【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及海底礦物采集設備，尤其涉及一種海底礦粒雙自由度局部動態封閉式水力集礦裝置及方法。
技術介紹
1、廣袤的深海蘊藏著豐富的礦產資源，其種類多、儲量大、品位高，具有巨大的開發利用前景，被認為是21世紀陸地礦產最重要的可接替資源。深海礦產資源所富含的銅、鈷、鎳、稀土等金屬，若對其實現開發利用，可有效保障我國經濟發展所需資源的供給。已探明的開發潛力較大的海底礦物主要有多金屬結核、多金屬硫化物和富鈷結殼三種，分布于幾百至幾千米的海底。深海采礦環境影響研究表明，深海采礦將不可避免地在局部范圍對深海生物多樣性和生態系統產生負面影響，不僅包括深海采礦活動導致生物體的直接死亡，也包括沉積物羽流擴散等附帶影響可能導致的更大范圍損害。
2、現有技術的不足及原因：
3、1、現有專利技術大多不具備局部流場封閉功能，采礦過程中會釋放出大量泥漿和溶解的化學物質，形成沉積物羽流，對海洋深中層水域生態環境構成潛在威脅，不利于長期環保地進行資源開發。
4、2、現有專利技術大多為單點式采集，不具備掃描式采集功能，采集大范圍礦石需要采礦車多次移動，采礦作業效率低下。
5、3、現有水力集礦方面的專利技術大多采用恒定射流，導致礦物顆粒起動慢、能耗高、環境擾動大。
6、4、現有專利技術不具備海底礦區環境感知識別功能，缺乏對于礦區密度、礦粒尺度、礦粒種類的精確識別能力，無法實現礦物的精準采集。
7、5、現有專利技術不具備集礦裝置的離底高度控制功能，集礦裝置的采集效率容易受到海底微地形的影響，導
技術實現思路
1、為了解決現有技術方案中存在的問題，提出了一種海底礦粒雙自由度局部動態封閉式水力集礦裝置，該裝置包括環境感知模塊、雙自由度運動控制模塊、局部空間封閉模塊、水力射流噴嘴模塊、集礦裝置礦粒抽吸入口、集礦輸送軟管、集礦裝置離底高度控制機構；所述環境感知模塊通過外伸支架位于集礦裝置前端；所述雙自由度運動控制模塊由升降系統和橫向移動系統組成，升降系統由升降油缸和升降導向組成，位于集礦裝置后上方，橫向移動系統由移動導向杠、移動機構、移動絲杠、移動機構螺母、驅動馬達（液壓馬達或水下電機）組成，位于集礦裝置后上方；所述局部空間封閉模塊由柔性毛刷環繞著集礦裝置礦粒抽吸入口四周形成局部封閉空間；所述水力射流噴嘴模塊位于局部空間封閉模塊內側；所述集礦裝置礦粒抽吸入口位于水力射流噴嘴模塊中間；所述集礦輸送軟管連接著集礦裝置礦粒抽吸入口和儲料倉；所述雙自由度運動控制模塊通過升降油缸和驅動馬達，實現集礦裝置垂向和橫向雙自由度移動，控制集礦裝置與海底面的距離，適應不同的海底地形；所述局部空間封閉模塊為環繞著集礦裝置礦粒抽吸入口的柔性毛刷，在采礦過程中起到局部動態封閉的功能，防止海底沉積物的擴散，減小環境擾動；所述水力射流噴嘴模塊通過高壓、高速水流對海底礦物進行垂向起動，在集礦裝置礦粒抽吸入口四周共8個對稱分布；所述集礦輸送軟管連接著集礦裝置礦粒抽吸入口和儲料裝置，為柔性軟管，集礦裝置礦粒抽吸入口配有水力抽吸裝置。
