1.本發(fā)明涉及海底采礦技術(shù)領(lǐng)域，具體領(lǐng)域為一種用于海底采礦的高精度網(wǎng)絡(luò)化導航系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

2.目前深海礦產(chǎn)資源開采處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、核心裝備研發(fā)驗證階段，商業(yè)化開采頂層設(shè)計方案尚在規(guī)劃論證中，系統(tǒng)生產(chǎn)效率、可靠性、經(jīng)濟性等方面尚未開展深入研究。

3.此前水下開采裝備的定位主要依靠水聲定位、慣性組件、多普勒計程儀進行組合導航，cn109655056a即采用該種方式，通過固定布設(shè)的六個被動式聲納與布置在采礦車上的主動式聲納構(gòu)成水聲定位系統(tǒng)，提供三維絕對定位，并通過慣導系統(tǒng)推算提供實時位置。cn212569544u提出利用超短基線、激光陀螺儀、多普勒測速儀、輪速傳感器進行采礦車軌跡監(jiān)測。

4.前述水下導航方式基本僅適用于海底采礦單體試驗或小規(guī)模集成演示驗證，海底采礦需在大深度、高噪音、復雜地形、渾濁水域等嚴苛條件下實現(xiàn)大范圍、多裝備、高精度、低時延、高效費比導航定位，目前該方向的研究工作尚處于起步階段。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

5.針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種用于海底采礦的高精度網(wǎng)絡(luò)化導航系統(tǒng)。

6.為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種用于海底采礦的高精度網(wǎng)絡(luò)化導航系統(tǒng)，包括不少于一臺的水面導航平臺、與采礦車數(shù)量相等的礦車領(lǐng)航者、領(lǐng)航者定位終端、臍帶纜；

7.所述水面導航平臺包括波浪滑翔機本體和設(shè)置在波浪滑翔機本體上的衛(wèi)星定位設(shè)備、水聲導航節(jié)點；

8.所述礦車領(lǐng)航者上設(shè)置有水聲定位終端、慣性組件、領(lǐng)航者定位節(jié)點、光學掃描儀、高頻成像聲納、多普勒計程儀、避障聲納和水下航行器平臺；

9.領(lǐng)航者定位終端安裝于采礦車前部，礦車領(lǐng)航者通過臍帶纜與采礦車電連接，傳輸?shù)V車領(lǐng)航者上各個設(shè)備的信息數(shù)據(jù)至采礦車；

10.衛(wèi)星定位設(shè)備用于接收衛(wèi)星定位信號，水聲導航節(jié)點接收并發(fā)射衛(wèi)星定位信號，水聲定位終端接收水聲導航節(jié)點的信號信息，領(lǐng)航者定位節(jié)點與領(lǐng)航者定位終端通信。

11.優(yōu)選的，所述的水面導航平臺的水聲導航節(jié)點采用共形設(shè)計安裝在波浪滑翔機的水下滑翔翼上。

12.優(yōu)選的，所述的水面導航平臺對礦車領(lǐng)航者的定位方式包括長基線定位(lbl)和超短基線(usbl)兩種，其中長基線定位中水面配置不少于3臺水面導航平臺，超短基線定位中水面配置1臺水面導航平臺。

13.優(yōu)選的，所述的礦車領(lǐng)航者基于水下自主航行器加裝設(shè)備，光學掃描儀、高頻成像

聲納、多普勒計程儀安裝于礦車領(lǐng)航者底部，避障聲納安裝于礦車領(lǐng)航者前部，水聲定位終端安裝于礦車領(lǐng)航者上部，領(lǐng)航者定位節(jié)點安裝于礦車領(lǐng)航者后部。

14.優(yōu)選的，長基線定位方式采用被動導航的方式，即由水面導航平臺發(fā)送自身位置，由礦車領(lǐng)航者接收并解算導航信息；

15.優(yōu)選的，礦車領(lǐng)航者搭載有多個推進器。

16.優(yōu)選的，所述臍帶纜為弱正浮力臍帶纜。

17.為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供如下技術(shù)方案：一種用于海底采礦的高精度網(wǎng)絡(luò)化導航系統(tǒng)的工作方式，其步驟為：

18.第一步：水面導航平臺自主航行在采礦區(qū)域上方，接收衛(wèi)星定位信號，并使用水聲導航節(jié)點發(fā)射水下定位信號；

19.第二步：礦車領(lǐng)航者上的水聲定位終端接收來自水面的定位信號，解算自身位置；

20.第三步：礦車領(lǐng)航者基于慣性組件、多普勒計程儀以及水聲定位終端采集的信息進行組合導航，給出高更新率的自身位置信息；

21.第四步：礦車領(lǐng)航者基于攜帶的高頻成像聲納、光學掃描儀進行礦產(chǎn)分布探測，并通過圖像處理給出已開采區(qū)和未開采區(qū)分界線，同時礦車領(lǐng)航者基于攜帶的避障聲納進行障礙物探測；

