1.3 深海底采矿机器车的国内外研究现状

深海底采矿机器车是深海底集矿作业的载体，为深海底采矿系统中技术最复杂、最关键的部分。其技术难点在于如何保证采矿车在6 000米深海未知环境中正常可靠地行使，并保证以较高的效率收集多金属结核。

其关键技术为：

采矿车在剪切强度和承压强度极低的稀软海底沉积物上的可行驶性。深海底采矿机器车必须携带采集机构、动力装置、破碎机、软管、电子仓和浮力材料等行走于海底，要求能耐60兆帕的高压，按开采路线行走，无故障作业2 000小时以上，同时，从保护环境的角度出发，不能对深海底产生过度的破坏。深海底沉积物完全不同于陆地的底质，其剪切强度极低(0.4～1.6kPa)，且具有搅动流体特性(流变限度150%～230%)。海底沉积物的低承载性和低剪切性，使得普通陆地车辆的行驶机构不能直接使用于采矿车；深海环境的脆弱性、难恢复性以及深海沉积物的搅动流体特性，决定了人类习惯于水中使用的螺旋桨驱动方式同样不适合于深海底采矿机器车。

采矿车的密封和压力补偿技术。在6 000米海洋深处，深海设备的液压系统和各类密封装置将受到海水高达60兆帕的压力作用，其液压元件、油箱和油管等将严重变形，各类常压密封装置将失效，设备难以正常运行。深海底采矿机器车的密封和压力补偿是采矿车正常、安全工作的重要保证。

深海底未知环境的导航和定位技术。深海底一片漆黑。由于电磁波在水中的衰减很快,GPS信号不能到达6 000米深的海底。现有的深海定位系统多采用基于声学定位的长基线、短基线以及超短基线技术。其中，定位精度最好的长基线定位系统也只能达到米级的定位精度。因此，只能主要依赖惯性导航。另外，采矿车行走和采矿时会掀起大量的海底沉积物，这将使采矿车周围的环境受到严重扰动，使摄像头等传感器的性能受到严重影响。研究以惯性导航为主的深海底自动导航和定位技术也是深海底采矿机器车正常工作需解决的关键问题之一。

采矿车路径规划和轨迹跟踪控制。深海底采矿机器车多为特殊设计机器车，动力学特性和运动学特性没有成熟的经验可供参考。另外，人类对6 000米深海底所知甚少，采矿车基本处于未知环境中。这样，深海底采矿机器车的作业环境属于未知环境，特种机器车的路径规划和轨迹跟踪控制，是一个具有一定挑战性的研究课题。

历经四十余年的研究，人类已积累了一些深海底采矿机器车的开发经验。目前，具有代表性的深海采矿车主要有以下几种：

(1)美国海洋矿产公司研制的采矿车。

美国海洋矿产公司研制，于1978年在夏威夷以南海域进行了实验，并成功收集结核(图1-2)。

行走机构：液压驱动，阿基米德螺旋行走机构。其工作原理是螺旋叶片陷入海泥中，螺旋体旋转推动海泥，使行走机构获得向前或向后的推力而前进或后退。其优点为结构简单、海底通过性能好，缺点为行走打滑、承载能力低、功耗大、对海底扰动较大。

集矿方式：采用转轮和链带机械集矿(图1-3)。由两根铲斗链把多金属结核铲起，通过输矿皮带传输到贮矿罐。其优点为结构简单、耗能低，缺点为集矿效率不高，转速较高时，结核有随水流漂浮现象；一些用圆柱齿制作的工作表面易被细泥堵塞。

传感装置：一个测障声呐、一个姿态角传感器、一台深海摄像机。

几何参数：长3.4米，宽2.4米，高2.1米。

(2)德国锡根大学研制的采矿车。

德国从二十世纪七十年代就开始了深海底采矿机器车的研制。历经几十年的研究，形成了具有德国特色的采矿系统。图1-4为德国锡根大学研制的采矿车。该车的改进型于1999年7月在印度的浅海实验成功。

