王震宇[1]2004年在《深海履带式集矿机行驶性能虚拟现实研究》文中进行了进一步梳理履带式集矿车处于深海多金属结核开采系统这样一个串联系统中的第一环节，是实现开采作业的基础核心单元。本文应用了虚拟现实方法对履带式集矿车进行了动力学仿真研究。针对1000米深海多金属结核开采系统的履带式集矿车，建立了其六自由度履带车空间运动模型，包括叁个平动和叁个转动；该模型应用多刚体系统动力学，考虑了关于主惯性轴的叁个附加自由度：垂直平动、翻转运动和倾斜运动。基于此模型，应用大型机械系统动力学仿真软件的履带车辆模块ADAMS／ATV建立履带式集矿车虚拟样机以及仿真海泥路面模型，并进行计算机仿真试验，得出仿真数据和动画，以此评价履带式集矿机在深海沉积物上行驶的动力学性能，为海试集矿车工作性能提供参考建议。 讨论了与履带式集矿车行驶性能有关的深海沉积物的土力学特性，分析了中国深海矿区沉积物海泥的某些土力学参数，并参考中国矿区深海沉积物不同深度剪切力的原位测量数据，配置出水土体积比125％的膨润土作为仿真海泥，利用其土力学性质与真实海泥相似的特点，测量了它的一些土力学参数作为虚拟样机动力学仿真的边界条件。利用其他研究单位的试验成果，说明了虚拟现实方法研究履带式集矿车在深海沉积物路面上行驶性能的可行性和可靠性。 论文探索了虚拟现实技术应用于履带式车辆动力学性能分析的研究方法，并仿真和分析了深海履带式集矿机在深海沉积物地形上行驶的动力学性能。
王国庆[2]2012年在《软底质行驶履带式实验车的设计研究》文中认为集矿机作为深海多金属结核采矿系统的重要组成部分,行驶在6000m的深海底。深海底沉积物具有低承载性和低剪切性,是一种完全不同于陆地的“稀软”特性的极限底质,集矿机在行驶过程中存在沉陷和打滑等问题,同时深海底环境复杂,因此如何控制履带式集矿机按照预定的轨迹安全、平稳的行驶,从而实现高效的采矿,是目前深海集矿机研究的主要内容。本文针对履带式集矿机防滑控制、定位、路径规划和跟踪等行驶问题的实验研究需求,研制了一台软底质行驶履带式实验车。根据深海集矿机的基本构成和中国集矿机的基本情况,结合实验要求以及实验室基本条件,提出了履带式实验车的设计要求,并对实验车总体方案进行了研究。实验车由履带行走系统、动力及传动系统、控制系统以及供电系统四部分组成。对软底质行驶履带式实验车关键部件进行了设计和分析；对履带板的结构参数进行了设计研究,获得了履带式实验车驱动轮主轴转矩等参数。在多刚体动力学仿真软件ADAMS/ATV中,对实验车进行了软路面行驶仿真分析,验证了实验车设计的合理性。通过对测控子系统和监控子系统的功能分析,完成了实验车控制系统的硬件和软件的设计。针对实验车上电气设备受到的来自伺服驱动器的电磁干扰问题,采取了必要的抗干扰措施。在软底质条件下,对所研制的履带式实验车进行了实验研究,实验结果表明实验车行走稳定,控制系统可靠实用,实验数据能够正常采集,实验车可作为集矿机软底质行驶问题研究的实验平台。
戴瑜[3]2010年在《履带式集矿机海底行走的单刚体建模研究与仿真分析》文中研究指明随着陆地矿产资源的日益贫乏,海底丰富的矿产资源正成为世界各主要经济体争夺的新焦点。对于正逐步崛起的世界新兴经济体之一的中国来说,开发深海矿产资源正成为影响国家长远发展的一项重大课题。论文以大洋多金属结核开采及我国采矿系统技术方案为工程背景,提出并开发了海底履带自行式集矿机单刚体行走快速仿真模型。根据采矿系统的整体运动与约束关系,通过与扬矿管线叁维离散元模型相联接,形成深海采矿系统整体联动快速仿真模型,实现大洋多金属结核整体联动开采作业过程的快速仿真分析,为整体系统的联动控制研究打下基础,并为未来的采矿作业和海试提供理论分析与技术参考。论文的主要研究内容如下：1.