深海矿产采集车行走行为模拟实验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种深海矿产采集车行走行为模拟实验系统及方法，系统由深海矿产采集车样车、水面支撑船模拟机构、扬矿输送系统模拟机构、稀软质底模拟池、海流模拟机构、实验控制与监控子系统等组成。本发明专利技术提供的深海矿产采集车行走行为模拟实验系统能够模拟采集车在稀软质海底行走的整个过程，能够全面考虑和分析其它开采子系统、稀软质底、海流等因素对采集车行走行为的影响；本发明专利技术能够有效降低深海矿产采集系统的研发成本和周期，为采集车环境感知、车体控制及行为规划等研究提供模拟实验平台和基础。平台和基础。平台和基础。

【技术实现步骤摘要】
深海矿产采集车行走行为模拟实验系统及方法


[0001]本专利技术涉及深海矿产开采
，特别是一种深海矿产采集车行走行为模拟实验系统及方法。

技术介绍

[0002]多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等深海矿产资源拥有巨大的商业开采价值。由于这些深海矿物质赋存于水深400m
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6000m的深海海床上，因此，深海矿产资源的开发必须依深海矿产资源开发平台或系统。管道矿浆泵提升式深海矿产开采系统及技术经过长期的理论分析、湖试甚至是海试，已被世界各国公认为最具有商业前景的深海采矿开采方法。国内外先进研究机构或公司针对这一系统开展了不同层次水平的理论分析与试验研究，但由于深海矿产开采系统极其复杂，系统级的联合湖试、海试需要巨大的资金投入和周期准备。所以，在系统稳定性和可靠性未得到充分验证之前，系统级甚至是子系统级的湖试和海试存在巨大的安全隐患和技术风险。因此，以子系统级的实验室试验研究成为验证采矿系统核心装备性能和相关系统稳定性、可靠性的重要手段。
[0003]深海矿产采集车作为深海矿产开采的直接作业单元，行走于深海矿区稀软质海底，负责将深海矿石切割、破碎和采集，甚至需要对深海矿床进行平整作业，以保证矿产采集车的作业、行走效率。采集车行走性能的稳定性和可靠性是保证深海矿产高效采集作业的前提，一定程度上决定了采矿系统的商业化可行性。为降低研发成本和技术风险，缩短研发周期，在采集车湖试、海试之前有必要在实验室环境下搭建模拟试验平台或系统对采集车行走行为开展模拟试验，分析采矿系统和外界因素对采集车行走行为的影响，验证环境感知、行为规划等智能算法的有效性，以提高采集车作业和行走的稳定性和可靠性。文献“曾谊晖.履带式集矿车软底质行走行为及模拟试验系统研究[D].中国长沙.中南大学,2013.”设计了一种履带式集矿车软底质海底行走行为模拟试验系统用于对采集车行走行为进行试验模拟，但该系统没有考虑深海海流对采集车行走行为的影响，同时扬矿软管的浮力模拟机构只能在一维方向进行运动，无法完全模拟采集车大范围(完整)采矿行走和避障越障行为。文献“戴瑜，陈李松，刘少军.一种海底履带式作业车行走牵引通过性能评价测试系统:201610101194.3[P].[2016
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24].”和文献“戴瑜,张健,陈李松,等.一种水下履带式作业机器人实验系统:201611231948.3[P].[2016
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28]”分别提出了一种水下履带式作业车行走模拟试验系统，但这两个模拟试验系统仅能对作业车行走机构与稀软质土的接触模型进行模拟试验，深海洋流、其他开采子系统对采集车行走特性或结构参数的影响无法验证，进一步地，上述测试系统只能模拟采集车直线行驶的运动特性。文献“梁银凡,邓旭辉,郭小刚.一种模拟深海采矿的试验系统及其操作方法:202110085557.X[P].[2021
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22]”公布了一种深海采矿模拟试验系统，能够实现室内模拟采矿系统的采矿船、集矿机单独运动或同步运动对绳索三维空间运动的影响和受力特性，且可模拟绳索进行直线、圆形等轨迹的实际运动，但该模拟系统无法模拟深海稀软质底与采集车行走机构的接触运动行为，无法精准控制浮块的位置。文献“饶星,孙思聪.一种模拟深海采矿软管力学行为的实
验装置:201821532703.9[P].[2018
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19]”公布了一种模拟深海采矿软管力学行为的实验装置，该装置仅能分析采矿系统运动时软管对采矿车和采矿船的作用力。文献“肖林京,宋庆辉,张玉龙,等.一种模拟深海采矿扬矿作业的实验装置:201811187580.4[P].[2018
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12]”和文献“王荣耀,高宇清,陈国明,等.一种深海采矿输送软管空间构型的实验装置:201820610925.1[P].[2018
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26]”分别公开了一种用于模拟深海采矿系统扬矿子系统的实验装置，用于模拟和分析洋流、采矿船、采集车对扬矿系统的动态特性、空间形态影响。文献“戴瑜,张健,陈李松,等.一种深海多金属结核矿石水池模拟集矿试验系统:201620472116.X[P].[2016
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23]”公布了一种模拟集矿试验系统，能够模拟采集车在复杂地表环境下的多金属结核采集过程。综上所述，现有深海矿产采集车模拟试验系统主要存在以下问题：采集车行走特性影响因素考虑不全面，其它开采子系统、稀软质底、海流等因素对采集车行走行为存在显著性影响，而现有试验系统仅能考虑某一种或几种影响因素；采集车无法在稀软底质底进行大范围运动，采集车需要在矿区进行大范围的直线、转弯等行走运动，而现有试验系统采用海水+破浪发生器的形式模拟洋流对采集车行走特性的影响，其投资成本和控制难度较大，导致试验平台尺寸较小，不利于采集车大范围运动。

