深海自行式集矿机的定位与综合导航
FDPSO的水下设备定位和导航系统
FDPSO的水下设备定位和导航系统摘要：随着深海油气资源的逐渐开发，FDPSO（Floating, Production, Storage and Offloading）平台在海洋工程领域扮演着重要角色。
为了实现这些FDPSO平台上水下设备的安全定位和有效导航，各种水下设备定位和导航系统不断被研发和改进。
本文将介绍几种常见的水下设备定位和导航系统，并探讨其原理和应用。
第一部分：引言随着全球深海油气资源的逐渐开发，FDPSO平台逐渐成为油田开发的主力装备。
这些浮动式生产、储存和卸载平台在深海环境中扮演着至关重要的角色。
为了保证在海洋环境中的安全作业和有效生产，水下设备的定位和导航系统变得尤为重要。
水下设备定位和导航系统可以帮助操作员准确地控制和操纵水下设备，提高生产效率和安全性。
第二部分：水下设备定位系统水下设备定位系统可以实时获取水下设备的位置信息，方便操作员对其进行控制和监测。
在FDPSO平台上，常见的水下设备定位系统有声学定位系统、超声波定位系统和全球定位系统（GPS）。
声学定位系统利用声红外分区干扰原低速测量方法准外设，通过发射声波信号，利用声红外分区干扰原低速测量方法准决事件的声红外分区干扰原低速测量方法准则为相。
头接收到的回波信号，然后计算出水下设备与声源之间的距离和角度。
超声波定位系统使用超声波测距技术，通过测量声波在水中传播的时间来计算距离。
GPS定位系统利用地球上的卫星定位系统，可以提供较高精度的水下设备位置信息。
第三部分：水下设备导航系统水下设备导航系统可以帮助水下设备在水下环境中准确导航和定位。
常见的水下设备导航系统有惯性导航系统、全球卫星导航系统（GNSS）和视觉导航系统。
惯性导航系统根据李氏度量公式和动力学定律来计算水下设备的位置和航向。
该系统通过使用惯性传感器（如陀螺仪和加速度计）来测量设备的加速度和角度变化，并通过积分来估计位置和速度。
全球卫星导航系统是通过利用全球卫星系统（如GPS）在水下环境中进行导航和定位的。
深海采矿机器人自定位过程中数据融合研究
器人 位 置的 最 优 估 计 。仿 真 结 果印 证 了此 方 法具 有很 好 的 估 计 精 度 。 关键 词 ： 海 采矿 机 器 人 ； 尔 曼 滤 波器 ； 深 卡 数据 融合 ； 自定 位 中图分类号：Ｐ ８ Ｔ １ 文献标志码 ： Ａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｔ ｓ ｏ ｎ ｈｅ Ｐｏ ｉｉ ｎｉ ｆ Ｄｅ ｐ－ｓ ａ ｄ Ｍ ｉ ｎ ｂ ｔ ｓ ａ ｃ ｆ Ｄａ ａ Ｆｕ ｉ ｎ ｉ ｔ ｓｔｏ ｎｇ ｏ ｅ ｅ ｂｅ ｎ ｇ Ｒｏ ｏ ｉ
ｂ ｓ ｌ ｅ ｐ ｓ ｉ ｉｇ ｓｓ ｍ， ｉ ｐ ｐｒ ｉｔ ｄ ｃ ｓ ａ ａ ｔ ｅ Ｋ ｍ ｎ ｆ ｔ ｇｒ ｍ ｉ ｏｄ ｒ ｔ ｆｓ ｅ ｃ ｎｅｔｒ ａｅ ｎ ｏ ｉｏ ｎ ｙｔ ｔ ｓ ａ ｅ ｎ ｏ ｕ ｅ ｄ ｐ ｉ ａ ａ ｌ ｒ ａ ｏ ｔ ｎ ｒｅ ｏ ｕｅ ｔ ｏ ｊｃ ａ ｉ ｔｎ ｅ ｈ ｒ ｖ ｌ ｉｅ ｌ ｉ ｈ ｈ ｕｌ
摘 要 ： 向深 海 采 矿 机 器人 自主 定 位 ， 用 自适 应 卡 尔 曼 滤 波 算 法 ， 于 一 种 修 正 的 长 基 面 采 基
线水 声 定位 系统 ．对 长 基 线 水 声 定 位 系统 对 机 器 人 位 置 的 测 量 值 和 通 过 多普 勒 测 速 仪 等