开展了集矿机履带与海底沉积物相互作用力学特性的试验研究。以我国大洋多金属结核合同区海底沉积物原位测试数据为依据,选择膨润土与水按一定比例混合,配置出具有相似性与可比性的模拟沉积物。通过不同尺寸穿入平板的压陷试验,获得基于Bekker公式的海底沉积物压力-沉陷关系式及相应参数。通过不同尺寸模拟履带板的剪切试验,获得基于Wong公式的海底沉积物剪切应力-剪切位移关系式及相应参数。从而为集矿机海底行走仿真分析提供边界加载条件。2.采用试验获得的海底沉积物力学特性关系式,依据我国1000m海试系统集矿机的主要设计参数,推导出集矿机海底行驶时,沉积物可提供给集矿机的总牵引力与集矿机打滑率之间的关系式。提出集矿机海底行驶时的最佳打滑率以及打滑率的控制范围,为集矿机海底行走控制研究提供重要参考。3.提出一种新的履带车单刚体建模方法。相比于传统的履带车多刚体模型而言,单刚体模型仅有6个自由度,可实现履带车的快速动力学仿真分析。考虑到履带接地段与地面相互作用的分布特性,建立基于网格单元的履带车单刚体模型接地段力学模型,推导出描述各网格单元中心点处纵向与横向动态剪切位移的常微分计算方程。利用动力学分析商业软件ADAMS开发履带车单刚体模型。相比履带车多刚体分析商业软件中提供的仅有的特定地面土壤力学模型而言,单刚体模型允许加载各种不同类型的地面土壤力学模型。通过与当前最典型的履带车多刚体计算软件的若干算例比较分析发现,单刚体模型与多刚体模型的计算结果较为吻合,但单刚体模型的计算速度得到了较大提高,从而验证了单刚体模型的合理性与高效性。4.进行了小型履带车软地面行走试验研究,试验结果与仿真结果较为吻合,从而进一步验证了采用单刚体模型进行履带车分析计算的合理性。5.建立了履带式集矿机单刚体行走快速仿真模型,开展了海底多种行驶状态下的动力学分析。提出两种新的集矿行走路径方案,以满足集矿机海底作业安全性、高效性与环保性的要求。对行走路径进行分析计算,并通过对集矿机单刚体模型运动过程的控制,实现两种新的采集路径的仿真分析。6.将集矿机单刚体模型与管线系统离散元模型相联接,组成深海采矿整体系统快速仿真模型。提出两种可行的联动开采作业方式,并通过详细分析与设计,进行联动作业过程的模拟研究。讨论集矿机不同采集路径下,整体系统的联动动力学特性。在联动过程中,各子系统均能保持稳定的运动状态。通过仿真分析证明两种新提出的集矿机采集路径的可行性,以及整体系统纵向与横向联动折返作业方式的合理性。本文研究为实现履带车快速仿真分析提供了一种新的建模方法。提出并开发的基于单刚体模型的履带式集矿机海底行走仿真模型,实现了集矿机以及整个深海采矿系统的快速仿真分析。本文提供了一种解决集成各复杂子系统的大系统模型建模问题的新思路。
肖永山[4]2003年在《基于虚拟样机的1000米海试集矿系统联动动力学及建模研究》文中研究表明我国大洋多金属结核开采系统研究历经十年努力已取得很大成就，“十五”期间将进行的1000m海上试验系统的构成更复杂、环境更严峻，因此，在进行实际海试之前，将开展多金属结核开采系统的虚拟现实研究，对系统中的一些关键设备进行虚拟样机设计，在此基础上进行多金属结核海上开采过程模拟和动力学分析，为系统的研制和开采(试验)作业提供理论依据和技术参考。 国内外许多学者专家在深海多金属结核开采系统的研制开发中开展过一些计算机仿真研究，然而由于诸多原因，我国多金属结核开采系统的系统性能分析及计算机模拟开采(试验)研究方面还有许多工作尚待深化和开展，如本文所研究的整体系统虚拟样机、整体系统的开采过程模拟、以及同步稳定性能分析。 