学模型数值分析了采矿机器人主动轮角加速度与打滑率之间的关系,采取限制主动轮角加速度方式防止采矿机器人过度打滑;最后通过Matlab/Simulink建立系统模型对系统进行仿真分析。仿真结果表明,该控制算法能够良好地完成采矿机器人的路径跟踪任务。     

深海多金属硫化物采矿研究进展及其前景探讨

随着陆地金属矿产资源的日渐枯竭,深海多金属硫化物逐渐成为海洋矿产资源勘探的新趋势。文章介绍了全球主要海底多金属硫化物矿床的成因及分布特点,阐述了多个国际矿业公司和国际海洋组织对西南太平洋、大西洋和印度洋海底块状多金属硫化物勘探活动的最新进展。从海底多金属硫化物的金属品质、深海采矿的法律政策和环境保护等方面对海底多金属硫化物的开发前景进行探讨,并提出积极投身国际海底资源开发规章制定,进一步细化国内法律制度,为深海采矿提供良好的法律制度环境;提升深海治理能力,增强我国在深海领域的话语权;完善深海技术装备体系,提高深海开发创新能力等建议。     

海底多金属硫化物开发动态与前景分析

介绍了澳大利亚鹦鹉螺矿业公司和海王星矿业公司在西南太平洋区域对海底块状多金属硫化物 ( SMS ) 的商业勘探活动和开采计划等活动的最新进展,并从海底多金属硫化物的金属品质、开发的技术可行性与经济性、深海采矿的环境保护与法律政策等方面对海底多金属硫化物开发的前景作了分析.     

海底热液硫化物——深海采矿前沿探索

结合深海采矿的现状,以海底热液硫化物这一潜在开采对象为基础,对国内外的相关研究与开发动态情况进行了介绍,分析了海底热液硫化开采远景,在剖析海底热液硫化物开采研究现实意义的基础上,提出海底热液硫化物是我国海洋采矿发展的新契机.并建议相关部门结合大洋战略逐步完善我国深海基础机电产品及工程装备研发体系.结合海底热液硫化物探测技术的发展,同步开展开采系统的前期研究工作,从而引导并推进我国深海采矿及海洋工程技术的发展.     

我国深海多金属结核采矿试验之初论

文章在分析国际深海资源勘探活动最新进展的基础上,针对我国"十三五"国家重点研发计划"深海多金属结核采矿试验工程"项目的总体目标、主要内容、组织模式等进行了介绍,对目前国际社会普遍关注的深海采矿与环境保护、商业开发时机、国际深海开发规章等问题进行了分析,对后续我国深海采矿试验工作提出了建议。     

基于声呐图像的深海采矿车组合定位导航算法

实现高精度的定位导航是深海采矿车完成海底工作任务的基础条件。在采矿车行进过程中,声呐设备生成的图像信息能够反映海底场景的变化,从而体现采矿车本身的运动,由此建立了一种声呐图像里程计,并将其与轮式里程计和USBL测量数据相结合提出了一种深海采矿车组合定位导航算法。首先对多波束前视声呐图像进行预处理,然后使用Canny算法进行特征检测并对特征点云进行配准,再结合声呐成像原理构建了声呐图像里程计运动模型,最后通过轮式里程计运动模型推导预测方程、声呐图像里程计运动模型和USBL测量数据推导更新方程,利用EKF（extended Kalman filter）算法实现基于多传感器融合的定位与姿态估计。海试数据验证了该组合定位算法能实现轮式里程计、声呐里程计和超短基线在速度、位置、艏向角估计、定位速率的精度互补,具有一定的有效性和精确性,该算法为深海采矿车的定位与导航算法研发提供了参考。     

深海采矿潜在环境影响因素及监测技术体系研究

目前深海采矿潜在的生态环境影响引起来了广泛关注,文章针对工业化深海金属矿产资源开采潜在的环境影响监测评估需要,系统地总结了深海铁锰多金属结核、铁锰富钴结壳以多金属硫化物等主要深海资源的基本产状,分析了“物质迁移-羽流产生-声光电磁噪声-耗氧-有毒物质释放”等主流采矿工艺潜在的环境影响因素,基于深海采矿生态环境影响评估调查研究的技术需求,从实施深海采矿环境监测实验工程、建立深海重大装备系统、发展原位监测传感器等方面提出了深海采矿环境监测技术体系建设构架,以期为我国深海采矿生态环境监测保护技术发展提供借鉴。     

关于中国国际海底区域矿区采矿的思考

文章结合国际深海采矿的现状和中国现有国际海底区域矿区的情况,分析中国国际海底区域矿区采矿存在缺少法律依据、尚未完成矿区资源评价和"区域"放弃、深海采矿技术发展相对滞后、海洋环境影响评估尚有不足等问题;在此基础上提出未来发展建议,即开展与国际海底管理局的深度合作,在制定"区域"内矿产资源开发规章中有所作为;加快对中国国际海底区域的勘探工作,尽快完成矿区资源评价和"区域"放弃;跟踪国际深海采矿行业进展,加快推进中国深海采矿系统的建造并尽快试开采;继续加大深海采矿对海洋环境的影响研究,尽快形成深海采矿环境影响预测评价技术指南。     