其 它传 感 器 的测 量 值 间接 得 到 的 关 于机 器人 位 置 的推 测 值 进 行 数 据 融合 ，得 出 桌 时 刻机
深海采矿技术(1)
结核开采技术方案
用拖网型的集矿机收集，用管道提升； 用铲斗状集矿机收集，用绳子或钢缆 将铲斗拉上来； 用拖网型的集矿机收集，用集矿机自 身的浮力将之运至海面 。
深海采矿技术(1)
海底拖撬系统
海底拖撬采矿系统 深海采矿技术(1)
连续链斗采矿系统(CLB)
单船式连续绳斗式采矿
双船式连续绳斗式采矿系统
到稳定作用；
漂浮装置：减小集矿机与海底之间的相互作用力，防止集矿机深陷
入沉积物；
深海采矿技术(1)
集矿机
组成
给料机构和收集仓：给料机构协助提升，收集仓暂存结核。 机架：一方面支承装在集矿机上的机器，同时缓和着底、离底 时的冲击。另外当集矿机入库、操作和海底拖航时，机架具有 承载这些负荷的能力。 电力、检测控制装置：电力装置由潜水马达、水中变压器、水 中分电箱、电动机操作柜组成，体积小、重量轻并可靠，检测 控制装置由船上控制台和各种水中传感器组成，监视集矿机各 装置的工作性能； 液压装置：在集矿机内装有一阀门，当发生堵塞时以迅速排除 堵塞，另外还有一阀门用于调整集矿量，液压装置主要控制这 两个阀门工作。
沉积物的承载力或剪切力。集矿机应能处理一定的斜坡以及小的障
碍物；
集矿装置：在海底拾收锰结核或吸取锰结核-沉积物混合物，集矿
装置是集矿机的核心；
分选装置：洗去沉积物和结核细小微粒，有的还可拒绝大颗粒结核
或异物；
碎矿装置：将结核粉碎到适于提升的粒径；
稳定装置：又称稳定片，当集矿机受到翻转、颠簸等作用力时，起
结核赋存在4000～6000米深的洋底，开采过程
必须全部实现遥测遥控；
洋底地形地貌相当复杂，洋底表层为剪切强度
仅0~3Kpa的软泥层，并有海底洋流的影响；
深海采矿装备的自主探测与导航技术
深海采矿装备的自主探测与导航技术深海采矿是指利用海洋中的矿产资源进行采集、开发和利用的科学技术活动。
随着陆地矿产资源的逐渐枯竭，人们对深海矿产资源的探索和开发日益增加。
然而，深海环境的复杂性和高压、低温等特殊条件，给深海采矿带来了前所未有的挑战。
自主探测与导航技术的发展，对于深海采矿装备的安全和有效运行至关重要。
深海采矿装备的自主探测技术是指利用传感器、地形测量仪器以及其他探测设备，对深海环境进行实时监测和数据采集的能力。
通过自主探测技术，深海采矿装备可以获取海底地质构造、水文地球物理参数、海底生态环境等信息。
这些信息对于矿产资源的勘探、储量评估和采矿方案的设计具有重要作用。
同时，深海环境中存在着高压、弱光、高含盐度等复杂条件，自主探测技术需要具备对这些环境的适应能力。
自主导航技术是指深海采矿装备在无人操控状态下，实现定位、路径规划和避障等功能的技术。
在深海采矿过程中，自主导航技术能够确保装备的准确定位，避免因位置偏差引发的采矿效率低下和安全事故的发生。
另外，深海环境中存在着浮游生物、海洋流动等复杂的避障因素，自主导航技术需要具备对这些因素的快速识别和回避能力。
为了实现深海采矿装备的自主探测与导航技术，研究人员在多个方面进行了努力。
首先，需要开发适应深海环境的高性能传感器。
深海环境中的高压、低温和强盐度对传感器提出了更高的要求。
研究人员通过改进材料和结构设计，提高传感器的耐压性能，并开发出适应低温和高盐度环境的传感器。
其次，需要提高传感器的数据处理和分析能力。
深海环境中数据稀缺且复杂，对数据处理和分析的要求较高。
