深海底采矿机器车关键技术综述

深海底采矿机器车关键技术综述

海洋占地球总面积的71%。随着地球上矿产资源匮乏等问题日益严重，海洋矿产资源的开发越来越受到重视。海洋矿产包括含锰、铜、钴、镍、金、银等十几种矿物,已探明储量多达15000亿t的锰结核,是目前海底矿产资源开发的一个热点。锰结核赋存于水深4000～6000m的深海底表面,表现为直径为0.5～25cm的黑色矿物块群。已知的赋存海域广泛分布于从东太平洋的夏威夷群岛到北美大陆之间的深海底以及印度洋等。在人类开发海底矿产资源的进程中,集机械学、密水技术、声学传感技术、机器人技术、水下精确导航与定位技术和人工智能等诸多学科为一体的深海底采矿机器车扮演了重要的角色。深海底采矿机器车作为深海底智能作业机器人的先行者,其研究开始于20世纪70年代,到目前为止,已经产生了一些概念样机和试验产品。深海底采矿机器车的发展,推动了深海底作业机器人的发展,也促进了水下机器人技术、水下图像处理、声学传感技术、水下精确定位与导航技术的发展。1海底多金属烧结矿物目前,深海底采矿机器车主要被设计用来采集赋存于水下1000～6000m海底表面的多金属结核矿物。深海底采矿机器人携带采集头将矿物收集起来,破碎后经软管和硬管吸扬至海面船。该类海底作业机器人,均携带水力或机械工作头、动力站、电子设备、软管或电缆柔性体等遥控行走于海底,进行海底作业。1.1海底采矿机器车的gps定位深海底采矿机器车的工作环境极为恶劣。6000m海底存在600个大气压高压、1～4℃低温、不均匀的海流作用、无自然光以及流塑状海底沉积物等,在此种极限环境下,作业机器车的控制和导航实现亦十分困难。由于电磁信号在水中的衰减很快,通常用于陆地的GPS定位系统不能用来对海底机器车进行精确定位,只能采用声学定位系统。现有的声学定位系统定位精度较差(只有10m级,且受工作噪声干扰严重。机器车行走底质为含水率极高的海底沉积物,塑性指数高,内聚力小,具有触变特性(被扰动后其承载能力急剧下降),呈流塑状,不同地点其性质存在区别。该种“稀软底”的地面环境是一种完全不同于陆地的底质,使得海底采矿机器车行走过程中打滑严重,不均匀,行走状态难以测量。同时,深海底采矿机器车在工作过程中,车体最前部的采集头工作时将对车体产生反作用力,并将表面沉积物扰动或破坏,扬起大量海底沉积物,将机器车周边包围,使水下摄像机等基于光学的环境感知传感器不能发挥作用;机器车作业时发出的强烈噪声,亦对基于声学原理的图像声纳成像和声学定位系统的测量形成严重干扰。1.2海底多金属核吸法深海底采矿机器车作为深海底多金属结核采集系统(见图1)的重要组成部分,主要任务为收集海底的多金属结核,经破碎后泵送至扬矿软管,再由软管泵和6000m硬管输送泵泵送至海面采矿船,工作对象为海底表层的多金属结核。由于深海底质的“稀软”性及深海环境的未知性,如何保证机器车在海底的安全、按预定轨迹精确行走以及高效的采矿效率,是深海底采矿机器车的主要研究内容。2人类深海底采矿车研究历史深海底采矿机器车的研究起始于20世纪70年代。历经40余年的研究,人类积累了一些深海底采矿车的开发经验。目前,具代表性的深海采矿车主要有以下几种。2.1机械集矿器于1978年在夏威夷以南海域进行了试验,并成功收集结核。参见图2。(1)行走机构液压驱动,阿基米德螺旋行走机构。其工作原理是螺旋叶片陷入海泥中,螺旋体旋转推动海泥,使行走机构获得向前或向后的推力而前进或后退。其优点为结构简单,海底通过性能好;缺点为行走打滑、承载能力低、功耗大、对海底扰动较大。(2)集矿方式采用转轮和链带机械集矿(见图3)。由两根铲斗链把多金属结核铲起,通过输矿胶带传输到贮矿罐。其优点为结构简单,耗能低;缺点为集矿效率不高,转速较高时,结核有随水流漂浮现象,一些用圆柱齿制作的工作表面易被细泥堵塞。(3)传感装置一个测障声纳,一个姿态角传感器,一台深海摄像机。(4)几何参数长3415mm,宽2440mm,高2100mm。2.2渐开线履齿橡胶东南角海底车德国从20世纪70年代就开始了深海底采矿机器车的研制。经历几十年的研究,形成了具有德国特色的采矿系统。