2、所述的環境感知模塊采用基于卷積神經網絡的視覺感知系統，通過相機采集圖像信息，實現對海底礦區信息的準確感知；針對水下可見度低，成像模糊的問題，通過預訓練的生成對抗網絡模型進行圖像修復，提高圖像的質量；對修復后的圖像進行目標檢測識別，獲取礦物顆粒種類、顆粒直徑和礦區海底地形信息，根據感知得到的特征信息，調整集礦裝置離地高度，實現精準的局部動態封閉空間式集礦。
3、還包括集礦裝置離底高度控制機構，所述集礦裝置離底高度控制機構由分布在集礦裝置前后左右的4個激光測距傳感器組成，系統接收到傳感器測得的距離信號后，自動計算集礦裝置相對海底地形的垂向高度信息；系統采用經典的pid控制策略，在接收到離地高度相關信息后，生成控制信號，對集礦裝置當前離底高度進行調節。
4、該裝置利用柔性毛刷形成動態封閉空間的作用，可以有效地抑制沉積物羽流擴散，減小了對海底生態環境的擾動，同時可以起到攔截作用，阻擋部分礦粒向外擴散，有效抑制細顆粒（礦物碎屑或沉積物細顆粒土）受擾后的懸浮擴散，提高礦物采集率。此外，柔性毛刷作為流場的邊界條件和高壓射流、抽吸流相互作用形成了耦合流場，提高礦物顆粒受到的流體力，有利于礦粒的起動及收集，促進礦粒提升，提高礦粒采集率。柔性毛刷可根據地形不同而做出形狀改變，可適應復雜的海底面條件，具備地形自適應性，在達到相同礦粒采集率下，可降低集礦流量，從而進一步降低集礦過程對海底的擾動并顯著降低能耗。這種動態封鎖機制，可有效提升局部小范圍礦粒采集效率，并大幅減少環境干擾。
5、通過射流、抽吸流以及海底洋流形成了耦合流場，相較于單一流場提供的作用力，組合流動產生的耦合流場提供的升力更大，礦粒更易起動。為解決恒定射流下礦粒起動慢的問題，采用脈動射流對海底礦粒進行垂向起動，脈動射流明顯提高了集礦流場中的湍流強度，而較大的湍流強度又顯著加強了流場中垂向的動量交換，使得礦粒的起動流速大為下降以達到低能耗、快起動、高采集率的目的。
6、該礦物采集裝置機動性高，利用升降系統和移動導向機構實現了集礦裝置的雙自由度移動，有效提升了集礦裝置的工作效率。相較于傳統采礦裝置，本裝置進行相同面積的采礦作業，移動范圍更小，減少了采礦車履帶行進過程對海底沉積物的擾動。升降系統的設計使得集礦口能在垂向上進行調整，增大了集礦裝置可進行作業區域的范圍。
7、海底礦粒雙自由度局部動態封閉式采集裝置的集礦方法：采礦：所述裝置到達集礦作業區域后，根據地形條件，通過傳感器傳達的信號，調整集礦裝置距離海底面高度、集礦裝置角度、水力射流噴嘴角度；開啟高壓、高速水流，礦粒較密集時，選擇勻速水流集礦，而當礦粒較稀疏時，則選用脈沖水流集礦，達到海底礦粒垂向起動的臨界流速后，礦粒脫離海底，抽吸流同步開啟，在耦合流場作用下，礦物顆粒進入輸礦管道；目標區域內礦粒采集完畢后，集礦裝置在移動導向桿的引導作用下橫向移動到達下一個作業區域進行采集作業；多次重復上述流程，實現地毯掃描式礦物采集；集礦裝置通過水力抽吸的方式，將礦粒收集到管道內，集吸管道為軟管，另一端連接著儲料倉，儲料倉起到暫時儲存礦物的作用；
8、集礦裝置離底高度調整：升降系統由升降油缸和升降導向桿組成，通過視覺感知系統和激光測距傳感器采集到的海底地形數據，由pid控制器控制液壓控制閥來控制升降油缸調整集礦裝置垂向高度。
