CN111236945B - 一种具有辅助运动装置的深海采矿车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有辅助运动装置的深海采矿车，它涉及采矿设备技术领域。它的采矿车本体的侧边设有液压履带车轮，采矿车本体的车头和车尾处加设有横向履带车轮，横向履带车轮通过液压提升装置进行升降；采矿车本体的车头通过三维机械臂连接钻头，三维机械臂通过液压油缸驱动，采矿车本体的车头设有水力集矿器、水下照明灯，主控制器设于采矿车本体的主控制室内；采矿车本体上设有多种传感器信息融合系统，多种传感器收集到的数据输入融合信息库中处理，处理后将结果输送给主控制器。本发明的优点在于：能实现深海采矿车在海底行走的原地转向、困陷时的自救，深海采矿车在作业时可进行路径规划校正，提高采矿车在海底行走的精确度和安全性。

Description

一种具有辅助运动装置的深海采矿车

技术领域

本发明涉及采矿设备技术领域，具体涉及一种具有辅助运动装置的深海采矿车。

背景技术

由于采矿车的行走地质多由碎屑岩、玄武岩、硅酸岩、磷块岩等组成，表面附有一层沉淀物，所以行走时易发生卡陷等突发状况，必须在采矿车上配备一款辅助装置来进行自救。

现有技术中，申请号为201720898300.5的专利公开了海底采矿车底盘及海底采矿车，采矿车底盘包括电驱式履带行走机构、悬挂机构、底盘架及底盘控制系统。当海底采矿车在运行过程中，底盘控制系统根据传感器采集的数据进行测算实时调节各个履带行走机构，可以独立调节各个履带行走机构高度，使采矿车在行走过程中保持平衡，提高采矿车的地形适应能力和越障能力。

但是，这种履带采矿车只是在空间允许的情况下，进行调节和转向，遇到地形限制或有卡陷时则无法转向，或对履带造成损毁，若能利用辅助装置实现采矿车的原地转向，则会方便得多；且在对大片结壳层型富钴结壳开采时，垂直于壳面的钻头或者切割头容易将壳内的其他无用岩石开采出来，影响开采效率，若能实现对壳面的水平方向进行开采，则会高效得多。

为了合理调节采矿车在作业时的路径，避免因为测量误差导致的不良后果，需要对海底矿区已获取的数据进行校验。现有技术中的履带采矿车作业时仅靠单一或者几个传感器的数据进行控制容易造成误差，实现多传感器之间的信息融合有利于让采矿车在运动及作业时更精细地调整运动轨迹，达到资源的合理配置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有辅助运动装置的深海采矿车，能够实现深海采矿车在海底行走的原地转向、困陷时的自救，深海采矿车在作业时可进行路径规划校正，结合多传感器的信息融合技术，提高采矿车对海底微环境的检验精度，从而提高采矿车在海底行走的精确度和安全性。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：包括采矿车本体，且采矿车本体的每侧边设有至少两个液压履带车轮，所述采矿车本体的车头和车尾处分别加设有一个横向履带车轮，横向履带车轮采用电机驱动，横向履带车轮通过液压提升装置进行升降，所述液压提升装置和横向履带车轮均通过主控制器控制；

所述采矿车本体的车头通过三维机械臂连接开采钻头，所述三维机械臂通过液压油缸驱动，采矿车本体的车头还设有水力集矿器、水下照明灯，所述液压油缸、钻头通过主控制器控制，主控制器设于采矿车本体的主控制室内，水力集矿器、水下照明灯也均与主控制器连接；

所述采矿车本体上设有多传感器信息融合系统，多传感器信息融合系统具有由多种传感器组成的多传感器系统，多传感器系统包括安装于采矿车本体车头的深度计、惯性导航传感器、主动式声呐、水下摄像头以及主控制室内部的漏水检测模块、温湿度传感器、电流检测传感器，多种传感器收集到的数据输入融合信息库中进行处理，融合信息库将信息处理后将结果输送给主控制器；

所述采矿车本体通过通信单元与岸上控制系统连接，通过岸上控制系统对采矿车的行走进行控制，所述通信单元包含光纤和双绞线。

进一步地，所述采矿车本体的车头、车尾的横向履带车轮之间通过平台连接，驱动两横向履带车轮升降的两液压提升装置均与平台连接，液压提升装置具有万向球头、液压顶升机构、支撑节点和液压伸缩器，所述万向球头将液压顶升机构与采矿车本体底部连接，液压顶升机构的底部通过支撑节点连接有四个液压伸缩器，所述液压伸缩器向外倾斜且均匀设在支撑节点的底部外周，平台上设有半圆形凹槽，液压伸缩器的底部设于半圆形凹槽内。