图4为德国锡根大学研制的采矿机器车。该车的改进型于1999年7月在印度的浅海试验成功。(1)行走机构液压驱动,渐开线履齿橡胶履带行走机构。该车的特点是采用了特殊形式的摆动车架,支承轮也能摆动,因此该底盘车能较好地适应海底复杂地形,具有较好的越障能力。履带结构简单,渐开线履齿对沉积物的作用如同齿轮与齿条啮合,对沉积层扰动较小。(2)集矿方式高压水射流集矿(图5)。集矿时,前排射流将结核从沉积层上冲起,后排反向射流挡住冲起的结核往后的去路,并与前排射流产生一向上的合流将结核抬起,并冲向后部的输送机构。试验表明,该集矿头可在集矿高度100～200mm内工作,高度为140mm时,集矿效率可达100%。(3)传感装置一个测障声纳,一个磁通门罗盘,一台多普勒测速仪,两个测速编码器,一台深海摄像机。(4)几何参数长3.1m,宽3m,高2m。2.3海底压力采矿车1980年前后,法国Vertut等人研制了一种梭车型潜水采矿机器车(图6)。这种采矿车靠自身重量下行,一般与竖直方向成一定角度。压仓物贮存在结核仓内,当采矿车快到达海底时,释放一部分压舱物以便采矿车徐徐降落。采矿车采用阿基米德螺旋推进器在海底行走,一边排出压舱物,一边采集等效重量的结核,以保持采矿车在海底的浮力。因采矿车由浮性材料制成,所以在水中的重量接近零。当最后一点压舱物被排出,采矿车在阿基米德推进器的作用下返回到海面(参见图7)。法国所设计的第二代梭型潜水遥控采矿车模型机PLA-2型外形尺寸为5.5m×3.3m×2.6m,重16t(包括压舱物)。由于系统投资大,产品价值不高,法国大洋结核研究开发协会(AFERNOD)于1983年已停止研究。2.4拖两种滤料的研制日本在连续链斗系统试验失败后,于20世纪80年代初转入拖曳式水力射流集矿机(图8)的研究。但经过多年的研究,日本已认识到拖曳式行走方式不能满足生产要求,正准备转向自行走集矿机的研究。2.5印度的机器车模型印度于19世纪70年代即开始了多金属结核采矿的研究,但进展缓慢。通过与德国锡根大学合作,采用锡根大学研制的履带车底盘,并自行研究了独特的集矿头,与1999年7月进行了200m浅海试验,并取得了成功。图9为印度的采矿机器车模型。该车长3160mm,宽2950mm,重10t,最大速度0.75m/s。在车顶安装有一个可左右摆动的机械臂,机械臂的下方为一个泥浆泵。采矿时,通过机械臂的左右摆动,用泥浆泵抽取海底表面的多金属结核。该车除可采集多金属结核外,也可进行海底采沙。2.6第二代采矿机器车我国从20世纪90年代初开始对深海底采矿机器车进行研究,在综合研究国外机器车作业行走机构的基础上,长沙矿山研究院在“八五”期间研制了一台自行式履带车模型机(图10)。该车采用近似渐开线高齿橡胶履带,双浮动悬架和横向摆动梁,双泵全功率供油,液压马达分别驱动,电液比例控制,采用水力机械复合集矿方式,外形尺寸4.6m×3.0m×2.1m,重8t,行驶速度0～1m/s。“九五”期间,在“八五”研究的基础上,由我国自行设计,与法国Cebynetic公司合作,研制了第二代采矿机器车(图11)。主要改进表现为采用尖三角齿特种合金履带板,提高了集矿机在深海稀软底环境下的可靠性和可行驶性;改用全水力集矿方式,进一步提高了集矿机的集矿效率;增加了控制密水箱和相关传感器,提高了集矿机的可操作性。“九五”期间研制的第二代采矿机器车于2001年在云南抚仙湖进行了试验,达到了牵引特性理想、牵引力大、承载能力强、跨越或绕过海底障碍容易、能适应软海底行走的预期目标,从130m深的湖底采集并回收模拟结核900kg,具有国际先进水平。历经10余年的努力,我国深海底自行走采矿机器车的机械模型研制工作已基本完成,机器车控制技术研究为“十五”期间重点研究方向之一。3深海底人工智能车智能行为组成影响深海底采矿机器车工作性能的因素有多金属结核收集系统和智能机器人系统两方面。目前,多金属结核收集系统主要有以高压水射流作为采集方式的水力集矿系统和采用机械传送的机械集矿系统两种方式。由于该部分目前已比较成熟,不作为讨论重点。智能机器人系统提供了深海底机器车的智能行为。