9、本申請所達到的技術效果如下：
10、1：采用毛刷形成局部動態封閉空間式集礦：為了克服現有集礦裝置對海底超軟土的擾動，本專利技術采用的毛刷由于自身具備柔性，可根據不同的地形，做出形態改變，毛刷頂端與海底面貼合形成小范圍封閉空間，可有效抑制集礦過程中海底沉積物的擴散，減少了對海底環境的擾動與污染。
11、2：地毯式大范圍采集作業：為了克服現有采集設備作業效率低下的缺點，本專利技術采用橫向移動導向杠，集礦口可在兩個自由度方向上移動，實現了地毯掃描式集礦，本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種海底礦粒雙自由度局部動態封閉式水力集礦裝置，其特征在于：該裝置包括環境感知模塊、雙自由度運動控制模塊、局部空間封閉模塊、水力射流噴嘴模塊、集礦裝置礦粒抽吸入口、集礦輸送軟管、集礦裝置離底高度控制機構；所述環境感知模塊通過外伸支架位于集礦裝置前端；所述雙自由度運動控制模塊由升降系統和橫向移動系統組成，升降系統由升降油缸和升降導向組成，位于集礦裝置后上方，橫向移動系統由移動導向杠、移動機構、移動絲杠、移動機構螺母、驅動馬達組成，位于集礦裝置后上方；所述局部空間封閉模塊由柔性毛刷環繞著集礦裝置礦粒抽吸入口四周形成局部封閉空間；所述水力射流噴嘴模塊位于局部空間封閉模塊內側；所述集礦裝置礦粒抽吸入口位于水力射流噴嘴模塊中間；所述集礦輸送軟管連接著集礦裝置礦粒抽吸入口和儲料倉；所述雙自由度運動控制模塊通過升降油缸和驅動馬達，實現集礦裝置垂向和橫向雙自由度移動，控制集礦裝置與海底面的距離，適應不同的海底地形；所述局部空間封閉模塊為環繞著集礦裝置礦粒抽吸入口的柔性毛刷，在采礦過程中起到局部動態封閉的功能，防止海底沉積物的擴散，減小環境擾動；所述水力射流噴嘴模塊通過高壓、高速水流對海底礦物
2.根據權利要求1所述的一種海底礦粒雙自由度局部動態封閉式水力集礦裝置，其特征在于：所述的環境感知模塊采用基于卷積神經網絡的視覺感知系統，通過相機采集圖像信息，實現對海底礦區信息的準確感知；針對水下可見度低，成像模糊的問題，通過預訓練的生成對抗網絡模型進行圖像修復，提高圖像的質量；對修復后的圖像進行目標檢測識別，獲取礦物顆粒種類、顆粒直徑和礦區海底地形信息，根據感知得到的特征信息，調整集礦裝置離地高度和柔性毛刷與地面夾角，實現精準的局部動態封閉空間式集礦。
3.根據權利要求2所述的海底礦粒雙自由度局部動態封閉式水力集礦裝置，其特征在于：還包括集礦裝置離底高度調整機構，所述集礦裝置高度調整機構由分布在集礦裝置前后左右的4個激光測距傳感器組成，系統接收到傳感器測得的距離信號后，自動計算集礦裝置相對海底地形的垂向高度信息；系統采用經典的PID控制策略，在接收到離地高度相關信息后，生成控制信號，對集礦裝置當前離底高度進行調節；
4.根據權利要求3所述的一種海底礦粒雙自由度局部動態封閉式水力集礦裝置，其特征在于：所述裝置利用柔性毛刷形成動態封閉空間的作用，可以有效地抑制沉積物羽流擴散，減小了對海底生態環境的擾動，同時可以起到攔截作用，阻擋部分礦粒向外擴散，提高礦物采集率；柔性毛刷作為流場的邊界條件和高壓射流、抽吸流相互作用形成了耦合流場，有利于礦粒的起動及收集；柔性毛刷可根據地形不同而做出形狀改變，可適應復雜的海底面條件。