进一步地，所述多传感器信息融合系统的具体融合如下：

a、利用深度计进行深度测量，测量的信息记为S1，信息S1对采矿车所处的海底深度进行测量；

b、惯性导航传感器通过陀螺和加速度计测量载体的角速度和加速度信息，经积分运算得到载体的速度和位置信息，测得的数据记为S2，信息S2对采矿车的速度、方向进行测量，测得的结果通过RS 232通讯协议传送到主控制器中，最后发送到岸上控制系统，在人机交互界面上实时显示相关的数据，将数据S1和数据S2在节点1融合成采矿车的坐标信息S12，由信息S12获取的数据来得出采矿车的实时姿态数据，利用加速度积分求得采矿车进行运动后速度及运动方向，再次积分可以求得采矿车行进的距离长度；

c、采矿车上搭载的主动式声呐，检测信标所在的方位及直线距离，测得的数据记为S3，在节点2融合成信息S123，由信息S123可以确定采矿车与标有信标的采矿点之间的距离、对应的方向；

d、水下摄像头进行水下拍摄，测得的数据记为S4，在节点3融合成信息S1234，由信息S1234可以得到来自水下摄像头获取的采矿车前后的图像，采矿车行走时根据获取的图像判定采矿车的行走路径中是否存在障碍物，若存在障碍物，主控制器发出信号给驱动装置，调节液压履带车轮的转速来调整方向，增强采矿车对海底微环境的适应性；

e、主控制室内部的各传感器测得的数据记为S5，在节点4融合成结果信息S，送入到融合信息库中，由信息S判定采矿车主控制室内仪器的运行状态和运行环境，一旦遇到突发情况通过主控制器控制停止机器运行并断电。

进一步地，所述多传感器信息融合系统信息融合时，融合节点的输入、输出信息采用向量的形式，每个融合节点可以进行多种信息的融合；融合节点的数量为至少一个，中间各融合节点产生的信息也直接送入融合信息库中，融合信息库中信息也作为融合节点的输入信息；从各传感器中获取的信息都先存入信息暂存库中，并等待信息融合处理器的调用。

本发明的优点在于：在采矿车的液压履带车轮被困时，可利用液压提升装置将横向履带车轮顶出，同时辅以横向履带车轮提供的转力让其快速脱离被困区域；在需要转弯的时候如果遇到地形限制，则可以利用车头或者车尾的液压履带车轮作为支点，另一端的横向履带车轮运动进行转弯，特別适合地形狭小的采矿任务，能够实现深海采矿车在海底行走的原地转向、困陷时的自救；

车前的横向履带车轮可与采矿钻头进行配合，为其提供横向助力，适应于大片结壳层型富钴矿的开采；在进行采矿时，可将后方辅助的横向履带车轮降下，利用三维机械手臂进行纵向的位移，前方两侧的液压履带车轮提供前进的推力，后方辅助横向履带车轮提供水平方向的助力，从而使采矿车的钻头全面开采结壳层的矿石；对于海底的一些特殊地形，需要对采矿车进行横向位移时，可通过同时降下前后的辅助横向履带车轮实现；

深海采矿车在作业时可进行路径规划校正，结合多传感器的信息融合技术，提高采矿车对海底微环境的检验精度，从而提高采矿车在海底行走的精确度和安全性。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明的液压提升装置的结构示意图；

