新型深海悬浮式采矿模式的系统设计与分析

doi:10.3901/JME.2025.18.204

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (18): 204-213.doi: 10.3901/JME.2025.18.204

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新型深海悬浮式采矿模式的系统设计与分析

肖家栾¹, 孙燕杰², 曹阳², 杜新光², 曹军军¹, 姚宝恒¹, 连琏¹

1. 上海交通大学海洋学院上海 200030;
2. 中国船舶科学研究中心上海分部上海 200011

收稿日期:2024-06-13 修回日期:2024-07-05 发布日期:2025-11-08
作者简介:肖家栾，男，2000年出生。主要研究方向为水下机器人动力学建模及运动控制。E-mail：jl-xiao@sjtu.edu.cn;曹军军(通信作者)，男，1989年出生，博士，副研究员，博士研究生导师。主要研究方向为水下机器人结构设计、非线性自适应控制和低功耗嵌入式控制系统设计与开发。E-mail：cpcjj19890318@sjtu.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2021YFC2801600)、国家自然科学基金青年科学基金(42206189，52301328)和上海市科学技术委员会青年科技英才扬帆计划(21YF1419900)资助项目

System Design and Analysis of a Novel Deep-sea Hovering Mining Mode

XIAO Jialuan¹, SUN Yanjie², CAO Yang², DU Xinguang², CAO Junjun¹, YAO Baoheng¹, LIAN Lian¹

1. School of Oceanography, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030;
2. Shanghai Branch, China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011

Received:2024-06-13 Revised:2024-07-05 Published:2025-11-08

摘要/Abstract

摘要： 深海多金属结核采矿作业过程中，传统的履带式采矿机器人由于重量和采矿模式的原因，会对深海底壤造成破坏式压陷以及对沉积物产生强烈的扰动羽流，导致底栖生态环境发生不可逆的变化，严重破坏深海生境。针对上述问题，中国船舶科学研究中心基于遥控水下机器人提出一种新型的悬浮式采矿模式，通过控制采矿机器人齿耙的贯入深度以及降低系统运行功率，最大化减小采矿系统对海洋生境的影响。采用悬浮作业模式，机器人不仅会受到海流的干扰，而且会受到采矿过程中沉积物堆积造成的阻力和纵倾力矩。此外，采矿过程中机器人内部暂存结核的时变质量是导致机器人不稳定的另一个因素。首先，基于上述背景介绍新型深海悬浮式采矿系统各个组成部件的结构布置；然后，系统地阐述深海悬浮式采矿系统的工作原理，并探讨采矿机器人在工作过程中的受力分析；接着，建立质量和重心时变的水下机器人动力学模型，并详细分析悬浮式采矿作业过程中机器人质量参数的变化；最后，聚焦于质量参数时变及外界扰动两个问题，通过仿真分析采矿机器人在不同工况下的运动响应及相应的控制输入，验证该新型采矿模式的可行性。仿真结果表明，采集头中的结核质量会降低采矿机器人的横滚运动响应，增大采矿机器人在转艏运动在外界扰动下的不稳定性。在预设极限工况下，采矿机器人的推力至多增加22.4%，此时仍处于有效工作范围内，不影响悬浮式采矿系统稳定运行。分析结果对悬浮式采矿模式的工程应用具有一定的指导意义。

关键词: 深海采矿, 悬浮式采矿模式, 水下机器人, 动力学建模, 质量时变

Abstract: During deep-sea polymetallic nodule mining operations, conventional tracked mining vehicles can cause destructive indentation of the seafloor benthos and strong disturbance plumes to the sediment due to their weight and mining mode, leading to irreversible changes in the benthic ecosystems and serious damage to deep-sea habitats. To address the above problems, China Ship Scientific Research Center proposes a novel hovering mining mode based on remotely operated underwater vehicles, which minimizes the impact of the mining system on marine habitats by controlling the penetration depth of the mining equipment and reducing the operating power of the system. With hovering operation mode, the mining vehicle will not only be disturbed by sea currents, but also by drag and longitudinal pitch moment caused by sediment accumulated during the mining process. In addition, the time-varying mass of the nodules temporarily stored inside the vehicle during the mining process is another uncertainty that leads to instability. Based on the background above, the structural arrangement of each component of the new deep-sea hovering mining system is firstly introduced; then, the working principle of the deep-sea hovering mining system is systematically elaborated with the forces of the mining vehicle in the working process analyzed; next, the mining vehicle dynamics model with time-varying mass and center of gravity is established and the variation of vehicle mass parameters during the mining process of this new mining mode is analyzed in detail; Finally, the motion response of the mining vehicle under different working conditions and corresponding control inputs are analyzed by simulations to verify the feasibility of this new mining mode. The simulation results show that the mass of nodules in the collecting head decreases the roll motion response of the mining vehicle, however increases its instability in the yaw motion under external perturbations. Under preset extreme operating condition, the thrust of the mining vehicle is increased by up to 22.4%, which is still within the effective operating range and will not affect the system's stable operation. The analysis results are instructive for applying hovering mining mode in engineering.

