（控制理论与控制工程专业论文）深海集矿机行走控制研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 深海采矿是一个极其复杂的工艺过程，深海集矿机作为采矿系 统的随动中心，其行走控制系统是整个深海采矿系统的关键。开展 集矿机行走控制技术研究，对提高集矿机行走控制的稳态和动态品 质，进而提升串式随动采矿系统的可靠性，具有重要意义。 本文面向集矿过程，对深海集矿机行走控制开展深入研究。在 充分了解深海矿区环境和土力学特性、深海集矿机行走特性及行走 控制要求的基础上，针对深海集矿机行走控制难点，提出了建模与 控制器设计的思想。通过对集矿机液压驱动特性及履带一稀软底地 面作用特点深入分析，分别建立了集矿机液压系统模型、集矿机履 带一地面动力学和运动学模型，并采用子模块封装的手段，建立了集 矿机整体仿真模型。针对深海集矿机行走控制模型的高阶非线性和 履带车辆的非完整性，提出了自修正专家模糊控制算法：以人工驾 驶经验为依据设计专家规则，构成车辆速度和方向角外环控制系统； 采用自修正模糊控制算法构成左右履带速度内环控制器，实现对左 右履带速度的精确调节。以所建模型为控制对象，对控制算法进行 了数字仿真研究，仿真结果表明算法对深海集矿机行走控制具有良 好性能。 针对深海集矿作业环境的特殊性及集矿机行走过程中的多任务 多传感器问题，综合协商结构、反射结构的优点，本文采用集成结 构对深海集矿机行走控制软件结构进行了规划，并在此基础上开发 了深海集矿机行走控制软件。 最后，以集矿机同比例实物模型为对象，开展了试验研究，试 验结果验证了算法的有效性。 关键词：深海集矿机，行走控制，控制结构，自修正专家模糊控制 ! 堕查堂堕主兰堡丝苎 一竺! 坠里 a b s t r a c t d e e p s e am i n i n gp r o c e s s i sav e r yi n t r i c a t ep r o c e s s t r a c k i n g c o n t r o lo fd e e p - s e am i n i n gv e h i c l ei st h ek e yp r o b l e mi nt h ew h o l e m i n i n gs y s t e m i ti si m p o r t a n t o nr e s e a r c ho f t r a c k i n gc o n t r o lt e c h n o l o g y t oi m p r o v es t a b i l i t y , d y n a m i cc o n t r o la c c u r a c yo ft h ev e h i c l ea n dt h e r e l i a b i l i t yo f t h em i n i n gs y s t e m i nt h i sp a p e lac o n t r o ls t r a t e g ya n dt r a c k i n gc o n t r o la l g o r i t h mo n d e e ps e a b e dm i n i n gv e h i c l ea r ep r e s e n t e d f i r s t l y , d e e ps e a b e dm i n i n g p r o c e s si sd e t a i l e d l ya n a l y z e da n dw a l k i n gs y s t e mo fm i n i n gv e h i c l ei s i n t r o d u c e d ，t h e nc o n t r o lt a r g e ti sp u tf o r w a r d a f t e rt h a t ，a c c o r d i n gt ot h e d i 蚯c u l t yo fc o n t r o ls y s t e m 。h y d r a u l i cd r i v ec h a r a c t e r i s t i co ft h ev e h i c l e a n dd e e ps e a b e dw o r k i n ge n v i r o n m e n to ns o f tt e r r a i n ，h y d r a u l i cd r i v e r m o d e l 。