技术实现思路

[0004]为解决深海矿产采集车行走特性模拟实验系统存在的问题，本专利技术提供了一种深海矿产采集车行走特性模拟实验系统及方法，该系统能够模拟采集车在稀软质海底行走的整个过程，能够全面考虑和分析其它开采子系统、稀软质底、海流等因素对采集车行走行为的影响；本专利技术能够有效降低深海矿产采集系统的研发成本和周期，为采集车环境感知、车体控制及行为规划等研究提供模拟实验平台和基础。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种深海矿产采集车行走行为模拟实验系统，该实验系统包括水面支撑船模拟机构、扬矿输送系统模拟机构、稀软质底模拟池、海流模拟机构、实验控制与监控子系统和深海矿产采集车样车；所述水面支撑船模拟机构、扬矿输送系统模拟机构和深海矿产采集车样车组成深海矿产开采模拟系统；所述稀软质底模拟池用于模拟深海稀软质海底环境；所述水面支撑船模拟机构通过桁架固定于稀软质底模拟池上方，用于模拟深海矿产开采系统水面支撑船在水面的水平运动和扬矿系统中间舱的竖直上下运动；所述扬矿输送系统模拟机构安装于桁架上，通过扬矿硬管和扬矿软管分别与水面支撑船模拟机构和深海矿产采集车样车连接，用于模拟扬矿系统浮力调节块在深海中的位置，控制扬矿软管对采集车施加的外力；所述海流模拟机构通过地面导轨安装于稀软质底模拟池上，用于模拟深海海流对采集车的外力影响；所述海流模拟机构与深海矿产采集车样车连接，深海矿产采集车样车行走于稀软质底模拟池中；所述实验控制与监控子系统用于控制水面支撑船模拟机构、扬矿输送系统模拟机构、海流模拟机构和深海矿产采集车样车的运动，模拟矿产开采系统和采集车的运动和行走过程。
[0006]第二方面，本专利技术提供一种深海矿产采集车行走行为模拟实验系统的作业方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一：确认模拟作业任务、准备模拟矿区环境；
[0008]所述模拟作业任务包括采集车环境感知、采集车直线行驶、采集车转弯行驶、采集
车越障行驶、采集车全本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深海矿产采集车行走行为模拟实验系统，其特征在于，该实验系统包括水面支撑船模拟机构(1)、扬矿输送系统模拟机构(2)、稀软质底模拟池(3)、海流模拟机构(4)、实验控制与监控子系统(5)和深海矿产采集车样车(6)；所述水面支撑船模拟机构(1)、扬矿输送系统模拟机构(2)和深海矿产采集车样车(6)组成深海矿产开采模拟系统；所述稀软质底模拟池(3)用于模拟深海稀软质海底环境；所述水面支撑船模拟机构(1)通过桁架(101)固定于稀软质底模拟池(3)上方，用于模拟深海矿产开采系统水面支撑船在水面的水平运动和扬矿系统中间舱的竖直上下运动；所述扬矿输送系统模拟机构(2)安装于桁架(101)上，通过扬矿硬管(202)和扬矿软管(207)分别与水面支撑船模拟机构(1)和深海矿产采集车样车(6)连接，用于模拟扬矿系统浮力调节块在深海中的位置，控制扬矿软管对采集车施加的外力；所述海流模拟机构(4)通过地面导轨(401)安装于稀软质底模拟池(3)上，用于模拟深海海流对采集车的外力影响；所述海流模拟机构(4)与深海矿产采集车样车(6)连接，深海矿产采集车样车(6)行走于稀软质底模拟池(3)中；所述实验控制与监控子系统(5)用于控制水面支撑船模拟机构(1)、扬矿输送系统模拟机构(2)、海流模拟机构(4)和深海矿产采集车样车(6)的运动，模拟矿产开采系统和采集车的运动和行走过程。2.根据权利要求1所述的深海矿产采集车行走行为模拟实验系统，其特征在于，所述水面支撑船模拟机构(1)包括桁架(101)、第一横向移动机构(102)、吊钩(103)、第一纵向移动机构(104)和第一卷扬机构(105)；所述第一横向移动机构(102)安装于桁架(101)上，携带第一纵向移动机构(104)和第一卷扬机构(105)实现水平横向运动；所述第一纵向移动机构(104)安装于第一横向移动机构(102)上，携带第一卷扬机构(105)实现水平纵向运动；所述第一卷扬机构(105)安装于第一纵向移动机构(104)上，通过吊钩(103)与扬矿硬管(202)连接，通过第一卷扬机构(105)的起吊运动实现扬矿硬管(202)和中间舱(204)竖直上下运动；所述水面支撑船模拟机构(1)通过桁架(101)与地脚螺栓固定于稀软质底模拟池(3)上方。