研究人员可以利用机器学习、人工智能等技术，对采集到的数据进行智能化分析，提取有用信息，并为深海采矿提供决策支持。
此外，需要开发自主导航系统，实现深海采矿装备的准确定位和路径规划。
自主导航系统可以利用惯性导航、声纳定位、水下通信等多种技术，实现在无人操控状态下的导航和避障功能。
研究人员需要对这些技术进行整合和优化，以提高深海采矿装备的导航精度和安全性。
深海探测装备的自主定位与导航技术
深海探测装备的自主定位与导航技术深海是地球上最为神秘和未被探索的领域之一。
随着现代科技的发展，深海探测装备的自主定位与导航技术得到了长足的进步。
本文将分析深海探测装备的自主定位与导航技术的重要性，并介绍其中的一些关键技术和挑战。
深海探测装备的自主定位与导航技术对于深海探索和资源开发非常重要。
由于深海环境的复杂性和水下信号传输的困难性，传统的卫星导航系统在深海中难以满足定位和导航的需求。
因此，开发可在深海环境下实现自主定位与导航的技术成为一个迫切的需求。
首先，深海探测装备的自主定位与导航技术需要借助声纳和惯性导航等传感器来实现。
声纳技术是深海定位与导航中最为重要的一种技术。
它通过发送声波信号并接收返回的回波来判断物体的距离和方向。
此外，惯性导航技术可以通过测量设备的加速度和角速度来估计和跟踪设备的位置和姿态。
这些传感器需要应对深海中的高压、低温和盐度等极端环境，因此对其稳定性和可靠性提出了较高的要求。
其次，深海探测装备的自主定位与导航技术需要解决数据传输和信息处理的问题。
在深海中，声波是传输信息的唯一方式。
然而，由于水下环境对声波传输的限制，数据传输的速度较慢且容易受到干扰。
在这种情况下，设计高效的数据压缩和编码算法以及抗干扰的通信方案是十分关键的。
同时，深海环境中生成的数据量巨大，需要开发高性能的信息处理算法来实现实时处理和分析。
第三，深海探测装备的自主定位与导航技术需要考虑深海地形的影响。
深海地形复杂多变，存在海底山脉、富矿床、火山活动等特殊区域。
因此，开发适应不同地形环境的地图构建和路径规划算法是一个重要的挑战。
这些算法需要考虑海底地形的特征、导航精度的要求以及资源开发的需求，以实现高效的探测和导航。
最后，深海探测装备的自主定位与导航技术需要充分考虑安全问题。
深海探索和资源开发是一个复杂和危险的任务，需要保证装备的安全和可靠。
因此，开发可靠的容错机制和风险评估方法是至关重要的。
在自主定位与导航的过程中，应该根据环境的变化和设备的状态来进行实时的风险判断，并采取相应的措施来保证任务的成功完成。
深海采矿装备的智能定位与导航系统
深海采矿装备的智能定位与导航系统引言：随着人类对深海资源的需求与日俱增，深海采矿逐渐成为人们关注的焦点。
然而，深海环境的极端条件和无法预测的海洋动力学特点使得深海采矿操作变得异常困难。
因此，深海采矿装备的智能定位与导航系统的研发至关重要。
本文将探讨深海采矿装备的智能定位与导航系统的现状、挑战以及未来发展方向。
1. 深海采矿装备的智能定位与导航系统的重要性深海采矿装备的智能定位与导航系统是确保深海采矿操作能够准确、高效地进行的关键技术之一。
它能够提供装备的准确定位、路径规划和动态避障功能，从而使深海采矿工作更加安全和有效。
2. 现有深海采矿装备智能定位与导航系统的挑战在实际应用中，深海采矿装备的智能定位与导航系统面临着诸多挑战。
首先，深海环境的极端压力、低温和高湿度条件对系统的稳定性和可靠性提出了更高的要求。
其次，深海采矿装备需要面对复杂的海洋动力学特性，如洋流和海底地形等，这对系统的精确定位和路径规划提出了更高的要求。