t r a c k - t e r r a i nm o d e la n dk i n e m a t i c a lm o d e la r es e p a r a t e l yb u i l t t h em o d e l sa r et h e ne n c a p s u l a t e di n t oo n ei n t e g r a t e dm o d e l ，s i m u l a t i o n m o d e lo nd e e po c e a nm i n i n gv e h i c l e f o l l o w i n gt h a t ，a ne x p e r t - f u z z y c o n t r o la l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rt r a c k i n gc o n t r o l ，c o n s i d e r i n gs e v e r e n o n l i n e a ra n dn o h o l o n o m i cp r o p e r i t yo ft h em o d e l f o u n h l y , a c c o r d i n g t om u l t i - - t a s ka n dm u l t i - s e n s o r ，ah y b r i ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo ft r a c k i n g c o n t r o lo f t h ed e e ps e a b e dv e h i c l ei sd e s i g n e da f t e rc o m p a r ed e l i b e r a t i v e a r c h i t e c t u r ea n dr e a c t i v ea r c h i t e c t u r e o nt h eb a s i so ft h ed e s i g n ，c o n t r o l s o f t w a r eo fd e e ps e a b e dm i n i n gv e h i c l ei sp r o g r a m e d f i n a l l y , t h e t h e o r e t i c a lw o r ki se v a l u a t e db ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tu s i n gt h e s i m u l a t i o nm o d e la n dm i n i m i n i n gv e h i c l em o d e ls e p a r a t e l y t h e a l g o r i t h ma v a i l a b i l i t yi sd e m o n s t r a t e d k e yw o r d s ：d e e ps e a b e dm i n i n gv e h i c l e ，t r a c k i n gc o n t r o l ，c o n t r o l s t r u c t u r e ，s e l f - a d j u s t a b l ee x p e r t - f u z z yc o n t r o l 中南大学硕l 学位论文 原创性声明 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的 地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同 工作的同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名；矬盥墓一 日期：趔年三月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学 位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。 对以上规定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 僦名：轴越黜名：婢嗍一直日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 深海采矿研究意义及课题来源 2 1 世纪是海洋经济时代，浩瀚的海洋是资源和能源的宝库，也是人类实现 可持续性发展的重要基地。深海蕴藏着储量丰富，种类繁多的矿产资源。据初 步估算，海底蕴藏有占地球总储量3 0 5 0 的2 0 0 0 亿吨石油，含锰铜钴镍金银 等十几种矿物的1 5 0 0 0 亿吨多金属结核，占大陆储藏量几十倍的八十多种化学 元素，以及正在调查的丰富的富钴结壳和富硫热液硫化物等资源”1 1 。所谓锰结 核就是大量地赋存于水深4 0 0 0 - - 6 0 0 0 m 深海底表面的直径为o 5 - 2 5 c m 的黑色矿 物块，含有铜、钴、镍、锰、铁、钨、钛、钼、金、银等7 0 多种元素，其中 n i 、c o 、c u 、m n 的平均品位分别为1 3 0 ，o 2 2 ，1 0 0 和2 5 ，其总储量 分别高出陆地相应储量的几十倍到几千倍，具有很高的经济价值。已知的赋存 海域有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”。 与海洋拥有的丰富的未开采资源相比，当今世界人类正面临着“全球人口 不断膨胀，陆地资源和能源日趋严峻”的危机”1 ，众所周知，矿产资源为不可 再生资源。