一种用于海底采矿的高精度网络化导航系统及工作方法与流程

1.本发明涉及海底采矿技术领域，具体领域为一种用于海底采矿的高精度网络化导航系统。


背景技术：

2.目前深海矿产资源开采处于关键技术攻关、核心装备研发验证阶段，商业化开采顶层设计方案尚在规划论证中，系统生产效率、可靠性、经济性等方面尚未开展深入研究。
3.此前水下开采装备的定位主要依靠水声定位、惯性组件、多普勒计程仪进行组合导航，cn109655056a即采用该种方式，通过固定布设的六个被动式声纳与布置在采矿车上的主动式声纳构成水声定位系统，提供三维绝对定位，并通过惯导系统推算提供实时位置。cn212569544u提出利用超短基线、激光陀螺仪、多普勒测速仪、轮速传感器进行采矿车轨迹监测。
4.前述水下导航方式基本仅适用于海底采矿单体试验或小规模集成演示验证，海底采矿需在大深度、高噪音、复杂地形、浑浊水域等严苛条件下实现大范围、多装备、高精度、低时延、高效费比导航定位，目前该方向的研究工作尚处于起步阶段。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于海底采矿的高精度网络化导航系统。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于海底采矿的高精度网络化导航系统，包括不少于一台的水面导航平台、与采矿车数量相等的矿车领航者、领航者定位终端、脐带缆；
7.所述水面导航平台包括波浪滑翔机本体和设置在波浪滑翔机本体上的卫星定位设备、水声导航节点；
8.所述矿车领航者上设置有水声定位终端、惯性组件、领航者定位节点、光学扫描仪、高频成像声纳、多普勒计程仪、避障声纳和水下航行器平台；
9.领航者定位终端安装于采矿车前部，矿车领航者通过脐带缆与采矿车电连接，传输矿车领航者上各个设备的信息数据至采矿车；
10.卫星定位设备用于接收卫星定位信号，水声导航节点接收并发射卫星定位信号，水声定位终端接收水声导航节点的信号信息，领航者定位节点与领航者定位终端通信。
11.优选的，所述的水面导航平台的水声导航节点采用共形设计安装在波浪滑翔机的水下滑翔翼上。
12.优选的，所述的水面导航平台对矿车领航者的定位方式包括长基线定位(lbl)和超短基线(usbl)两种，其中长基线定位中水面配置不少于3台水面导航平台，超短基线定位中水面配置1台水面导航平台。
13.优选的，所述的矿车领航者基于水下自主航行器加装设备，光学扫描仪、高频成像
声纳、多普勒计程仪安装于矿车领航者底部，避障声纳安装于矿车领航者前部，水声定位终端安装于矿车领航者上部，领航者定位节点安装于矿车领航者后部。
14.优选的，长基线定位方式采用被动导航的方式，即由水面导航平台发送自身位置，由矿车领航者接收并解算导航信息；
15.优选的，矿车领航者搭载有多个推进器。
16.优选的，所述脐带缆为弱正浮力脐带缆。
17.为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：一种用于海底采矿的高精度网络化导航系统的工作方式，其步骤为：
18.第一步：水面导航平台自主航行在采矿区域上方，接收卫星定位信号，并使用水声导航节点发射水下定位信号；
19.第二步：矿车领航者上的水声定位终端接收来自水面的定位信号，解算自身位置；
20.第三步：矿车领航者基于惯性组件、多普勒计程仪以及水声定位终端采集的信息进行组合导航，给出高更新率的自身位置信息；
21.第四步：矿车领航者基于携带的高频成像声纳、光学扫描仪进行矿产分布探测，并通过图像处理给出已开采区和未开采区分界线，同时矿车领航者基于携带的避障声纳进行障碍物探测；
22.第五步：矿车领航者通过光缆将自身位置信息、姿态信息、矿产分界线、障碍物等信息实时传递至采矿车上，采矿车利用领航者定位终端探测矿车领航者上的领航者定位节点并实时解算相互位置，生成自身绝对位置信息，由此获得自身绝对定位、与矿产分界线的相对定位、与障碍物相对定位信息，随后进行局部路径规划和行进。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用水面移动长基线导航设计满足矿产开发深度大、作业区域广、作业时间长、水下地形复杂的限制，无需水面支持母船；长基线定位采用被动导航方式并将定位接收节点远离高噪声采矿车，支持水下多台采矿车同时定位需求；使用基于惯导和dvl的航位推算弥补水声导航间隙导航信息缺失的问题；利用矿车领航者对矿产分布的精细成像、精确传导为采矿车开采行进提供高精度引导，克服羽流引起的矿车周边水域浑浊问题；由可自由升降的矿车领航者搭载避障声纳进行障碍物探测，确保矿车安全。该系统满足海底采矿在大深度、高噪音、复杂地形、浑浊水域等严苛条件下大范围、多装备、高精度、低时延、高效费比导航定位需求。