图4为本发明的各单元的连接示意图；

图5为本发明的多传感器信息融合系统的工作模式图。

附图标记说明：1、钻头；2、三维机械手臂；3、液压油缸；4、水下摄像头；5、主控制室；6、双绞线；7、采矿车本体；8、光纤；9、主控制器；10、横向履带车轮；11、水下照明灯；12、水力集矿器；13、液压提升装置；14、液压履带车轮；15、声呐；16、深度计；17、惯性导航传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1、图2和图3所示，本具体实施方式采用如下技术方案：包括采矿车本体7，且采矿车本体7的每侧边设有至少两个液压履带车轮14，采矿车本体7的车头和车尾处分别加设有一个横向履带车轮10，横向履带车轮10采用电机驱动，横向履带车轮10分别通过对应的液压提升装置13进行升降，两横向履带车轮10之间通过平台连接，两液压提升装置13均与平台连接，液压提升装置13具有万向球头131、液压顶升机构132、支撑节点133和液压伸缩器134，万向球头131将液压顶升机构132与采矿车本体7底部连接，万向球头131可实现水平方向360°旋转，垂直方向30°转动，有效地适应斜坡地形，液压顶升机构132可以按需求伸缩不同长度，液压顶升机构132的底部通过支撑节点133连接有四个液压伸缩器134，液压伸缩器134向外倾斜且均匀设在支撑节点133的底部外周，平台上设有半圆形凹槽，四个不同方向的小型液压伸缩器134的底部设于半圆形凹槽内，可增强电动的横向履带车轮10对崎岖海底的微调整能力；横向履带车轮10在体积上相对于主驱动液压履带车轮14较小，采用双横向履带车轮10的设计，两个横向履带车轮10之间有个小的平台连接，便于液压提升装置13对横向履带车轮10实现升降驱动。

采矿车本体7的车头通过三维机械臂2连接开采钻头1，三维机械臂2通过液压油缸3驱动，采矿车本体7的车头还设有水力集矿器12、水下照明灯11，液压油缸3、钻头1通过主控制器9控制，主控制器9设于采矿车本体7的主控制室5内，水力集矿器12、水下照明灯11也均与主控制器9连接，主控制器9采用STM32单片机。

采矿车本体7通过通信单元与岸上控制系统连接，通过岸上控制系统对采矿车的行走进行控制，通信单元包含光纤8和双绞线6。

采矿车本体7上设有多传感器信息融合系统，提供采矿车的运行状态数据及海底矿区的环境信息，多种传感器信息融合系统具有由多种传感器组成的多传感器系统，多传感器系统包括安装于采矿车本体7车头的深度计16、惯性导航传感器17、主动式声呐15、水下摄像头4以及主控制室5内部的漏水检测模块、温湿度传感器、电流检测传感器，多种传感器收集到的数据输入融合信息库中进行处理，融合信息库将信息处理后将结果输送给主控制器9。

根据富钴矿区的地形特征，采矿车在海底行走时由水面上的控制人员进行手动操控，行走时采用四轮驱动的方式，每个车轮采用液压驱动的工作方式；采矿车作业时的运动路径采用自动控制方式，利用采矿车上搭载的多种传感器，将搜集到的数据进行数据融合，进而形成一套关于采矿车的控制系统。如图4所示，这套采矿车的控制系统包含主控制器9、驱动单元18、传感器单元19、辅助装置单元20、作业工具单元21、水面控制单元22、通信单元，主控制器9控制各单元的运行。

上述的作业工具单元21包含垂直滚筒式钻头1（筒面上镶有截齿方便切割）、水力集矿器12、液压油缸3；上述的辅助装置单元20包含水下照明灯11、水下摄像头4；上述的传感器单元19包含深度计16、惯性导航传感器17、漏水检测模块、温湿度传感器、电流检测传感器、声呐15；上述的驱动单元18中的四轮驱动采用液压驱动的方式，四个液压履带车轮14可分别控制其转速，辅助横向履带车轮10采用电机驱动，反应快，可实现采矿车的左右移动；上述的水面控制单元22包含人机交互界面、工业控制机、计算机服务器。

水下摄像头4的图相传输采用TCP/IP协议，惯性导航传感器17与主控制器9之间采用RS-232通信，深度计16采用RS-485通信，温湿度传感器与主控制器9之间采用串口通信。

辅助的横向履带车轮10的功能如下：

①在采矿车的液压履带车轮14被困时，可利用液压提升装置13将其顶出，同时辅以横向履带车轮10提供的转力让其快速脱离被困区域；

②在需要转弯的时候如果遇到地形限制，则可以利用车头或者车尾的两边液压履带车轮14作为支点，另一端的横向履带车轮10运动进行转弯，特別适合地形狭小的采矿任务；

③车前的横向履带车轮10可以与采矿钻头1进行配合，为其提供横向助力，适应于大片结壳层型富钴矿的开采。

主控制器9采用STM32单片机，分别连接液压提升装置13、电动横向履带车轮10和水下摄像头4、三维机械手臂2、水力集矿器12等，完成对各部件的控制，通信接口光纤8连接STM32单片机和计算机作数据通信，计算机采用工业控制机(IPC)，机上装有控制界面程序，控制人员可在界面上完成对采矿车上的液压履带车轮14、液压油缸3、三维机械手臂2等部件的操控，主控制器9内部也存放有预先设置好的三种操作模式，其模式内容如下：