然而，随着生产力的不断提高，人类对矿产资源的需求也越来越多。 二战以后的半个多世纪，世界矿产资源的消费量更是呈数十倍的增长。据估算， 按目前的世界矿产开采水平，陆地上的主要矿产资源只够开采2 0 , - - 4 0 年川。我 国陆地矿产资源前景尤其不容乐观。目前中国原煤、钢、十种有色金属和水泥 产量居世界第一位，磷矿石和硫铁矿产量分别居世界第二位和第三位，原油产 量居世界第五位。随着我国经济的快速发展，我国对矿产资源的需求仍将进 一步扩大。按照2 0 2 0 年矿产品预测需求量，考虑相关的利用率及储采比率，到 2 0 2 0 年，我国陆地石油、铀、铁、锰、铝土矿、锡、铅、镍、锑、金1 0 种矿 产资源将出现短缺现象，包括铬、铜、锌等在内的9 种重要矿产资源将出现严 重短缺现象1 。 随着陆地矿产资源的日益稀缺，对海底矿产资源的开发为人类矿产资源开 发的必由之路。世界各国都把发展的希望寄托在占地球表面积7 1 的海洋上。 经过2 0 世纪7 0 年代“国际十年海洋考察”和各国科学家的不断努力，人类己 极大地增长了对深海资源的认识，目前全球一个开发利用和保护海洋资源和能 源、攻克海洋高科技开发技术的世纪之潮已经兴起，从蓝色的海洋中索取资源， 使之称为世界经济发展的增长点，正成为我们这个时代的特征。鉴于我国陆地 矿产资源在未来2 0 年里的不可保障，我国对海底矿产资源开发的研究更具有现 实的紧迫性和必要性。 中南大学硕士学位论文 为开辟我国新的矿产资源来源，维护我国在国际海底开发活动中的应有权 益，1 9 9 1 年国务院批准将“大洋多金属结核资源研究开发”作为国家长远发展 项目。1 9 9 1 年3 月联合国海底筹委会批准中国大洋协会为深海采矿先驱投资者， 在太平洋c c 区获得了1 5 万平方公里的开辟区。在向掌握了深海采矿关键技术 和设备的发达国家学习的同时，为了开发拥有自主知识产权的深海控制技术和 装备，根据国务院 1 9 9 0 1 2 8 号文件的批复，中国大洋协会制定了大洋多金属 结核资源研究开发第期( 1 9 9 1 - 2 0 0 5 年) 十五年发展规划和大洋多金属结 核资源研究开发“八五”计划、大洋多金属结核资源研究开发“九五”计划， 从1 9 9 1 年开始组织实麓。经过十年开发研究，2 0 0 1 年5 月2 2 日，联合国海底 管理局批准中国大洋协会位于c c 区7 5 万平方公里的国际海底优先开采权，确 认了我国在深海多金属结核开采技术开发上广度和深度，将促进我国研究开发 的进程。 本课题来源于“中国大洋矿产资源研究开发十五深海资源研究开发专 项深海采矿系统监控、动力配置技术设计研究开发”子项目。该项目由中 国大洋协会组织、由中南大学负责，它对进一步推动我国深海采矿技术的发展 具有非常重要的意义。开发深海控制技术，抢占深海高技术制高点，是我国深 海技术开发战略需要，在此领域研究成果将会促进我国相关领域技术进步，升 级我国相关技术水平进入到国际前列。本文以该项目为背景，针对深海集矿机 的行走控制进行研究。 1 2 深海采矿控制系统研究现状 人类对海洋的开发历史悠久。目前所有商业性开发的海洋固体矿物都位于 领海或专属经济区内，但随着经济与技术的发展，人们己将海洋矿产资源的开 发推向了深海海底。多金属结核是十九世纪末( 1 8 6 8 年) 在西伯利亚岸外的北 冰洋喀拉海中发现的别。1 8 7 2 1 8 7 6 年间，英国的“挑战者”做环球考察时， 发现世界大多数海洋都有多金属结核矿。然而，鉴于抢占海洋高科技制高点的 战略，深海采矿遥测遥控技术研究开发全面开展p “j ，是从二十世纪六十年代 开始的。 1 2 1 国外研究现状 二十世纪七十年代，以美国为首的西方国家提出了一系列的初步采矿方案， 并进行了一些实验研究。先后出现了k e n n e e o t t 公司研制的k e i v 采矿装置配套 供电和控制系统( 1 9 7 3 年) 、o m a 公司开发的采矿装置控制和供电系统( 1 9 7 7 2 中南大学硕士学位论文 绪论 年) 、o m c o 公司开发的采矿装置控制供电系统( 1 9 7 8 年) 、法国研制的e r i c i i 型深海作业车无线遥控和可充电池供电系统”“1 。 k e i v 采矿装置的控制系统由海面g p s 、集矿机导航定位、数据转换和传 输、集矿机下放回收监控、集矿机动力参数监控、行走控制等部分组成。该控 制系统重点地解决船、集矿机同步行走的控制问题和水下导航定位检测控制， 以及集矿机行走的牵引控制干扰。 o m a 公司开发的采矿装置控制系统主要由船上控制中心、数据传输通讯同 轴电缆、集矿机上的变压器和监控密水电子耐压仓、声纳系统、导航系统、摄 像机、测高声纳、集矿机现场监控仪表等部分组成。监控参数主要有供电参数、 集矿机离底高度、采矿装置相对位置、航向、方位、拖绳拖曳角和拖曳力、集 矿机采集作业参数等。在路径规划的集矿机定位方面，使用声波发射应答装置 确定集矿机、提升管道、采矿船之间的相对位置并利用声波发射导航应答器确 定集矿机相对声波导航网之间的位置。 o m c o 公司开发的采矿装置控制系统主要组成部分为中央控制室、中继站 密水电子压力仓和液压控制子系统、集矿机上的多传感探测系统、导航声纳系 统、扫描定位声纳、电视、照相等。