附图说明
24.图1是本发明的系统组成图；
25.图2是图1中水面导航平台的放大视图；
26.图3是图1中矿车领航者的放大视图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.请参阅图1至3，本发明提供一种技术方案：一种用于海底采矿的高精度网络化导航系统，包括不少于一台的水面导航平台1、与采矿车数量相等的矿车领航者3、领航者定位终端2、脐带缆4。水面导航平台包括波浪滑翔机本体13、卫星定位设备11、水声导航节点12；矿车领航者包含水声定位终端31、惯性组件32、领航者定位节点33、光学扫描仪34、高频成像声纳35、多普勒计程仪36、避障声纳37、推进器38、水下航行器平台39；领航者定位终端2安装于采矿车前部。
29.水面导航平台1采用波浪滑翔机13为搭载平台，水面导航平台1的水声导航节点12采用共形设计安装在波浪滑翔机13的水下滑翔翼14上，水下滑翔翼14距离水面一定深度可满足水声导航节点12工作深度需求，共形设计可降低对水面导航平台1阻力性能的影响，保证水面导航平台1具备长续航力。
30.水面导航平台1对矿车领航者3的定位方式包括长基线定位(lbl)和超短基线(usbl)两种，其中长基线定位中水面配置不少于3台水面导航平台1，超短基线定位中水面配置1台水面导航平台。长基线定位中采用被动导航的方式，即由水面导航平台1发送自身位置，由矿车领航者3接收并解算导航信息，该种被动导航方式可为大批量水下采矿车同时提供导航服务，类似于卫星定位系统；水声定位终端31布置在矿车领航者3上并具有接收指向性设计主要是为了降低采矿车高量级宽频段噪声对长基线导航的不利影响，确保导航可达性。
31.矿车领航者3基于水下自主航行器加装设备，光学扫描仪34、高频成像声纳35、多普勒计程仪36安装于矿车领航者3底部，避障声纳37安装于矿车领航者3前部，水声定位终端31安装于矿车领航者3上部，领航者定位节点33安装于矿车领航者3后部，惯性组件32固定安装于矿车领航者上。光学扫描仪34、高频成像声纳35负责对矿车领航者底部矿区进行高分辨率成像；多普勒计程仪36采集对底相对速度信息与惯性组件32采集的加速度/角加速度等信息和水声定位终端31接收的水声定位信息进行数据融合，形成组合导航系统，为矿车领航者3提供高更新率的绝对定位；避障声纳37用于探测领航者附近障碍物大小、距离等信息。
32.矿车领航者3搭载多个推进器38，具备高机动性，方便矿车领航者控制在最佳探测区域，保证光学扫描仪34、高频成像声纳35的成像质量。
33.矿车领航者3与采矿车之间使用弱正浮力脐带缆4连接，用于数据高速传输和为矿车领航者供电。
34.领航者定位终端2安装于采矿车上，与矿车领航者3上的领航者定位节点33配对使用，提供采矿车和矿车领航者3之间的相对位置关系。
35.海底采矿的高精度网络化导航系统的工作方法是：
36.第一步：水面导航平台自主航行在采矿区域上方，接收卫星定位信号，并使用水声导航节点发射水下定位信号；
37.第二步：矿车领航者上的水声定位终端接收来自水面的定位信号，解算自身位置；
38.第三步：矿车领航者基于惯性组件、多普勒计程仪以及水声定位终端采集的信息进行组合导航，给出高更新率的自身位置信息；
39.第四步：矿车领航者基于携带的高频成像声纳、光学扫描仪进行矿产分布探测，并通过图像处理给出已开采区和未开采区分界线，同时矿车领航者基于携带的避障声纳进行
障碍物探测；
40.第五步：矿车领航者通过光缆将自身位置信息、姿态信息、矿产分界线、障碍物等信息实时传递至采矿车上，采矿车利用领航者定位终端探测矿车领航者上的领航者定位节点并实时解算相互位置，生成自身绝对位置信息，由此获得自身绝对定位、与矿产分界线的相对定位、与障碍物相对定位信息，随后可进行局部路径规划和行进。
41.通过本技术方案，本发明创新性地提出了水下领航者的设计，并引入波浪滑翔机作为水面导航平台，水下领航者远离噪声源并与水面导航平台组成被动式长基线定位，与惯导、dvl构成组合导航系统提供高更新率的绝对定位，水下领航者搭载高分辨率成像设备进行矿产分布探测为采矿车开采行进提供高精度引导，本系统可实现全天候全天时海底采矿导航服务。
42.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。