本文在国内外已有研究基础上，利用动力学分析软件ADAMS，建立了整体系统的虚拟样机模型，对集矿车的运动影响进行了模拟研究，研究结果表明：在1000米海况下，集矿车能按给定速度正常运行，具有较好的稳定性能，软管对集矿车作业的影响在允许范围内，为我国多金属结核开采系统及海上开采(试验)作业提供更全面、更精确的系统性能分析评价及优化方案，对多金属结核开采系统的研制开发在缩短研究周期、降低开发风险、提高设计质量等方面将起到较好的作用。 本文研究的主要内芥如下:1、介绍并分析了1000米海试系统的组成、工作方式及联动控制策略。2、建立了多金属结核开采系统的数学模型。由于实际深海采矿系统 作业环境的复杂性，本文在分析了深海采矿系统的J一不境载荷的基 础上，结合本系统的特点，采用海洋工程界普遍采用的莫里森公 式计算了各子系统的海流与波浪力，并建立了硬管、软管、集矿 车各子系统的动力学方程，为虚拟样机建模与过程模拟控制奠定 了理论基础。3、利用动力学分析软件ADAMS建立了采矿整体系统的虚拟样机模型。 本文考虑到深海采矿系统的复杂性，在不影响采司“作业与模拟分 析的前提下，对各子系统的构成进行了简化与处理，利用机械系 统自动动力学软件ADAMS建立了整体采矿系统的虚拟样机模型。3、在建立的虚拟样机基础上，对1000米海试作业分不同工况进行了 模拟，对结果进行了分析。4、在现有实验条件下，建立了拖体一软管局部实验系统及其虚拟样 机模型，对实验结果及仿真结果进行了对比分析，为深海采矿联动模拟研究提供了一些验证。
王震宇, 刘少军, 李力[5]2004年在《深海采矿履带式集矿机行走可行性仿真研究(英文)》文中研究指明履带式行走平台作为深海采矿集矿机子系统的工作平台行走在海底沉积物上进行深海采矿作业。分析了履带式行走平台简单数学模型,基于大型机械系统动力学分析软件履带车辆专用模块(ADAMS/ATV),构建了深海履带式集矿机多刚体系统模型。通过分析软件仿真了履带式集矿机虚拟样机在四种典型海泥路面上行走的过程,分析了仿真实验结果,履带式集矿机的深海行驶性能被证明比较满意。这种软泥上行走履带式车辆的建模和仿真研究方法被证明是一种有效的新方法。
冯磊华[6]2005年在《深海集矿机模型车行走控制研究与虚拟仿真》文中研究指明集矿机是一种在水深5000—6000米的海底采集锰结核的一种智能机械,集矿机行走的好坏直接关系到大洋采矿的成败。由于深海集矿机体积庞大,不便于反复试验研究。因此,本课题组成员研制了一台集矿机模型车,来作为实验室研究的对象。基于集矿机模型车,开展集矿机液压系统建模和控制器设计,具有工程指导意义。 本文以深海集矿机为背景,分析了集矿机行走控制机构的结构和工作原理,并在此基础上设计了集矿机模型车的液压控制系统,建立了各部分的数学模型,以便对控制算法进行仿真,为集矿机行走控制器的设计提供基础。由于模型车行走采用电液比例阀控液压马达驱动,是复杂的非线性高阶系统,无法用精确的数学模型描述其控制规律。因此,单一的控制无法达到集矿机行走的要求。针对集矿机的履带速度控制,设计了模糊PID的履带速度内环控制器。针对集矿机行走偏差,设计了模糊的外环控制器,并加入一智能积分器与模糊控制并联以消除静差和极限环振荡。 由于数字仿真与实验都是建立在模型车的基础上,与原系统存在一定的差距。论文使用虚拟仿真技术,将模型车的数学模型与集矿机虚拟世界结合。通过获得直观的控制效果,可使模型车更加逼近实际系统,并优化控制器的参数。
陈新明[7]2006年在《中国深海采矿技术的发展》文中研究说明我国深海采矿技术的研究历经15年的发展,基本完成了深海多金属结核开采专有技术体系的构建及主要装备的研制。在解析发展背景、总结技术进步的基础上,对如何加快我国发展深海采矿技术提出了新的见解。