监控参数有作业工况、集矿机的行走轨迹、 移动速度、行走方位、采掘深度、采集速度、离底高度、料浆输送速度、导航、 与中继站的相对坐标等。集矿机上使用多传感探测系统及液压驱动控制检测装 置、高分辨率扫描声纳确定集矿机与中继站的相对位置、引入采矿路径规划轨 迹控制是该系统的主要特点。 e r i c h 型深海作业车控制系统由实时计算机、外围综合监控系统、7 个单 独操纵杆、2 个三自由度操纵杆、现场轮廓声纳等组成：操纵杆的位移成比例 控制作业车传动机构的角加速度进行6 自由度作业车控制；监控参数主要为自 动车辆行走、推力、平动和转动、9 个加速度、障碍物距离和轮廓等。使用障 碍物距离声纳和轮廓声纳来进行集矿过程的绕障避障。 此外，c s d r a p e r 试验中心( u s ) 研制出深海导航定位系统，提出匹配集 矿机行走速度、优化控制集矿机集矿过程参数、确保采集效率最优的控制方案。 通过该阶段广泛深入研究开发，工业发达国家基本解决了深海采矿尤其是 集矿作业车控制系统水下设备的密水、耐压、防腐、材料、控制测量、深海仪 表和组合电缆的抗弯、抗拉、防扭、中容量密水耐压接头、压力补偿分电箱等 多项关键技术，提出了水下导航定位的一些方案和行走轨迹优化控制思想。但 是由于技术条件的限制等种种原因，集矿机成熟的控制技术方法有待研究。进 入9 0 年代，西方国家海采活动逐趋平缓，围绕集矿机控制技术领域的研究开发 活动仍然活跃。与此同时，出于国家战略的考虑，以中国、印度、韩国为代表 中南大学硕士学位论文 一 绪论 的许多发展中国家积极开展了深海底多金属结核的调查和勘探工作，先后取得 了含有丰富结核区域的优先开采权1 1 4 1 , 在此基础上，积极开展深海底多金属结 核开发控制技术的研究。显然，随着海洋经济的到来，以及深海技术尤其是先 进控制方法、计算机技术的飞速发展，集矿机控制系统硬件平台有了良好的高 技术支撑，也提供了改善和优化控制方法的众多手段。但关于深海集矿机行走 控制研究的报道甚少。 1 2 2 国内研究现状 国内深海采矿控制技术研究始于“八五”计划。“八五”期间，我国在综合 研究国外集矿机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1 1 ) ，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 6 3 0 2 1 m ，重8 t ，行驶速度1 r r d s 。 结合深海采矿模型集矿机的研制和实验室研究，于9 5 年成功开发了稀软底履带 行走式集矿机控制系统p 1 ，浅水试验初获成功，取得了阶段性研究成果。同时 暴露了控制系统水下仪表和执行机构多根电缆和信号缆相互间的缠绕扭曲严 重、密水接头过多、主要依赖观测手动操作等薄弱环节，为“九五”扩大研究 奠定了基础。 “九五”期间，由我国自行设计，与法国c e b y n e t i c 公司合作，研制了第二 代集矿机( 图1 2 ) 。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。该集矿机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。研究重点集中于深海中试集 矿机控制和供电技术的研究开发，旨在打通深海采矿主要子工艺系统的控制流 程。基于技术设计和实验室研究，采用国际合作的技术路线，各控制环节初步 形成，于2 0 0 0 年研制出我国第二代集矿机控制系统。控制系统基于c o m p a c t p c m p c 组成d c s 层次结构，控制功能较为完善。开发了基于p l c 的硬管扬矿 监控装置、基于研华一体化i p c 的软管控制装置t t 6 - t t l 。各子工艺流程虽基本满 足工艺实验室试验要求，但控制系统功能有待继续完善。并于2 0 0 1 年成功进行 了1 3 0 m 水深湖试。由于自身和外部环境等因素，在湖试时发现，集矿机在1 3 0 m 软底上行驶控制难度很大，现有人工控制效果很不理想。可以预见，集矿机行 走控制将是6 0 0 0 m 海底采矿的难点之一。因此，“十五”期间，6 0 0 0 m 深海底 集矿机行走控制技术研究被列为国家大洋协会“十五”攻关的重点之一。 中南大学硕士学位论文 图1 1 第一代集矿机图1 2 第二代集矿机 1 3 我国深海采矿系统工艺流程 深海采矿系统的方案主要有三种：连续绳斗式开采系统、自动穿梭式采矿 车采矿系统、集矿机加管道输送采矿系统。我国采用的采矿系统方案是深海复 合式水力提升采矿系统，属于集矿机加管道输送采矿系统中的一种。该系统由 自行式集矿子系统、水力提升子系统、水面支持子系统和监控与动力子系统等 组成( 如图1 3 所示) 。集矿机工作在6 0 0 0 m 深的海底表面，将散布在海底表 面的多金属结核扰动、捕获，经过脱泥后输送到破碎机构的料仓中：破碎机构 将多金属结核破碎成满足扬矿输送要求大小的矿石颗粒，然后通过数百米的软 管输送至中继料仓，再由中继仓的给料机送至扬矿硬管，最后由位于离海面8 0 0 米和4 0 0 米的两台多级矿浆泵提升到海面采矿船上。 