此外，深海环境中的信号传输也受到限制，对传感器和通信设备的性能提出了更高的要求。
3. 深海采矿装备智能定位与导航系统的发展方向为了克服上述挑战，深海采矿装备智能定位与导航系统的发展应朝以下几个方向进行：3.1 提高系统的稳定性和可靠性针对深海极端环境的特点，研发具有抗压能力、温度适应性和防湿性能的传感器和通信设备，以提高系统的稳定性和可靠性。
3.2 强化深海动态环境感知与建模能力通过集成先进的传感器技术和数据处理算法，提高深海采矿装备对复杂海洋动力学特性的感知和理解能力。
实时构建动态环境模型，并将其用于路径规划和动态避障决策。
3.3 创新导航算法与定位技术研发新的导航算法和定位技术，以提高深海采矿装备的定位精度和鲁棒性。
如集成惯性导航系统、全球定位系统（GPS）和水声导航技术等，进行多源数据融合，提高定位的准确性和可靠性。
3.4 发展自主导航系统深海采矿装备需要具备自主感知、自主决策和自主执行功能。
深海采矿装备的定位与导航系统设计
深海采矿装备的定位与导航系统设计摘要：在深海采矿作业中，准确定位和有效导航是保障作业安全和提高作业效率的关键。
本文旨在讨论深海采矿装备定位与导航系统的设计，介绍其原理、关键技术和应用前景，以期为深海采矿行业提供技术支持。
1. 引言深海采矿是一项重要的资源开发活动，但由于其作业环境的极端恶劣性质，作业设备的定位与导航面临诸多挑战。
如何准确定位和导航深海采矿装备是提高作业效率、降低风险的关键问题。
2. 定位与导航系统的原理定位与导航系统的设计必须基于准确的深海环境感知和位置计算。
传统的卫星导航系统在深海环境下显示不稳定，因此需要开发适用于深海采矿的定位与导航技术。
深海采矿装备定位导航系统的原理通常包括三个主要组成部分：环境感知、位置计算和机器人控制。
3. 环境感知技术深海环境复杂多变，准确感知环境是深海采矿装备定位与导航的基础。
当前常用的深海环境感知技术包括声学感知、摄像头感知、激光雷达感知等。
这些技术可以实时获取深海环境中的障碍物信息、水流信息、地质结构等，为装备的安全移动提供数据支持。
4. 位置计算技术深海采矿装备的位置计算技术是定位与导航系统设计的关键环节。
为了解决卫星导航系统在深海环境下的不稳定性，可以采用惯性导航、声学定位、无线电定位等技术。
同时，多传感器信息融合技术是提高定位精度的有效方式，可将多种定位数据进行融合，提供更准确的位置和航向信息。
5. 机器人控制技术深海采矿装备的机器人控制是实现定位与导航系统的关键。
机器人控制技术可以实现实时路径规划、避障和作业指令执行等功能。
基于深度学习和人工智能技术的机器人控制系统能够提供高效、智能的作业能力，提高作业效率和减少人工干预。
6. 应用前景深海采矿定位与导航系统的设计与开发具有重要的应用前景。
其不仅可以用于深海矿产资源开发，还可以应用于海洋环境监测、海底科考等领域。
随着深海开发技术的不断进步，深海采矿定位与导航系统将成为深海作业的关键技术之一。
海洋工程装备的自主定位与定向导航研究
海洋工程装备的自主定位与定向导航研究自主定位和定向导航是海洋工程装备中至关重要的技术。
海洋环境具有复杂性和不确定性，而工程装备的准确定位和导航对于海洋资源的开发和海洋科学研究至关重要。
随着技术的不断进步，海洋工程装备的自主定位与定向导航技术也不断发展和完善。
自主定位是指在没有外部参考标志物的情况下，依靠装备自身的定位系统进行准确定位。
而定向导航则是指通过装备自身的导航系统确定方向，并进行航行控制。
海洋工程装备需要具备自主定位与定向导航能力，以应对海洋环境的复杂性，保证工程施工和科学研究的准确性和安全性。