杨放琼[8]2010年在《基于信息融合的移动机器人定位导航及其深海采矿应用研究》文中研究指明移动机器人定位导航的多传感器信息融合方法一直是机器人研究领域极具挑战性的问题之一,特别是对于未知复杂环境下作业的机器人,如深海底采矿集矿机。它是一台工作在海底的爬行式机器人ROV (Remotely Operated Vehicle),按一定的路线在海底自行移动采集赋存于海底的多金属结核,并通过扬矿系统输送到采矿母船上。当前国内外己作的主要研究普遍集中在通用的移动机器人技术方面,由于涉及技术保密、国际竞争等原因,对于深海底环境下的机器人定位导航等的研究仅仅停留在表面阶段,尚未形成统一和完善的知识体系结构。本研究旨在从前瞻性基础研究入手,基于多传感器信息融合的信息处理方法,针对大洋资源开采与环境勘察的实际要求,开展数据信息处理技术及前瞻信息技术的研发,为移动机器人在海底或水下的应用提供理论基础和设计方法。创新性的研究工作主要有：首先,针对各种类型传感器的性能及误差分析,以移动机器人MKⅡ为实验平台,对定位用内部与外部传感器,如里程仪、红外/激光测距仪、GPS等传感器误差产生原因进行了分析,采用自适应加权融合估计,在总均方误差最小这一最优条件下,根据各传感器所测得的值以自适应的方式寻找个传感器所对应的最优加权系数,使融合后的估计值达到最优。利用该融合算法,实现了GPS与测距法融合的准确导航定位以及红外/激光定位导向的机器人与对接站的精确对接；针对采用长基线系统的水下机器人定位,提出了声速修正的数值迭代模型,并通过仿真分析验证了模型的正确性。其次,以海洋采矿集矿机为研究平台,对集矿机在海底不确定环境下的环境感知、避障及定位导航进行了研究。考虑到深海底环境下的实验较难实现,首先利用移动机器人MKⅡ实验平台,对机器人的状态空间模型、观测模型、融合地图构建、避障策略等问题进行了深入研究,进行了仿真分析与实验验证,并将研究结果应用于深海采矿集矿机的避障、自定位及轨迹跟踪。针对避障问题,由于避障声纳信号很弱,采用SOG (Sum of Gaussians)方法进行传感器的信息融合,再提取特征,使传感器信息的不确定性大大减小。在人工势场法的基础上进行了避障算法的改进,使机器人能够跳出局部极小点,顺利到达目标。对于集矿机的定位导航问题,类比于移动机器人的航程推算法直线模型,建立了履带式集矿机的状态空间模型,根据长基线定位系统的延时建立了系统的测量方程。为了抑制滤波器发散,提高系统鲁棒性,采用基于模糊逻辑控制的自适应卡尔曼滤波(FAKF)的方法及相应的模糊控制规律；由于海底集矿机为履带式结构,其运动模型具有较强的非线性特征的问题,提出了一种改进的SUKF方法以适应系统的非线性。从而实现了基于长基线系统定位的海底集矿机位置估计及轨迹跟踪。最后,进行了未知环境下机器人即时定位与地图构建(SLAM问题)的研究。应用动态阈值的概念,并把动态阈值用于数据相关信息的预处理,即先筛选出符合一定条件的候选观测值集合,以减小后续数据相关操作的计算复杂度,满足SLAM对数据相关实时性要求。在匹配过程中采取基于动态阈值的最近邻数据相关算法,通过分析最近邻数据相关算法在不同置信度下,机器人定位误差的变化情况,以适应不确定性动态变化的实际情况,为提高机器人定位与构图的实时性和准确性提供了保障。在此基础上,针对EKFSLAM算法存在的问题以及机器人运动模型具有较强的非线性,采取基于FastSLAM算法上的Unscented KF方法的措施以改进系统的非线性,实现了移动机器人的位姿估计与环境特征的同时评估。对粒子滤波(PF)基于系列重要性采样算法进行了改进,即基于有效样本大小ESS的重要性权重计算及采样策略。通过在机器人MKⅡ实验及仿真分析,得到了较为满意的结果,验证了算法的正确性。