深海采矿集矿子系统主要由集矿机和与之相配套的控制系统及动力配置系 统构成。集矿机主要包括自行式履带作业车、集矿机构、破碎机构、液压系统、 控制系统、动力装置、软管连接装置。 整个集矿机行走、姿态调整、采集、破碎的动力都由液压系统提供，采用 2 台高压水下电机驱动油泵提供压力油。 集矿机是履带式的自行走作业车，采用高尖齿的履带行走，两条履带由安 装在后轮上的两台液压马达分别驱动，用变量泵调节速度。同时，为了在集矿 机收放时控制其姿态，防止其旋转，在集矿机的前后各安装了一台液压马达驱 动的螺旋桨。 集矿机构安装在作业车的前端，由前后两排相对斜向海底射流的喷嘴、附 壁喷嘴、封闭输送管道和排泥隔栅等组成。采用低压大流量水力冲抬输送原理 采集结核，压力水由液压马达驱动的水泵提供。 集矿机构利用水射流将赋存在海底表面的多金属结核扰动、捕获，经过脱 泥后输送到破碎机构的料仓中；破碎机构将多金属结核破碎成满足扬矿输送要 求的大小的矿石粒径后进入扬矿输送管道，完成整个集矿作业。 中南大学硕士学位论文 - i _ 一 绪论 破碎机构采用单齿辊式破碎，由液压马达驱动，同时具有液压自动防卡排 除大块装置。 采矿系统还包括一个中继站，中继站为集矿机处理过的矿结核提供一个暂 存和中转的场所，另外，合理地分担了部分设备安装，使集矿机有最大的机动 灵活性。 集矿机和中继站之间由柔性连接装置连接，用以提供动力和传输矿浆，同 时，使集矿机有一个可以活动的工作范围。 海面采矿船为集矿和扬矿提供所有操作控制和维护。整个系统由海面采矿 船上的监控中心分别对集矿机的集矿过程、行走速度和方向、以及与海面采矿 船之间的相对位置、集矿机上的碰壁声纳等进行控制。集矿机上的定位声纳用 来确定和显示集矿机在采矿区相对中继站的位置，多波束声纳用来探测前进方 向的地形和障碍物。此外，集矿机上安装的电视摄像机用来观察集矿机的各种 运动和各工作机构的工作情况，以及其周围的地形。 基于以上对深海采矿工艺流程的分析，集矿机是整个深海采矿系统的随动 中心，是深海集矿作业的载体和极为重要的设备之一。集矿机行走控制质量的 优劣，影响整个采矿系统的安全性、可靠性和效率。因此，本文重点针对集矿 机行走控制进行研究，设计用于控制集矿机各机构的高性能控制器，保证集矿 机正确地执行命令。 图卜3 我国深海采矿系统工艺流程图 中南大学硕士学位论文 绪论 1 4 论文研究的主要内容及论文结构 本文首先研究深海集矿机机行走系统，分析其工作环境及行走控制要求。 然后在深入了解地面土力学特性及履带车运动学特性的基础上，建立深海集矿 机行走模型；针对集矿机液压系统是高阶强非线性系统、动力学是非线性及非 完整系统，线性化困难等情况，提出自修正专家模糊双闭环控制系统。并设计 出深海集矿机行走控制软件结构，对整个行走控制系统进行规划，确保集矿机 安全、精确地完成采矿任务。 论文结构安排如下： 第一章：简要介绍深海采矿研究意义、研究历程、采矿工艺，并介绍控制 系统研究现状及存在问题。 第二章：研究深海集矿机行走系统，介绍集矿机作业环境及行走土力学特 性，分析集矿机行走控制难点。 第三章：详细分析液压驱动系统和车辆履带与地面作用特点，建立液压系 统模型、履带地面相互作用模型和运动学模型。提出自修正专家模糊控制算法 并在m a t l a b 中仿真。 第四章：设计集矿机行走控制软件结构，并编制软件。 第五章：控制算法在模型车上验证。 第六章：对本论文的研究成果进行简要总结，并提出了论文研究中尚存在 的问题和今后进一步研究的几个重点与方向。 中南大学硕士学位论文第二章深海集矿机行走系统研究 第二章深海集矿机行走系统研究 深海集矿机工作环境极为恶劣。上百至几百个大气压，流塑状海底沉积物， 1 - - 4 0 c 低温，无自然光，以及不均匀的海流作用等。在此种极限环境下，由于 海底情况未知，集矿机行走控制不好，将出现走偏现象。严重时导致与海底障 碍物发生碰撞、或陷入坑中、甚至拉断电缆并丢失。因此，在稀软底未知环境 中能否实现集矿机行走的精确控制是影响整个深海采矿系统正常运行成败的关 键之一。 本章针对深海集矿机行走系统进行研究，分析集矿机行走矿区的水文特性 及海底土力学特性，介绍集矿机构成，讨论集矿机作业规划及控制难点。 2 1 集矿机行走矿区水文特性和海泥土力学特性 控制集矿机行走，必须了解多金属结核沉积环境及其特性。我国在夏威夷 群岛以东约1 8 0 0 公里的太平洋底获得了7 5 万平方公里具有专属勘探权和优先 商业开采权的金属结核矿区。该矿区分为东、西两区。其详细地理位置如图2 1 所示。图中左上角为目前探明的联合国管理的太平洋公海锰结核富矿区，标记 区域为我国矿区的形状和地理位置。自1 9 8 3 年以来，我国对大洋锰结核矿区进 行了多次勘测，已初步调查清楚我国矿区的深海水文特性和海泥土力学性质。 图2 - 1 中国矿区地理位置图 2 1 1 矿区底层海流动力学特性 由文献嗍可知，在我国矿区内，近底海流以低的平均速度和在速度和方向上 具有高变化性为特征。