Survey of underwater robot positioning navigation

Underwater robot positioning and navigation achieve autonomous underwater robot movement based on the premise that positioning obtains the coordinates of the relative position of the underwater robot using a sensor, and navigation yields a known location to the destination path planning. Due to the location of an underwater robot and the complex and changing environment in which it operates, it is difficult to achieve precise positioning using the traditional positioning method. This paper systematically analyzes and summarizes several typical localization and navigation methods of underwater robots, such as multisensor information fusion technology, underwater acoustic localization and navigation methods, GPS buoy, underwater vision, SLAM and coordinate localization and navigation of multiple underwater robots. Multisensory information fusion technology integrates the advantages of the above methods, enhances the system stability and robustness, overcomes the disadvantages of traditional positioning and navigation, and enables the autonomous navigation and positioning of underwater robots. Underwater acoustics enable flexible and convenient positioning, whereas GPS can achieve high-precision and high-positioning navigation information, and visual positioning effectively overcomes the problem of error accumulation. Multirobot cooperative positioning resolves the problem of positioning failure caused by the collapse of a single system and completes complex tasks that cannot be completed by a single robot, thus enhancing the stability and robustness of the system. This paper systematically describes the realization of these methods, presents an actual analysis of their respective advantages and problems, and discusses the development of the field of research prospects and application prospects.     

深海采矿转臂机构采矿姿态优化研究

针对海底地形不平坦特性,提出了一种变幅机构来自适应海底地形采矿姿态的采矿机构。综合考虑采矿机构采掘头距海底高度对采矿率影响,利用关键点法建立了节臂上的点到海底地形距离的数学模型。在此基础上,建立了以采矿率最高为目标的最优采矿姿态数学模型。以某实际地形为例,采用模拟退火遗传算法优化求解最优采矿姿态。根据其优化后结果可知,其最优采矿姿态与海底地形坡度变化一致,从而证明了采矿姿态模型的正确性。     

Impact Compressive Creep Characteristics of Simulative Soil for Deep-Sea Sediment

The impact load (equivalent impact height) applied to deep-sea sediment by a walking mining machine was first deduced by the energy conservation principle, and the simulative soil was prepared based on the deep-sea sediment collected from the Pacific C-C mining area. The self-designed impact compressive creep tests of the simulative soil were conducted under different ground stresses and impact heights, in order to determine impact compressive creep parameters using a K-H rheological model. Test results show that the impact compressive creep curves have three similar creep stages (transient creep, unstable creep, and stable creep) to static compressive creep curves, where the transient creep deformation and total deformation at the unstable creep stage decrease with the impact load. Among the three impact compressive creep parameters (K₁, K₂, β) of the simulative soil, K₁ is first increased with impact height and finally fluctuated to a certain stable value, while K₂ and β are approximately linearly increased with impact height. The maximum subsidence of the mining machine under a specific designed ground stress and walking velocity predicted by the impact compressive creep constitutive equation can be used for safety assessment of the mining machine.     

深海多金属结核生长模拟及宏观形貌研究

研究旨在提出深海多金属结核生长的数值模拟方法,以获取典型的结核宏观形貌,为后续结核输运过程的冲击碎裂仿真提供几何模型。根据已有的深海多金属结核采样研究结果,假定矿物沉积速率满足正态分布。将多阶段时变随机沉积模型嵌入ABAQUS UMESHMOTION子程序中,通过控制网格节点移动实现了结核多阶段随机生长模拟,给出了结核不同生长阶段的外形及截面特性模拟结果。分析了鱼骨、鲨鱼牙齿、板岩、鹅卵石等典型不同核心物质及矿物沉积速率变异性对结核生长过程的影响,确定了核心物质在海床淤泥中埋置深度对结核生长形态的影响。研究表明：基于网格节点移动的结核生长模拟技术可有效处理结核几何拓扑变化较小的生长过程,核心物质的初始形状及其在海床上的埋置深度是影响结核形貌的主要原因,而矿物沉积速率的变异性则主要影响结核表面的光滑度。     

基于长基线系统深海采矿ROV精确定位

对于深海采矿集矿机ROV的定位,采用传统的长基线水声定位系统通常存在较大误差。对此提出了一种新的算法模型,首先通过比较集矿机测量位置与前一次修正位置的几何关系,对当前集矿机的位置进行修正,然后利用新的集矿机位置修正声速的数值,并得出重新修正后的集矿机测量位置。这样反复的多重迭代使得在某一时刻集矿机ROV的测量位置逐步趋近其理想位置,实现长基线系统的水声精确的三维立体定位。通过数值仿真分析,结果显示与传统的长基线水声定位方法相比,通过该方法获得的集矿机行驶轨迹能更好地趋近其理想行驶曲线,表明该算法的有效性。     

深海多金属结核物理特性及其对采输过程的影响概述

文章旨在确定深海多金属结核的物理特性,并分析其对采输过程的影响,以指导工程应用。总结了深海多金属结核开采的最新研究进展,通过对数据进行统计整理、回归分析,确定了结核形成机理及主要成分、在海底的分布特性、结核形态及构造、结核尺寸与重量关系、含水量、密度、孔隙特性及结核强度等关键物理特性。研究表明：结核形状多样,质松多孔隙,含水率高,近似均匀分布在海床上或浅泥层中。颗粒质量和尺寸联合概率分布具有长右尾特性,需使用更广义的联合概率密度函数copula才能准确建模。结核抗拉强度随结核直径增大按对数函数递减。此外,深海高压环境下结核的开采需更多能耗,且结核表现出更高的延性。结合固液两相流分析和颗粒沉降理论,分析了结核形状、尺寸、密度等主要参数对水力举升过程的影响,确定了颗粒破碎的主要方式和规律,总结了不同粒径级配输运造成堵塞的可能原因。