在海洋工程装备的自主定位方面，目前广泛应用的技术包括全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（INS）和声纳定位系统等。
GPS是基于卫星定位的技术，通过接收卫星信号来确定装备的位置。
INS则利用装备内部的加速度计和陀螺仪等设备测量装备的加速度和角速度，再通过积分运算来获得装备的位置。
声纳定位系统则利用声波信号与海底的反射来进行定位。
尽管这些技术已经相对成熟且广泛应用，但在海洋环境中仍然面临一些挑战和限制。
例如，GPS在海洋环境中容易受到信号遮挡和干扰，导致定位精度下降。
INS的不确定度会随着时间的推移累积，并且需要定期校准。
声纳定位系统则受到海底地形的影响，定位精度较低。
因此，海洋工程装备的自主定位技术需要不断改进和创新。
针对海洋工程装备的定向导航需求，惯性导航系统是一种重要的技术。
惯性导航系统通过检测装备的加速度和角速度来确定其运动状态，从而确定方向。
然而，在海洋环境中，由于潮汐、海流等因素的影响，装备的运动状态可能出现偏差。
因此，需要结合其他传感器和算法来提高定向导航的准确性。
例如，结合GPS和INS技术可以实现惯性导航系统的辅助定位和导航，提高定向导航的精度和稳定性。
除了现有的技术，还有一些新兴的技术正在被研究和应用于海洋工程装备的自主定位与定向导航中。
例如，卫星通信与导航系统（Satellite Communications and Navigation System，SatComNav）结合了GPS和通信功能，通过与地面站的通信实现精确定位。
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航信息融合的最佳方法。本文应用模糊控制的自适 应 尔曼滤波方法 ，对深海采矿集矿机的定位导航 进行 Ｊ Ｕ ， 步的研究 ，为深海大洋采矿集矿机的测控 书 问题提供了一条解决的途径。
航定位系统。我 从 ２ ０世纪 ９ ０年代初开始 了对大 洋多金属 结 核 开采 技术 的研 究 ，经过 “ 血” 八 、
新频率 ，受声波在水 中的传播速度限制 ，采用声学
传感器对海底集矿机进行位置测量时会产生数据延 迟，对于深海作业的集矿机 ，其位置数据延时将达 到秒级。因此 ，在深海环境下对集矿机作位置估计
ｆｓ ＿ ０ ｉ ］ ｃ ｎ ０ 。 Ｏ
Ｊ＝ｌｉ ｃｓ ０Ｉ ｌｎ ｏ ｓ Ｏ ｊ ０ ０ ｌ （） １
时，直接应用声学传感器将会 由于反馈延时而无法 满足实时控制要求 ，必须借助其它方法进行实时位
收稿 日期 ：２０ 一１ ｌ ０ ５ｌ— ２
Hale Waihona Puke 基金项 目：中国大洋协会专项 基金 资助项 目 （ Ｙ ０ －３０ － ） Ｄ １５０ －２０ ２ 作者简介 ：杨放琼 （９ ６年生 ） １６ ，女 ，副教授 ，博士研究生 ；Ｅ ｍ ｉ ｑａ ｇ０ ４ ａｏ． ｏ ．ｎ － ａ ：ｆｙｎ２ ０ ＠ｙｈｏ ｔｍ ｃ ｌ
维普资讯
第４ ５卷
２０ ０６
笫 ３期
５川
ｆ山人学学撤 （ １ ｉ 自然科学版）
Ａ — Ｓ Ｉ Ｎ Ｉ Ｒ Ｍ Ｎ ｑ Ｒ Ｉ Ｕ Ｕ Ｉ Ｅ ＳＴ Ｓ Ｓ Ｎ ＡＰ Ｅ Ｉ ＣＩ Ａ ＣＥ ＴＡ Ｕ Ａ ’ Ａ Ｍ Ｕ Ｉ Ｎ Ｖ Ｒ Ｉ Ａ１ Ｕ Ｙ Ｎ Ｉ Ｓ
海集 矿机进 行监 测 与控 制 。 没 固定 坐标 系 （ ｙｚ） 取 在 海 底 平 面 的 Ｅ—
的 。水声 导航是借助 水 面或海 底设置 固定参 Ｊ