研究表明，深海底流的主要变化和气象尺度的变化一样与 中南大学硕士学位论文 第二章深海集矿机行走系统研究 惯性和潮汐振荡相关，在矿区存在着3 种明显的水动力学状况： ( 1 ) 平静期：以最小的水流速度( 0 3 c m s ) ，中等到低的变化性和低潮汐活动 为特征： ( 2 ) 中等尺度的惯性潮汐期：以水流速度的改变( o 至5 6 c m s ) 和相应增加 的速率为特征； ( 3 ) 活跃期：最初与水流速度的急剧增加相联系。这种水流速度的增加可 维持一个相对稳定的时期，形成的水流流速2 4 h 平均值可达8 e r n s ( 或更高值) ，且 某- - + 时的平均值可达1 3 1 5c m s 。这些事件被称为“海底风暴”。这种变化 通常具规律性，而非间歇性的，其持续时间在l 2 到5 6 周，与海面典型的气象 变化的时间尺度相一致。与深海海底风暴相伴随的另一个特点是海流方向也发 生显著的变化。 从矿区1 9 9 8 - - 1 9 9 9 年的锚系海底海流计的分析结果来看，近底海流的平均 值在3 9 c m s 之间，且越近底流速越大，流向以东北向为主。锚系记录的谱分析 结果也表明，在东小区离底5 m 的海流计( e 0 5 ) 观测到的海流结构有一个两月和一 月的显著周期，尤其是两月周期更为明显，高频部分是半日、全日和2 5 日周期。 显然半日和全日周期是潮汐周期，2 5 日是惯性振动周期( 图2 - 2 ) 。 置 鬟 图2 2 我国矿区底层海流谱结构图 总而言之，我国矿区整个海域处在南极底层水向东北稳定延伸的区域内， 水动力条件总体上较为缓慢，但也存在着周期性洋流和周期性的水流速度大于 1 5 c m s 的海底风暴。 2 1 2 矿区海泥土力学性质 由文献”可知，我国矿区表层沉积物为淡黄色或浅棕色粉土质土，下部 沉积物主要是褐色粉土质土和棕黑色粉土质土。各区域土的含水量在 2 0 8 五7 1 之间，含水量自上而下减少。土的压缩性指标在6 5 8 0 m p a 1 之间， 压缩模量在o 9 6 - - 1 1 2 m p a 之间，固结系数为0 8 1 0 - 3 2 5 1 0 。3 c m 2 s ，表明 矿区各段土具有高压缩性、低强度和固结速度快的特点。土的贯入阻力在 中南大学硕士学位论文 第二章深海集矿机行走系统研究 4 8 4 4 7 k p a 之间，土的十字板剪切强度在4 0 - - , 1 5 5 k p a 之间。直剪试验结果土 的内聚力c ：4 0 1 2 o 七砌，内摩擦角妒= 5 9 。1 2 0 。在直剪试验过程中，在 垂向上原状沉积物不能承受4 0 0 k p a 的压力进行快剪试验，有的试样甚至不能 承受2 0 0 k p a 压力。表2 1 为我国矿区地层物理力学性质指标统计。 表2 - 1 我国矿区地层物理力学性质指标统计 上嫒类型 一 球都丘瞳侮峙曩答 i i i t b 1 i m 南雌丘陵 棱黄色强膏色 灰最色拉簧色葛色麓黄色格色 膳位，叫 。一2 52 5 。一5 0 5 0 - l 0 2 52 5 卯5 0 l 舵d 2 52 5 卯8 5o 2 52 s 邬、7 5 。，蕾 2 7 0 o2 5 1 32 3 082 r 2 o2 4 3 j瑚0笛，o2 4 8 o2 3 70巧7o2 3 0 0 2 0 5 0 口，k n m 1 2 21 2 3 1 2 5 1 2 i 1 2 - 51 2 71 2 21 2 31 2 51 2 1 垃51 2 0 c 7 ，6 7617 g 65 56 96 663 7l6 15 5 n ，8 7 6耵o嘶08 9筠8 8 4 78 7 ，黼838 6硒08 4 8 q ，1 3 3 0 1 2 0 01 3 5 01 2 4 0l , 1 0 o1 2 5 a1 2 8 0i o1 2 5 0i 加oi 0 8 d w o7 8 08 2 o8 2 o8 i o8 9 o 旺- o蚋o舳。蛇o02 5 0 i 。 n 02 0 ”0 3 2 o 鲫o拍03 6 o舒o加04 7 00钉o j424 1285 o2 b3 3 4 5 2 83 9 3 3 5，- 。i 2 协 7 68 06 86 76 76 96 86 96 ，5 6 e m h o9 90 9 6io b1 1 41 1 0i 0 0 i 1 0o 1 - 1 2i 1 2 岛，1 0 3 c 一j 12 1 2 02 1l ，2o 8t 2i 62 5j 8i 6 q k 781 30 2 2 7 4 1 5 o 2 6 14 81 5 5i h56 3t 9 2 4 47 s 鼬4 86s8 55 3j j8 3 4 0 1 3 0h d 4 2 7 1 i ，j c l u a 5 1 4 o1 0 ，o4 54 o5 55 06 05 7l o1 2 0 丛：! ! ! ：! ：! ：! ：! ：! ：! ：! ：! ：! 塑：! 由以上调查结果可知，我国矿区深海泥的土力学特性与普通陆地土壤有很 大不同，具有大孔隙比、高含水性、高可塑性、高压缩性、低强度和土质较弱 的特点。 2 2 行走对象构成 集矿机作为深海采矿系统的随动中心，是整个系统的核心设备，承担了深 海采矿最复杂，最危险的任务。该集矿机由水力式集矿机构、破碎机构、履带 式行走机构、液压动力系统、测控系统及软管连接装置等组成。