Key words: deep-sea mining, hovering mining mode, underwater vehicle, dynamic modelling, time-varying mass

中图分类号:

TD857
TD424

肖家栾, 孙燕杰, 曹阳, 杜新光, 曹军军, 姚宝恒, 连琏. 新型深海悬浮式采矿模式的系统设计与分析[J]. 机械工程学报, 2025, 61(18): 204-213.

XIAO Jialuan, SUN Yanjie, CAO Yang, DU Xinguang, CAO Junjun, YAO Baoheng, LIAN Lian. System Design and Analysis of a Novel Deep-sea Hovering Mining Mode[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(18): 204-213.

参考文献

[1] 康娅娟，刘少军. 深海多金属结核开采技术发展历程及展望[J]. 中国有色金属学报，2021，31(10)：2848-2860. KANG Yajuan，LIU Shaojun. Development history and prospect of deep sea polymetallic nodules mining technology[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2021，31(10)：2848-2860.
[2] KAUFMAN R，LATIMER J P，TOLEFSON D C，et al. The design and operation of a pacific ocean deep-ocean mining test ship：R/V Deepsea miner II[C]// Proceedings of the Annual Offshore Technology Conference， Houston：Offshore Technology Conference，1985：33-43.
[3] 刘少军，刘畅，戴瑜. 深海采矿装备研发的现状与进展[J]. 机械工程学报，2014，50(2)：8-18. LIU Shaojun，LIU Chang，DAI Yu. Status and progress on researches and developments of deep ocean mining equipments[J]. Journal of Mechanical Engineering，2014，50(2)：8-18.
[4] NINER H J，ARDRON J A，ESCOBAR E G，et al. Deep-sea mining with no net loss of biodiversity—An impossible aim[J]. Frontiers in Marine Science，2018，5：316039.
[5] VAN DOVER C L，ARDRON J A，ESCOBAR E，et al. Biodiversity loss from deep-sea mining[J]. Nature Geoscience，2017，10(7)：464-465.
[6] 彭建平. 深海多金属结核采矿环境影响分析[J]. 采矿技术，2020，20(4)：123-127. PENG Jianping. Environmental impact analysis of deep-sea polymetallic nodule mining[J]. Mining Technology，2020，20(4)：123-127.
[7] JONES D O B，KAISER S，SWEETMAN A K，et al. Biological responses to disturbance from simulated deep-sea polymetallic nodule mining[J]. Plos One，2017，12(2)：e0171750.
[8] WEDDING L M，REITER S M，SMITH C R，et al. Managing mining of the deep seabed[J]. Science，2015，349(6244)：144-145.
[9] LEVIN L A，MENGERINK K，GJERDE K M，et al. Defining “serious harm” to the marine environment in the context of deep-seabed mining[J]. Marine Policy，2016，74：245-259.
[10] LÉVY J P. International seabed authority：20 Years[M]. Kingston：International Seabed Authority，2014.
[11] XIAO J，CHENG P，CAO J，et al. Dynamic analysis and simulations of a deep-sea hovering mining vehicle multi-body system under real-world operating conditions[J]. Ocean Engineering，2024，306：117871.
[12] 霍星星. ROV液压推进系统非线性特性及抗干扰控制研究[D]. 上海：上海交通大学，2018. HUO Xingxing. Research on the nonlinear characteristics of a hydraulic propulsion system and disturbance rejection control of an ROV[D]. Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2018.
[13] JIANG X B，GAN J，TENG S Y. Simulation of anchor chain based on lumped mass method[J]. Theoretical and Applied Mechanics Letters，2023，13(4)：100460.
[14] 马骋，连琏. 水下运载器操纵控制及模拟仿真技术[M]. 北京：国防工业出版社，2009. MA Cheng，LIAN Lian. Maneuvering control and simulation technology of underwater vehicles[M]. Beijing：National Defense Industry Press，2009.
[15] FOSSEN T I. Guidance and control of ocean vehicles[M]. Chichester：John Wiley & Sons，1999.
[16] FOSSEN T I. Handbook of marine craft hydrodynamics and motion control[M]. Chichester：John Wiley & Sons，2011.
[17] LI X，WEN H，FU J，et al. Modeling and system analysis of hovering underwater vehicle with variable mass and center of gravity[J]. Ocean Engineering，2023，267：113303.
[18] 周锋. 深海ROV液压推进系统的稳定性和控制方法研究[D]. 杭州：浙江大学，2015. ZHOU Feng. Study on stability of hydraulic propulsion system of deep-sea ROV and its control methods[D]. Hangzhou：Zhejiang University，2015.