崔忠华[9]2009年在《深海集矿机路径控制系统研究》文中研究说明深海底矿产资源的开发现已初露端倪,它在满足未来资源需求方面日渐重要。世界各国都在加紧对深海开采技术进行研究,为海洋经济时代的到来做技术储备。集矿机是深海采矿系统最为关键的子系统之一,提高其自动控制性能对提高整个采矿系统的集矿效率和工作可靠性具有重要的意义。本文重点设计一种能够满足系统实时性要求和深海作业特点的路径控制系统,使集矿机按照预定路径进行采矿作业。针对深海集矿机电液驱动系统,建立了液压系统的数学模型。依据集矿机行走的特点,提出了它的运动学模型,并对路径控制问题进行了数学描述。通过坐标变换,将路径控制问题转换为一个非线性系统的镇定问题,从而可以利用基于Lyapunov方法的反演控制算法进行设计。考虑到集矿机的机械结构和海底的复杂情况,采用了速度限制策略。运用MATLAB/Simulink平台,对路径控制器进行了仿真研究。分别给定不同的初始位姿,进行了圆轨迹的仿真。考虑到海底强烈的扰动,将高斯噪声引入到系统,以检验系统的抗干扰能力。为检验反演控制器在实际系统中的控制效果,以模型车为对象,进行了试验研究。仿真和试验结果表明了所设计的路径控制器的有效性并具备对外部干扰的鲁棒稳定性。
王刚[10]2008年在《深海采矿作业过程扬矿管线系统空间构形与动态特性研究》文中认为陆地上矿物资源的逐渐枯竭成为进行强有力海洋采矿研究的重要动机。在复杂海洋环境因素影响下将深海多金属结核连续、高效地采集并输送到海面采矿船上,同时要求开采系统具有高度可靠性和商业应用价值,是目前深海采矿面临的主要研究课题之一。管道提升式深海采矿系统是目前被国际广泛认可的典型深海多金属结核开采系统。自20世纪70年代,国际上各研究机构对这种采矿系统开展了大量的研究与海洋试验。中国深海多金属结核开采1000m海试系统亦采用集矿机与管道提升相结合的采矿方式,其扬矿系统是由扬矿硬管、扬矿泵、中间仓、柔性软管等多体组合的复杂长管线系统。在海洋采矿作业过程中,扬矿管线系统既受到包括海洋环境载荷在内的各种复杂外部载荷作用,又受到海面采矿船和海底集矿机作业运动的影响,因此无论是在布放回收还是在拖航作业过程中,其运动学和动力学特性都十分复杂。作者结合国家深海技术发展项目相关课题,采用有限元法对深海采矿扬矿管线系统作业过程进行数值模拟,研究管线空间构形和动态特性。主要研究内容如下:1.多体组合的深海采矿扬矿管线系统各部分主体结构之间力学耦合,根据中国深海采矿1000m海试系统总体方案和作业规划,针对扬矿系统各部分的结构特点、联接方式和作业条件,研究多体组合的扬矿管线系统在复杂外部载荷和作业联动作用下的力学建模。柔性复合软管作为扬矿管线系统的重要组成部分,其建模方法对整体扬矿系统作业联动分析的计算效率和精度影响很大。针对柔性复合软管抗拉刚度大,抗弯刚度小的宏观特性,提出了基于空间管梁有限元模型的单元耦合建模方法,建立了包括扬矿硬管、柔性软管、中间仓及扬矿泵等多体组合的扬矿管线系统有限元模型,为整体扬矿管线系统布放回收和拖航作业过程动力学分析提供了一种较精确的力学分析模型。2.扬矿管线有限元模型的外部载荷包括重力、浮力、海洋液动力、内外流体压力、内部流体运动产生的摩擦力、泵工作产生的轴向力和扭矩、软管的集中吊挂浮力等,在整体作业联动过程分析中,还包括采矿船和集矿机的运动载荷,以及布放回收作业中管线的运动载荷。扬矿管在海洋中受到波浪和海流联合作用的液动力载荷是扬矿管线主要的环境载荷,在海洋工程结构中属小直径管柱的流体动力问题。作者基于Morison公式研究了波浪与海流联合作用下扬矿管液动力载荷计算方法,同时给出了在大型低噪声循环水槽中进行的1000m海试系统中带附管扬矿管的流体动力系数试验方法和测定结果。3.在变形过程中伴随有大位移和有限旋转的空间管梁结构的几何非线性有限元分析方法有全拉格朗日法(TL),更新拉格朗日法(UL)和随体旋转法(CR)等。