3.根据权利要求2所述的深海矿产采集车行走行为模拟实验系统，其特征在于，所述扬矿输送系统模拟机构(2)包括工型梁(201)、扬矿硬管(202)、第二横向移动机构(203)、中间舱(204)、第二纵向移动机构(205)、第二卷扬机构(206)、扬矿软管(207)和滑轮(208)；所述扬矿输送系统模拟机构(2)通过工型梁(201)安装于桁架(101)上；所述第二横向移动机构(203)用于实现扬矿硬管(202)和中间舱(204)的水平横向运动；所述第二纵向移动机构(205)安装于第二横向移动机构(203)上，实现第二卷扬机构(206)的水平纵向运动；所述扬矿硬管(202)、中间舱(204)、扬矿软管(207)依次连接；所述第二卷扬机构(206)安装于第二纵向移动机构(205)上，扬矿软管(207)通过滑轮(208)与第二卷扬机构(206)连接，通过第二卷扬机构(206)的起吊运动模拟扬矿系统浮力调节块的竖直上下运动；所述扬矿输送系统模拟机构(2)通过第二横向移动机构(203)、第二纵向移动机构(205)和第二卷扬机构(206)的运动模拟扬矿系统浮力调节块在深海中的位置，控制扬矿软管对采集车施加的外力。4.根据权利要求3所述的深海矿产采集车行走行为模拟实验系统，其特征在于，所述稀软质底模拟池(3)的池内放置石块和土堆，用于模拟深海海底环境中的海山和海沟；池内铺满模拟深海海泥，用于模拟深海海底稀软质底；所述模拟深海海泥由膨润土与水按照一定比例混合而成。5.根据权利要求3所述的深海矿产采集车行走行为模拟实验系统，其特征在于，所述的
海流模拟机构(4)包括地面导轨(401)、弹性绳(402)、导轨滑块(403)、第三卷扬机构(404)、拉力传感器(405)和O型螺母(406)；所述导轨滑块(403)用于携带第三卷扬机构(404)沿地面导轨(401)进行运动；所述第三卷扬机构(404)用于收放弹性绳(402)，根据胡克定律控制弹性绳(402)长度；所述O型螺母(406)、拉力传感器(405)、弹性绳(402)依次连接，拉力传感器(405)用于测量海流模拟机构(4)施加于采集车样车(6)上的外力；所述海流模拟机构(4)通过控制导轨滑块(403)的运动和弹性绳(402)的伸缩实现对深海矿产采集车样车(6)的外力施加。6.根据权利要求5所述的深海矿产采集车行走行为模拟实验系统，其特征在于，所述实验控制与监控子系统(5)用于监测和采集水面支撑船模拟机构(1)、扬矿输送系统模拟机构(2)、海流模拟机构(4)、深海矿产采集车样车(6)的运动学和动力学状态，并以图、表的形式显示。7.根据权利要求5所述的深海矿产采集车行走行为模拟实验系统，其特征在于，所述的深海矿产采集车样车(6)通过履带行走机构(601)行走于稀软质底模拟池(3)中，与池中模拟深海海泥相接触；所述深海矿产采集车样车(6)通过吊环螺母(602)和O型螺母(406)与海流模拟机构(4)连接，模拟深海洋流对采集车的水阻力；所述深海矿产采集车样车(6)通过六力维传感器(603)与扬矿软管(207)连接，模拟扬矿系统和水面支撑船的运动对采集车的水阻力；所述六力维传感器(603)能够采集扬矿软管(207)施加于采集车样车(6)上的力或力矩，反馈于实验控制与监控子系统(5)中，用于控制和监测深海矿产采集车行走行为模拟实验系统。8.一种基于权利要求1
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7任一项所述系统的作业方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：确...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡明伟，梁乐，杨哲，孙慧，何家健，陈卫彬，赵昀，
申请(专利权)人：江苏杰瑞科技集团有限责任公司中船重工信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：