①采矿车运行的过程中，若受困无法继续运行，启动脱险程序，车上四个主驱动液压履带车轮14内的转速传感器开始检测转速来判断哪个方向的主驱动轮发生故障，在给主驱动液压履带车轮14下达行动指令的前提下，系统检测到该车轮的转速为零，且液压履带车轮14各项参数正常，则判定该车轮发生卡陷。若判定出前方右侧车轮发生卡陷，则主控制器9发出指令，让前方液压提升装置13启动，降下横向履带车轮10，将车身前方顶起，接着启动辅助横向履带车轮10的电机，让车身偏离受困区域，最后收起辅助横向履带车轮；

②在进行采矿时，可将后方的辅助横向履带车轮10降下，利用三维机械手臂2进行纵向的位移，前方两侧的液压履带车轮14提供前进的推力，后方辅助横向履带车轮10提供水平方向的助力，从而使采矿车的钻头1全面开采结壳层的矿石；

③对于海底的一些特殊的地形，需要对采矿车进行横向位移时，可以同时降下前后两侧的辅助横向履带车轮10，同时转动电机，此模式下车身的运行距离不可过长，否则可能会造成辅助横向履带车轮10的损坏。

采矿车作业时采用的是多传感器信息融合系统，如图5所示，该系统由多个传感器组成多传感器系统，提供采矿车的运行状态数据及海底矿区的环境信息，图中有5种信息需要进行融合，利用深度计16进行深度测量，测量的信息记为S1；惯性导航传感器17通过陀螺和加速度计测量载体的角速度和加速度信息，经积分运算得到载体的速度和位置信息，测得的数据记为S2，将数据S1和数据S2在节点1融合成采矿车的坐标信息S12；采矿车上搭载的主动式声呐15，检测信标所在的方位及直线距离，测得的数据记为S3，在节点2融合成信息S123，如此循环下去，直到与从主控制室内部传感器发送的信息S5融合成结果信息S，送入到融合信息库中。融合数据库中存放有信息融合的结果，也属于采矿车监控系统数据库的一部分。

对于信息融合过程的补充说明如下：

①融合节点的输入、输出信息一般采用的是向量的形式，每个融合节点可以进行多种信息的融合，图中仅采用了最简信息融合模式；

②融合节点的数量不限，可以只有1个，中间各融合节点产生的信息也可以直接送入融合信息库中，如图中虚线所示，融合信息库中的信息也可以作为融合节点的输入信息；

③融合的信息数量不限，可以对其进行增加或减少，以适应工程的需要；

④所有从传感器中获取的信息都将先存入信息暂存库中，并等待信息融合处理器的调用。

本发明中的各融合节点生成的信息能够满足以下功能的实现：

①信息S1可用来对采矿车所处的海底深度进行测量，信息S2对采矿车的速度、方向进行测量，测得的结果通过RS 232通讯协议传送到主控制器9中，最后发送到水面控制单元，在人机交互界面上实时显示相关的数据；

②由信息S12获取的数据来得出采矿车的实时姿态数据，利用加速度积分求得采矿车进行运动后速度及运动方向，再次积分可以求得采矿车行进的距离长度；若采矿车处在斜坡之上，可对坡度进行一个测量，不断校正所处的坡度值，以便采矿车做出及时的调整，防止遇到陡坡倾覆；若运行过程中速度突然减到零，则采矿车卡陷在泥坑中，可开启辅助自救装置；

③信息S3则是声呐15获取的信标的位置信息由信息S123可以确定采矿车与标有信标的采矿点之间的距离、对应的方向，让采矿车的主要行驶方向保持不变，防止采矿车方向丢失；

④由信息S1234可以得到水下摄像头4获取的采矿车前后的图像，采矿车行走时根据获取的图像判定采矿车的行走路径中是否存在障碍物，若存在障碍物，主控制器9发出信号给驱动装置，调节液压履带车轮14两侧车轮的转速来调整方向，增强采矿车对海底微环境的适应性；作业时采矿车可以根据融合的信息中图像信息调整采矿钻头1以及水力集矿器12的方向和速度，根据惯性导航传感器17判定采矿车的稳定性，若因钻头1的冲击力太大导致采矿车的后坐力不足，可开启辅助自救装置增加采矿车的着地面积；