研究分析了拉格朗日法与随体旋转法各自的特点,给出了Rankin等推导的随体旋转法求解原理,并选用该方法求解扬矿管线的几何非线性问题。4.基于多体组合的扬矿管线有限元模型,采用静态分析方法对软管的空间构形进行研究,为扬矿管线系统布放回收和拖航作业过程动态分析提供基本参数。在软管空间构形的影响因素中,软管集中吊挂浮力配置方式对其水下空间构形的影响很大。在综合考虑软管空间构形、软管下端对集矿机作用力、软管下端偏转角度等多种因素基础上,研究了较优的软管集中吊挂浮力配置方案,包括浮力大小、配置比例、浮力体吊挂位置等。5.在布放回收作业过程中扬矿管线系统的结构形态和力学特性发生着快速变化,开展了扬矿管线布放回收过程数值模拟的探索性研究。针对布放过程中集矿机着底后管线系统的动态特性分析,建立了相应的有限元初始化模型,并对不同运动参数下布放作业中的管线形态和动态特性进行瞬态动力学分析。研究发现:较低的管线布放速度可以明显改善系统的动态特性;某些布放方式可能导致软管产生堆积缠绕现象,对此论文提出了相应的避免措施;管线回收作业的数值模拟过程基本上是布放作业过程模拟的逆过程,其动力学特性亦具有可比性。6.对多种运动参数下的扬矿管线作业联动特性和3种典型连续轨迹的拖航作业模式进行了动力学分析,实现了扬矿管线系统在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷组合作用下时程变化的位移、作用力及应力的求解。研究表明:拖航速度越高,扬矿硬管偏转角度和中间仓的横向偏移越大,软管马鞍型形态畸变程度也相应增大;在低于0.5m/s速度下拖航,中间仓的拖曳轨迹与采矿船运动轨迹基本一致,系统的跟随性较好。7.由于海试系统的软管布放长度会根据实际水深适当调整,且中间仓距海底高度随海底地形变化,因此以中间仓为中心,建立了集矿机动态安全域。将软管布放长度和中间仓距海底高度在其变化值范围内离散化,并根据有限元分析结果,建立了集矿机动态安全域参数实时查询表,可供作业监控系统实时调用。8.为了验证扬矿管线建模方法的正确性,采用一个与1000m海试扬矿管线系统特征相似的拖曳水池实验模型,根据相同的管线建模方法建立了实验系统的有限元模型。选择有代表性的有流试验和无流试验两种实验测试结果与计算结果作比较,应力计算结果与实验测量结果相吻合。上述研究结果为深海多金属结核1000m海试开采系统的设计及其作业规化提供了基本参数和理论依据,同时研究方法为类似海洋工程长管线作业系统的研究提供了思路。
参考文献：
[1]. 深海履带式集矿机行驶性能虚拟现实研究[D]. 王震宇. 中南大学. 2004
[2]. 软底质行驶履带式实验车的设计研究[D]. 王国庆. 中南大学. 2012
[3]. 履带式集矿机海底行走的单刚体建模研究与仿真分析[D]. 戴瑜. 中南大学. 2010
[4]. 基于虚拟样机的1000米海试集矿系统联动动力学及建模研究[D]. 肖永山. 中南大学. 2003
[5]. 深海采矿履带式集矿机行走可行性仿真研究(英文)[J]. 王震宇, 刘少军, 李力. 系统仿真学报. 2004
[6]. 深海集矿机模型车行走控制研究与虚拟仿真[D]. 冯磊华. 中南大学. 2005
[7]. 中国深海采矿技术的发展[J]. 陈新明. 矿业研究与开发. 2006
[8]. 基于信息融合的移动机器人定位导航及其深海采矿应用研究[D]. 杨放琼. 中南大学. 2010
[9]. 深海集矿机路径控制系统研究[D]. 崔忠华. 中南大学. 2009
[10]. 深海采矿作业过程扬矿管线系统空间构形与动态特性研究[D]. 王刚. 中南大学. 2008