采用2 台高压 电机分别驱动2 台油泵，利用油马达驱动左右履带、4 台水泵和破碎机，实现 集矿机的行走、集矿和破碎，采用油缸调节集矿口的姿态和离底高度。其主要 部分的结构及功能如图2 3 所示： 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章深海集矿机行走系统研究 1 集矿头2 测障声纳3 摄像头4 照明灯5 支承连接装置6 破碎机7 麦克 风8 输送软管9 动力站l o 着地平衡装置1 1 电子仓1 2 履带1 3 地轮 图2 3 集矿机结构示意图 ( 1 ) 集矿头：由水射流采集头和机械输送分区装置两部分组成。它不接触 海底，通过低压水射流的冲动举升结核矿石，使之进入倾斜刮板输送装置，从 而送往料仓，并在输送过程中进一步脱泥。 ( 2 ) 支承连接装置：由五连杆机械组成，在实现集矿头与底盘稳固连接的 同时，能平行上升和前后摆动以适应海底微地形变化，实现顺利越障。另外还 可以调节集矿口离底高度，以达到最佳集矿要求。 ( 3 ) 着地平衡动力装置：集矿机从采矿船下放到离海底2 0 0 m 时，通过平衡 动力装置使其保持水平姿态，以便平稳着地。 ( 4 ) 避障声纳：安装在集矿机前部的图像声纳头不停地周期扫描集矿机前 方3 0 米范围内区域，将采集的回声数据传送到图像声纳系统的水面处理单元， 经过处理形成集矿机前方3 0 米区域的彩色扫描图像，显示在水面处理单元计算 机的c r t 上，用以观察集矿机前进方向的地形情况，判断是否存在障碍物。 ( 5 ) 摄像头：为了观测集矿机自身某些部件的运行情况，在集矿机的前部 和后部各安装了一台带内云台的视频摄像机，其摄像头可上下、左右移动，并 配有相应的水下照明灯。在采矿船上设计了2 台录像机和2 台视频监视器，用 于记录和监视摄像头摄录的视频信息。从接口箱来的水下摄像头所拍摄的视频 信号首先通过同轴电缆连接到录像机，再由录像机的输出连接到监视器，进行 记录和显示。操作员可以通过监控系统控制摄像机的云台上下、左右移动，调 整摄像头的焦距和广角。 中南大学硕士学位论文 第二章深海集矿机行走系统研究 ( 6 ) 麦克风：为监听结核流的声音，在破碎机出口处安装麦克风。结核流 声音信号传至采矿船的音频监视系统，以定性分析结核矿石的多少。 ( 7 ) 液压系统：集矿机各执行元件由液压驱动，该系统采用开放式回路， 液压泵用浸油电机驱动，行走马达由电液比例阀调速，实现集矿机行走变速和 转弯。液压泵和阀组均装在耐压仓内，预加5 5 m p a 压力进行海底水压平衡补偿。 ( 8 ) 履带式行走机构：由履带、驱动轮、从动轮、负重轮、支承轮、履带 梨、车架和动力装置等组成。由于深海底沉积物完全不同于陆地的底质，其剪 切强度低，且具有搅动流体特性，履带式行走机构与海泥的相互作用规律是至 关重要的，它将决定履带式行走机构的可行驶性。这种相互关系主要取决于两 个因素，是履带车的接地比压，并随它决定压陷量；二是由土壤的抗剪强度 和履带传递牵引力的履齿形状和大小决定着的牵引力。为满足剪切强度和低扰 动要求，本系统采用特种合金履带。履刺选用近似渐开线的尖三角齿，驱动轮、 从动轮、负重轮采用双浮动悬挂。两条履带分别选用液压马达驱动，利用速度 差实现集矿机转向。车架采用后横梁中间铰接，实现两履带上下浮动，保证集 矿机在不平海底面上正常行走。 ( 9 ) 电气测控系统：主要包括供电及电机启动装置、测控传感器和自控系 统。所用6 l o k v 交流电由电缆输送，控制中心位于集矿机的电子仓内，导航、 姿态、行走速度、压陷深度、测距等仪器放置在相关测控点。系统具有手动、 自动双重功能。集矿机正常工作时由计算机自动操作，当遇到紧急特殊情况可 改用人工实施干预。 集矿机基本参数如下： 设计水深 6 0 0 0 m行驶速度0 l m s 外形尺寸 6 m 5 3 m 3 5 m 空气中重 2 4 t 水中重 1 1 t 承载量 8 t 集矿机行走机构是自行走液压驱动履带车辆。履带基本参数如下： 履带宽度t 7 m履带接地长度6 m 履带接地面积2 1 6 m 主动轮半径3 2 5 m m 齿高 1 3 0 m m 齿宽2 0 0 m m 齿长1 7 0 0 m m 在越障条件下，集矿机工作性能参数如下： 爬坡能力 1 5 。左右倾斜 2 0 。 越障高度 5 m 越沟宽度l m 中南大学硕士学位论文第二章深海集矿机行走系统研究 2 3 行走速度及航向角检测 2 3 1 航向角检测 本系统测定集矿机航向角p 传感器是磁通门罗盘。磁通门罗盘测角系统主 要由检测头和电路处理两大部分组成。检测头置于地磁磁场中，其测量绕组中 偶次谐波的大小和相位就分别反映了地磁磁场的方向，将此信号加以鉴别并通 过计算机运算，就能检测出罗盘载体相对于地磁磁场的方向，从而测定集矿机 的航向角。其测角系统电路原理图如图2 4 所示。 图2 4 导航罗盘原理框图 假定探头用正弦波电流励磁时，其总磁场强度为： h = h o + h 。c o s l m ( 2 1 ) 式中，日。一被测地磁磁场 日。一激励电压施加的磁场强度幅值。 由于激励绕组阻抗较小，探测线圈中的感应电压u 。为： u o = 矽警= s w 鲁= s w 等等= s 吼警( 2 - - 2 ) 式中，。