⑤由信息S可以判定采矿车内主控制室仪器的运行状态和运行环境，一旦遇到突发情况如控制室漏水、控制电路短路等将会停止机器运行并断电。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种具有辅助运动装置的深海采矿车，包括采矿车本体，且采矿车本体的每侧边设有至少两个液压履带车轮，其特征在于：所述采矿车本体的车头和车尾处分别加设有一个横向履带车轮，横向履带车轮采用电机驱动，横向履带车轮通过液压提升装置进行升降，所述液压提升装置和横向履带车轮均通过主控制器控制；

所述采矿车本体的车头通过三维机械臂连接开采钻头，所述三维机械臂通过液压油缸驱动，采矿车本体的车头还设有水力集矿器、水下照明灯，所述液压油缸、钻头通过主控制器控制，主控制器设于采矿车本体的主控制室内，水力集矿器、水下照明灯也均与主控制器连接；

所述采矿车本体上设有多传感器信息融合系统，多传感器信息融合系统具有由多种传感器组成的多传感器系统，多传感器系统包括安装于采矿车本体车头的深度计、惯性导航传感器、主动式声呐、水下摄像头以及主控制室内部的漏水检测模块、温湿度传感器、电流检测传感器，多种传感器收集到的数据输入融合信息库中进行处理，融合信息库将信息处理后将结果输送给主控制器；

所述深海采矿车通过通信单元与岸上控制系统连接，通过岸上控制系统对深海采矿车的行走进行控制，所述通信单元包含光纤和双绞线；

所述采矿车本体的车头、车尾的横向履带车轮之间通过平台连接，驱动两横向履带车轮升降的两液压提升装置均与平台连接，液压提升装置具有万向球头、液压顶升机构、支撑节点和液压伸缩器，所述万向球头将液压顶升机构与采矿车本体底部连接，液压顶升机构的底部通过支撑节点连接有四个液压伸缩器，所述液压伸缩器向外倾斜且均匀设在支撑节点的底部外周，平台上设有半圆形凹槽，液压伸缩器的底部设于半圆形凹槽内；

所述多传感器信息融合系统的具体融合如下：

a、利用深度计进行深度测量，测量的信息记为S1，信息S1对深海采矿车所处的海底深度进行测量；

b、惯性导航传感器通过陀螺和加速度计测量载体的角速度和加速度信息，经积分运算得到载体的速度和位置信息，测得的数据记为S2，信息S2对深海采矿车的速度、方向进行测量，测得的结果通过RS 232通讯协议传送到主控制器中，最后发送到岸上控制系统，在人机交互界面上实时显示相关的数据，将数据S1和数据S2在节点1融合成深海采矿车的坐标信息S12，由信息S12获取的数据来得出深海采矿车的实时姿态数据，利用加速度积分求得深海采矿车进行运动后速度及运动方向，再次积分可以求得深海采矿车行进的距离长度；

c、深海采矿车上搭载的主动式声呐，检测信标所在的方位及直线距离，测得的数据记为S3，在节点2融合成信息S123，由信息S123可以确定深海采矿车与标有信标的采矿点之间的距离、对应的方向；

d、水下摄像头进行水下拍摄，测得的数据记为S4，在节点3融合成信息S1234，由信息S1234可以得到来自水下摄像头获取的深海采矿车前后的图像，深海采矿车行走时根据获取的图像判定深海采矿车的行走路径中是否存在障碍物，若存在障碍物，主控制器发出信号给驱动装置，调节液压履带车轮的转速来调整方向，增强深海采矿车对海底微环境的适应性；

e、主控制室内部的各传感器测得的数据记为S5，在节点4融合成结果信息S，送入到融合信息库中，由信息S判定深海采矿车主控制室内仪器的运行状态和运行环境，一旦遇到突发情况通过主控制器控制停止机器运行并断电。

2.根据权利要求1所述的一种具有辅助运动装置的深海采矿车，其特征在于：所述多传感器信息融合系统信息融合时，融合节点的输入、输出信息采用向量的形式，每个融合节点可以进行多种信息的融合；融合节点的数量为至少一个，中间各融合节点产生的信息也直接送入融合信息库中，融合信息库中信息也作为融合节点的输入信息；从各传感器中获取的信息都先存入信息暂存库中，并等待信息融合处理器的调用。