5.根據權利要求4所述的一種海底礦粒雙自由度局部動態封閉式水力集礦裝置的使用方法：采礦：所述裝置到達集礦作業區域后，根據地形條件，通過傳感器傳達的信號，由PID控制器調整液壓油缸，實現液壓油缸內活塞的升降和伸縮，從而調整集礦裝置距離海底面高度、水力射流噴嘴角度；開啟高壓、高速水流，礦粒較密集時，選擇勻速水流集礦，而當礦粒較稀疏時，則選用脈沖水流集礦，達到海底礦粒垂向起動的臨界流速后，礦粒脫離海底，抽吸流同步開啟，在耦合流場作用下，礦物顆粒進入輸礦管道；目標區域內礦粒采集完畢后，集礦裝置在移動導向桿的引導作用下橫向移動到達下一個作業區域進行采集作業；多次重復上述流程，實現地毯掃描式礦物采集；集礦裝置通過水力抽吸的方式，將礦粒收集到管道內，集吸管道為軟管，另一端連接著儲料倉，儲料倉起到暫時儲存礦物的作用。
...【技術特征摘要】
1.一種海底礦粒雙自由度局部動態封閉式水力集礦裝置，其特征在于：該裝置包括環境感知模塊、雙自由度運動控制模塊、局部空間封閉模塊、水力射流噴嘴模塊、集礦裝置礦粒抽吸入口、集礦輸送軟管、集礦裝置離底高度控制機構；所述環境感知模塊通過外伸支架位于集礦裝置前端；所述雙自由度運動控制模塊由升降系統和橫向移動系統組成，升降系統由升降油缸和升降導向組成，位于集礦裝置后上方，橫向移動系統由移動導向杠、移動機構、移動絲杠、移動機構螺母、驅動馬達組成，位于集礦裝置后上方；所述局部空間封閉模塊由柔性毛刷環繞著集礦裝置礦粒抽吸入口四周形成局部封閉空間；所述水力射流噴嘴模塊位于局部空間封閉模塊內側；所述集礦裝置礦粒抽吸入口位于水力射流噴嘴模塊中間；所述集礦輸送軟管連接著集礦裝置礦粒抽吸入口和儲料倉；所述雙自由度運動控制模塊通過升降油缸和驅動馬達，實現集礦裝置垂向和橫向雙自由度移動，控制集礦裝置與海底面的距離，適應不同的海底地形；所述局部空間封閉模塊為環繞著集礦裝置礦粒抽吸入口的柔性毛刷，在采礦過程中起到局部動態封閉的功能，防止海底沉積物的擴散，減小環境擾動；所述水力射流噴嘴模塊通過高壓、高速水流對海底礦物進行垂向起動，在集礦裝置礦粒抽吸入口四周共8個對稱分布；所述集礦輸送軟管連接著集礦裝置礦粒抽吸入口和儲料裝置，為柔性軟管，集礦裝置礦粒抽吸入口配有水力抽吸裝置。
2.根據權利要求1所述的一種海底礦粒雙自由度局部動態封閉式水力集礦裝置，其特征在于：所述的環境感知模塊采用基于卷積神經網絡的視覺感知系統，通過相機采集圖像信息，實現對海底礦區信息的準確感知；針對水下可見度低，成像模糊的問題，通過預訓練的生成對抗網絡模型進行圖像修復，提高圖像的質量；對修復后的圖像進行目標檢測識別，獲取礦物顆粒種類、顆粒直徑和礦區海底地形信息，根據感知得到的特征信息，調整集礦裝置離地高度和...
【專利技術屬性】
技術研發人員：楊建民，趙國成，張偉漢，祝江，肖龍飛，呂海寧，靳奉園，金城，
申請(專利權)人：上海交通大學三亞崖州灣深海科技研究院，
類型：發明
國別省市：
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