考点的方法来提高定位精度的。利用水声定位系统 进行位置测量 时主要 存在两个 问题 ，一是测量精 度 ，声学传感器的测量精度一般较低 ，二是数据刷
维普资讯
中山大学学报 （ 自然科学版 ）
第４ ５卷
１２ 履带 式集 矿机 的状 态 空 间模 型 ．
第 Ｊ Ⅳ次采样时刻的位置¨ ． 一 。即：
（） ＝Ｘ（ ｊ—Ｎ）
ｙ （）＝ Ｙ ｊ—Ｎ） （ （） ８
设履带式集矿机的位置 ［ ，ｙ Ｚ ｒ 为系 ， ，０
关 键词 ：深海采矿；自适膻扩展 尔曼滤波；定位 综合导航；信息融合
中图分类号 ：ｒ ５ ＿８７ 文献标识码 ： 文章编号： ５９ ５ ２０）０－ ３４ Ｄ Ａ ０２— ７ ０６ ３ ０９ ４ ６ ９（ ０ ３ 人洋采矿要求集矿机在水深 ５００ｍ左右的海 ０
底行走 ，按 颅 定 的 采 集 路 径 进 行 多 金 属 结 核 的 采
务 ，但 其 主要缺 点是 随着 时 问的增 艮 ，误 差 是累积
１ 卡尔曼滤波与集矿机 的位 置估计
１１ 深海 采矿 系统及 坐标 系确 定 ．
深海采矿系统 由采 矿 母船 、扬 矿系统 、集矿
机 、测控 与定 位 系 统 等 组 成 ¨ 。 水 而 控 制 系 统 装
在采矿母船上 ，并通过依附在扬矿管上的电缆对深
“ 九无”期Ｉ的实验室上作 和综合湖试 ，解决丁履 ’ 白 Ｊ 带 午的町行驶性和可控性 ，软管输送工艺方式和参
数， 集矿机的 自动行驶等关键问题 ，但对于深海集 矿机的测控与导航 这一领域研究则 是 目前研究较 少、 进展较慢的领域。由于它涉及声纳技术 、 信息 融合理论 、自控技术 、水下机器人等多学科的交叉 研究 ，使得 这一 领域 的研究 异 常的 复杂 。 卜 目前水下导航最有效的方法是推算导航和水声 导航。推算导航是根据已知的航位及水下机器人的 航向、速度 、时间和漂移来推算 出新 的航位。推算 导 航尤需借助其它参考基准就能独 立完成导航任
的状态空川模 ，根据 长基线定位系统 的延时建立 ＿系统 的测 方 ，提 ｝ ｒ Ｊ模糊 逻辑 的 ｆ适 啦 卡尔 曼滤 ｒ ｆ － Ｊ Ｉ 波的算法。仿真结果表叫 ：集矿机化置 ，ｙ的新 息系列均住 －ｏ 的范 嘲内变化 ，采 用该 自适啦 控制算 法埘 、 ４ｒ － 加权的 ‘ 法所进行 的 膏尔曼滤波足稳定的 、最优的 ． ．
置推算。 。 。
所 谓综合 导航 即为将 各单 一 导航及 环 境监 测设
集．其开采依赖于满足井采条什的Ｊ 艺流程 、 ． 有效
的采集 方式 、车辆 的 呵行驶 性 ．可控 性及 精确 的 导 和 ｌ
备的信息输入计算机 ，经过信息融合 ，得剑最伴导
航参数及环境信息分 、并具仃各项 自动化 导航 、 控制及智能辅助决策功能的计算机系统 。综合 卜 导航的核心足信息融合 ，而 尔曼滤波至今仍是导
任意点 ，其中，Ｅ Ｚ指 向地 心，水平面采用北东坐
标 系 ；而动坐 标 系是 与集 矿机 固联 在一起 的。为 了
方便 ，可以将 ｏ 轴与集矿机 的主对称轴取 向一敛 ， 而 ｏ 轴 与ｏ ｙ 轴垂直即可。集矿机的航向角用 ０ 表 示 ，海底集矿机动坐标系和定坐标 系的变换矩阵
为［ ： ６ Ｊ
Ｖ １４ Ｎｏ ３ ｏ． ５ ．
Ｍ ａ ２ ０６ ｙ ０
深海 自行式集矿机的定位 与综合 导航
杨放琼 ，彭高明，谭 青
（ 中南大学机 电工程学院，湖南 长沙 ４ ０８ ） １０３
摘 要 ：应用模糊 适应扩展 卜 尔曼滤波方法，研究 ｒ 深海采矿集矿机的定位导航『题。建 ●＿履带式集矿机 Ｌ １ Ｊ ｒ