行走机构：液压驱动，渐开线履齿橡胶履带行走机构。该车的特点是采用了特殊形式的摆动车架，支承轮也能摆动，因此该底盘车能较好地适应海底复杂的地形，具有较好的越障能力。履带结构简单，渐开线履齿对沉积物的作用如同齿轮与齿条啮合，对沉积层扰动较小。

集矿方式：高压水射流集矿(图1-5)。集矿时，前排射流将结核从沉积层上冲起，后排反向射流挡住冲起的结核往后的去路，并与前排射流产生一向上的合流将结核抬起，并冲向后部的输送机构。实验表明，该集矿头可在100～200毫米的集矿高度内工作，高度为140毫米时，集矿效率可达100%。

传感装置：一个测障声呐、一个磁通门罗盘、一台多普勒测速仪、两个测速编码器、一台深海摄像机。

几何参数：长3.1米，宽3米，高2米。

(3)法国梭型潜水遥控车。

1980年前后，法国Vertut等人研制了一种梭形潜水采矿车(图1-6)。这种采矿车靠自身重量下行，一般与竖直方向成一定角度。压仓物贮存在结核仓内，当采矿车快到达海底时，释放一部分压舱物以便采矿车徐徐降落。采矿车采用阿基米德螺旋推进器在海底行走，一边排出压舱物，一边采集等效重量的结核，以保持采矿车在海底的浮力。因采矿车由浮性材料制成，所以在水中的重量接近零。当最后一点压舱物被排出，采矿车在阿基米德推进器的作用下返回到海面(图1-7)。法国所设计的第二代梭形潜水遥控采矿车模型机PLA-2型外形尺寸为5.5m×3.3m×2.6m、重16吨(包括压舱物）。由于系统投资大，产品价值不高，法国大洋结核研究开发协会(AFERNOD)已于1983年停止对其的研究。

(4)日本拖曳式采矿车。

日本在连续链斗系统实验失败后，于二十世纪八十年代初转入拖曳式水力射流采矿车(图1-8)的研究。但经过多年的研究，日本已认识到拖曳式行走方式不能满足生产要求，正准备转向自行走采矿车的研究。

(5)印度深海底采矿车。

印度于二十世纪七十年代即开始了多金属结核采矿的研究，但进展缓慢。通过与德国锡根大学合作，采用锡根大学研制的履带车底盘，并自行研究了独特的集矿头，印度于1999年7月进行了200米浅海实验，并取得了成功。图1-9为印度的采矿车模型。该车长3.16米，宽2.95米，重10吨，最大速度0.75m/s。在车顶安装有一个可左右摆动的机械臂，机械臂的下方为一个泥浆泵。采矿时，通过机械臂的左右摆动，用泥浆泵抽取海底表面的多金属结核。该车除可采集多金属结核外，也可进行海底采沙。

我国于二十世纪九十年代初开始对深海底采矿机器车进行研究，在综合研究国外深海底采矿车的基础上，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1-10)。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，双泵全恒功率供油，液压马达分离驱动，电液比例控制，采用水力机械复合集矿方式，外形尺寸为4.6m×3.0m×2.1m,重8吨，行驶速度0～1m/s。“九五”期间，在“八五”研究的基础上，我国研制了第二代深海底采矿机器车(图1-11)。主要改进表现为采用尖三角齿特种合金履带板，提高了采矿车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，进一步提高了采矿车的集矿效率；增加了控制密水箱和相关传感器，提高了采矿车的可操作性。“九五”期间研制的第二代采矿车于2001年在云南抚仙湖进行了实验，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、能适应稀软海底行走的预期目标，从130米深的湖底采集并回收模拟结核900千克，具有国际先进水平。历经十余年的努力，我国深海底自行走采矿车的机械模型研制工作已基本完成，采矿车控制技术研究为“十五”期间重点研究方向之一。