对于完全自主采矿机器车,其工作过程应该包括深海底特殊未知环境的行走、环境认知、自主路径规划和自主采矿。这些行为必须以传感器为基础,采集外界信息,形成对外界的统一描述,借助人工智能的方法进行决策,从而形成智能行为。目前,深海底采矿机器车只达到“避开简单障碍”和初步的“路径规划”水平,但其自主能力仍处在不断发展之中。3.1自行式深海底采矿机器车深海底采矿车必须携带采集机构、动力装置、破碎机、软管、电子仓和浮力材料等行走于海底,要求能耐60MPa的高压,按开采路线行走,无故障作业2000h以上,同时,从保护环境的角度出发,不能对深海底产生过度的破坏。深海底沉积物完全不同于陆地的底质,其剪切强度极低(0.4～1.6kPa),且具有搅动流体特性(流变限度150%～230%),是一种具有特种“稀软”特性的极限底质。海底沉积物的低承载性和低剪切性,使得普通陆地车辆的行驶机构不能直接使用于采矿车;深海环境的脆弱性、难恢复性、以及深海沉积物的搅动流体特性,决定了人类习惯于水中使用的螺旋桨驱动方式同样不适合于深海底采矿机器车。目前,自行式深海底采矿机器车行走机构主要有以美国为代表的“阿基米德螺旋”和以德国、中国为代表的特种设计履带式行走机构。该两种结构各有优缺点:阿基米德螺旋式结构较简单,海底通过性好,但行走打滑,承载能力低,功耗大,对海底扰动较大;经特殊设计的履带式结构牵引力和承载力大,跨越或绕过障碍物容易,对海底扰动较小,但对底质适应性不好,可能因遭遇极稀软底质陷入海底。3.2长、短基线技术深海底一片漆黑。由于电磁波在水中的衰减很快,GPS信号不能到达6000m深的海底。现有的深海定位系统多采用基于声学定位的长基线、短基线及超短基线技术。其中,定位精度最好的长基线定位系统也只能达到米级的定位精度。因此,只能主要依赖惯性导航。另外,采矿车行走和采矿时会掀起大量的海底沉积物,这将使得采矿车周围的环境受到严重扰动,使摄像头等传感器的性能受到严重影响。研究以惯性导航为主的深海底自动导航和定位技术也是深海底采矿车正常工作需解决的关键问题之一。3.3路径规划及技术一般的路径规划问题主要是寻求从起始点到目标点的最优或近似最优的无碰撞路径。但是深海底采矿机器车的路径规划具有“遍历”的特点。规划器的目标是在既定区域内实现机器车的行走路径对工作区域的最大覆盖和最小重复率。这项技术对扫雷机器人、吸尘机器人、农业收割机器人等都具有重要意义。深海底采矿机器车的遍历路径规划方法可以分为无环境模型的规划方法和基于环境模型的规划两类方法。3.3.1随机+局部遍历规划目前,即时定位和环境建模技术还处于探索阶段,所以广泛使用无环境模型的规划方式,即随机工作方式和随机+局部遍历规划的方式。随机工作方式的前提是,在时间足够长的条件下,机器车的行走路径可以完全覆盖工作区域。显然这种方式效率不高。而随机+局部遍历规划的方式是在缺少全局环境地图和全局定位能力的条件下,在局部范围内进行遍历性质的路径规划。这种方式对定位能力和环境建模精度要求低,但采矿效率高,重复率较低。目前,我国研制的深海底采矿机器车即采用该种规划方式。3.3.2工智能辅助规划目前,基于环境地图的全局规划研究主要处于理论研究方面。由于深海底环境的未知性和复杂性,多采用人工智能的手段进行规划。文献针对海底环境的时变性,提出了一种与时间有关的模糊推理规划方法。文献[15-16]将工作区域分解为神经单元,利用神经网络方法进行了全局遍历路径规划以及障碍物周边区域的覆盖问题的研究。文献采用构造代价函数,使用优化的思想指导机器人的遍历行为,并证明了遍历路径的存在。4深海底定位关键技术目前,深海底采矿机器车尚处于试验研究阶段,其自主能力和工作效率方面还不够理想,需要在技术上解决深海底未知环境定位与导航技术、稀软底环境机器车可行驶性技术、基于声学传感器的多传感器融合及导航技术等多个关键技术。在此基础上,深海底采矿机器车可以向高度智能化、多机器车协作、低成本的方向发展。4.1局部法路径规划现在的深海底采矿机器车在行为上还处于“低级生物”的阶段,环境感知能力有限,对路径的规划只是基于局部环境信息的简单规划方式。由于深海底环境的复杂性和未知性,该种规划方式效率较低