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System Design and Analysis of a Novel Deep-sea Hovering Mining Mode

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[1]	田威, 李鹏程, 缪云飞, 廖文和, 董松, 孟丹. 大型复材薄壁构件工业机器人高精度原位铣边加工新方法[J]. 机械工程学报, 2025, 61(7): 120-133.
[2]	张宇轩, 汪满新, 王明昊, 方明峰, 冯虎田. 3-RRS并联机构动力学建模与性能分析[J]. 机械工程学报, 2025, 61(7): 315-324.
[3]	祁若龙, 王杰, 李论, 赵吉宾. 航空发动机叶片机器人磨削颤振半主动抑制研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(5): 228-238.
[4]	史江海, 冯鑫, 曹宏瑞. 高转速效应下空气静压主轴微铣削加工表面形貌预测研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(3): 259-271.
[5]	张海峰, 何其臻, 陈巧红, 叶伟. 3-P(RR-RRR)SR运动冗余并联机器人动力学系统分解建模与控制[J]. 机械工程学报, 2025, 61(17): 66-79.
[6]	郭晓强, 吕俊霖, 梁豪, 李潇, 胡宁, 柳军, 郭守金. 深海采矿水力提升管多场耦合多重非线性振动模型及疲劳失效机理研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(14): 321-335.
[7]	张俊, 吴成阳, 方汉良, 孙载超, 王凯龙, 汤腾飞. Z4型冗余驱动并联操作器的驱动特性研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(7): 66-78.
[8]	商德勇, 黄欣怡, 黄云山, 张天佑. 基于Kane方程的Delta并联机器人刚柔耦合动力学研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(7): 124-133.
[9]	梁栋, 庞书康, 宋轶民, 畅博彦, 金国光, 孙涛. 一类新型末端铰接高速并联机器人建模与动力尺度综合[J]. 机械工程学报, 2024, 60(21): 38-55.
[10]	王敏, 孙景健, 丁基恒, 孙翊, 彭艳, 蒲华燕, 罗均, 谢少荣. 基于D-H参数与拉格朗日联立方程的仿生水蛇机器人运动学分析及动力学建模[J]. 机械工程学报, 2024, 60(15): 134-148.
[11]	王明昊, 汪满新. 一种新型五自由度混联机器人动力学建模与性能评价[J]. 机械工程学报, 2023, 59(9): 63-75.
[12]	赵睿英, 余进, CHEN Y H, 冯艳丽, 曹学鹏. 机械系统动力学Rosenberg嵌入法的扩展与解耦：一阶约束与二阶约束的整合[J]. 机械工程学报, 2023, 59(9): 101-115.
[13]	朱子俊, 朱祥龙, 董志刚, 康仁科, 鲍岩. 磨削加工颤振稳定性研究综述[J]. 机械工程学报, 2023, 59(21): 15-33.
[14]	康娅娟, 刘少军. 深海采矿技术与装备研究进展及系统方案综述[J]. 机械工程学报, 2023, 59(20): 325-337.
[15]	于曰伟, 赵雷雷, 谭迪, 周长城. 考虑牵引电机振动的列车-轨道系统垂向耦合动力学分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(16): 379-389.