= 鲁一磁芯微分物体磁导率 s w 一探测线圈匝面积，形为匝数，s 为面积。 当1 日p h ，时，- - - - 0 ，u o = o v ； i h i 日，时，“= 脚( h ，为饱和磁场强度) 。 感应电压为：u o = s 吼告( h o + h 。c o s m t ) = - s m w p h 。s i n r a t 把上式按傅氏级数展开有： u 。2 k = l 钆s i n m t = b i s i n a r t + 6 2s i l l 2 研+ 6 3 s i n 3 耐+ + ( 2 - - 3 ) 经推导，式中系数为： b 。= + 2 ) 芦聊切h m b 2 = 8 y s n , h o b 3 = 2 8 声阡h ， b 4 = 2 y s n , 卢h o 检测头送出的地磁场强度信号包含许多无用谐波，通过滤波器、解调器电 中南大学硕士学位论文 第二章深海集矿机行走系统研究 路处理，分解出二次谐波分量幅值信号，该信号与被测地磁强度成正比，经电 平转换后。送入微机进行运算处理出导航角，算法如下： 设某地域地磁场强度为。，其方向和幅值为一固定值，当探测线圈轴线 与。存在夹角届时，仅h 。在该方向的分量凰起作用，探测线圈输出场强值 为凰，因此：夹角届= a r c 虻o s 面h o 。由于检测头固定在集矿机上，随集矿机行 走方向的不同，夹角亦发生变化，即航向角发生变化。 2 3 2 速度检测 深海集矿机两条履带选用液压马达分别直接驱动，考虑其特殊性，采用磁 接近开关传感器作为变送器，安装在左右两条履带驱动轮轴上，当驱动轮带动 履带行走转动时，固定在其上的齿盘同步转动，顺次通过磁接近开关，发出开 关量速度检测信号。驱动轮转动的快慢，决定了履齿经过磁接近开关的时间间 隔。据此可以计算出履带行走速度。 磁接近开关传感器的结构如图2 5 所示。在永久磁铁组成的磁路中，若改 变磁阻( 如空气隙) 的大小，则磁通量随之变化，磁路通过感应线圈，在磁通 量发生改变时，感应出一定幅度的脉冲电势，该脉冲电势的频率等于磁阻变化 的频率。为了使气隙发生变化，在待测旋转的转轴上装上一个由软磁材料组成 的齿盘，当旋转体转动时磁盘随之转动，齿盘中的齿和间隙交替通过永久磁铁 的磁场，从而不断改变磁路的磁阻，使铁芯中的磁通量发生变化，在线圈内产 生脉冲电动势，其频率跟旋转体的转速成正比【2 l 】。测量精度和齿盘的齿数有关， 齿数越多精度越高。 图2 - - 5 磁接近开关传感器原理 脉冲信号检测方法有两种：检测脉冲宽度和脉冲频率。由于深海集矿机速 度在0 l m s 的范围内，较慢，因此，采用检测脉冲宽度的方法【2 “。脉宽检测 原理的原理如下： ( 1 ) 计数器计数期间，输出o u t 为高电平，计数器回零时，输出一个宽度 等于时钟脉冲周期的负脉冲，并自动重新装入原计数初值，一个负脉冲过去后， 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章深海集矿机行走系统研究 输出又恢复高电平并重新作减法计数。 ( 2 ) 计数器工作期间，如果向此计数器写入新的计数初值，则计数器仍按 原计数值计数，直到计数器回零并在输出一个时钟周期的负脉冲之后，才按新 写入的计数值计数。 ( 3 ) 门控信号g a t e 为高电平时允许计数。如在计数期间，门控信号变为 低电平，则计数器停止计数，待g a t e 恢复高电平后，计数器将按原装入的计数 值重新开始计数，工作时序如图2 6 所示。 乇里二荨i 茸i 车f # i 商ii专iii l iii 垦二等卑千壬# # 固二 丁三二二 f 二立二= j l g a t e - 厂一 被测信号作为门控信号，采用固定时钟源作基准时间间隔( 或基频) 。输出 为脉宽。 驱动轮一圈3 8 个齿，若测量到的脉冲宽度为；，则履带驱动轮转速为： 玎= 击x 6 0 ( 转分) ( 2 4 ) 集矿机左右履带处于干扰背景下工作，测量履带速度的脉冲信号存在毛刺、 失真现象，需要对其进行滤波和整形处理。兼顾算法的优缺点及履带速度测 量的实际情况，本文采用中值滤波法：即每次取n 个脉冲值，去除其中的最大 值和最小值而取剩余的n 一2 个检测信号的平均值。 对于脉冲失真，本文通过两个非门设置门限电压方法对其信号进行整形。 测量集矿机行驶车体速度采用的是自行设计的地轮，一圈1 0 0 个齿，用齿 轮齿牙式的传感器，输出信号为脉冲量。检测原理与左右履带速度检测相似。 2 4 行走作业规划及控制要求 我国具有优先开采权的区域面积7 5 0 0 0 k m2 ，区域形状不规则。集矿机在海 底作业时，为能够在采矿区采集尽量多的矿结核，首先应该保证集矿机能够走 过所有的矿区，即能够按照一条覆盖整个矿区的行走轨迹采集。但是由于洋面 采矿船、软管、硬管及集矿机在水面至海底的三维空间中各自按照自己的动力 学模型在外力( 包括各自动力、水流、风浪及相互间影响) 作用下作相对复杂 运动，海底集矿机受软硬管及洋面船的影响，只能在允许的范围内，按要求的 中南大学硕士学位论文 第二章深海集矿机行走系统研究 “s ”的回采路线行驶。如图2 - - 7 所示。图2 8 是深海集矿机允许活动的范 围，这