22.第五步：礦車領(lǐng)航者通過光纜將自身位置信息、姿態(tài)信息、礦產(chǎn)分界線、障礙物等信息實時傳遞至采礦車上，采礦車利用領(lǐng)航者定位終端探測礦車領(lǐng)航者上的領(lǐng)航者定位節(jié)點并實時解算相互位置，生成自身絕對位置信息，由此獲得自身絕對定位、與礦產(chǎn)分界線的相對定位、與障礙物相對定位信息，隨后進行局部路徑規(guī)劃和行進。

23.與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：采用水面移動長基線導航設(shè)計滿足礦產(chǎn)開發(fā)深度大、作業(yè)區(qū)域廣、作業(yè)時間長、水下地形復雜的限制，無需水面支持母船；長基線定位采用被動導航方式并將定位接收節(jié)點遠離高噪聲采礦車，支持水下多臺采礦車同時定位需求；使用基于慣導和dvl的航位推算彌補水聲導航間隙導航信息缺失的問題；利用礦車領(lǐng)航者對礦產(chǎn)分布的精細成像、精確傳導為采礦車開采行進提供高精度引導，克服羽流引起的礦車周邊水域渾濁問題；由可自由升降的礦車領(lǐng)航者搭載避障聲納進行障礙物探測，確保礦車安全。該系統(tǒng)滿足海底采礦在大深度、高噪音、復雜地形、渾濁水域等嚴苛條件下大范圍、多裝備、高精度、低時延、高效費比導航定位需求。

附圖說明

24.圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)組成圖；

25.圖2是圖1中水面導航平臺的放大視圖；

26.圖3是圖1中礦車領(lǐng)航者的放大視圖。

具體實施方式

27.下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

28.請參閱圖1至3，本發(fā)明提供一種技術(shù)方案：一種用于海底采礦的高精度網(wǎng)絡(luò)化導航系統(tǒng)，包括不少于一臺的水面導航平臺1、與采礦車數(shù)量相等的礦車領(lǐng)航者3、領(lǐng)航者定位終端2、臍帶纜4。水面導航平臺包括波浪滑翔機本體13、衛(wèi)星定位設(shè)備11、水聲導航節(jié)點12；礦車領(lǐng)航者包含水聲定位終端31、慣性組件32、領(lǐng)航者定位節(jié)點33、光學掃描儀34、高頻成像聲納35、多普勒計程儀36、避障聲納37、推進器38、水下航行器平臺39；領(lǐng)航者定位終端2安裝于采礦車前部。

29.水面導航平臺1采用波浪滑翔機13為搭載平臺，水面導航平臺1的水聲導航節(jié)點12采用共形設(shè)計安裝在波浪滑翔機13的水下滑翔翼14上，水下滑翔翼14距離水面一定深度可滿足水聲導航節(jié)點12工作深度需求，共形設(shè)計可降低對水面導航平臺1阻力性能的影響，保證水面導航平臺1具備長續(xù)航力。

30.水面導航平臺1對礦車領(lǐng)航者3的定位方式包括長基線定位(lbl)和超短基線(usbl)兩種，其中長基線定位中水面配置不少于3臺水面導航平臺1，超短基線定位中水面配置1臺水面導航平臺。長基線定位中采用被動導航的方式，即由水面導航平臺1發(fā)送自身位置，由礦車領(lǐng)航者3接收并解算導航信息，該種被動導航方式可為大批量水下采礦車同時提供導航服務(wù)，類似于衛(wèi)星定位系統(tǒng)；水聲定位終端31布置在礦車領(lǐng)航者3上并具有接收指向性設(shè)計主要是為了降低采礦車高量級寬頻段噪聲對長基線導航的不利影響，確保導航可達性。

31.礦車領(lǐng)航者3基于水下自主航行器加裝設(shè)備，光學掃描儀34、高頻成像聲納35、多普勒計程儀36安裝于礦車領(lǐng)航者3底部，避障聲納37安裝于礦車領(lǐng)航者3前部，水聲定位終端31安裝于礦車領(lǐng)航者3上部，領(lǐng)航者定位節(jié)點33安裝于礦車領(lǐng)航者3后部，慣性組件32固定安裝于礦車領(lǐng)航者上。光學掃描儀34、高頻成像聲納35負責對礦車領(lǐng)航者底部礦區(qū)進行高分辨率成像；多普勒計程儀36采集對底相對速度信息與慣性組件32采集的加速度/角加速度等信息和水聲定位終端31接收的水聲定位信息進行數(shù)據(jù)融合，形成組合導航系統(tǒng)，為礦車領(lǐng)航者3提供高更新率的絕對定位；避障聲納37用于探測領(lǐng)航者附近障礙物大小、距離等信息。

32.礦車領(lǐng)航者3搭載多個推進器38，具備高機動性，方便礦車領(lǐng)航者控制在最佳探測區(qū)域，保證光學掃描儀34、高頻成像聲納35的成像質(zhì)量。

33.礦車領(lǐng)航者3與采礦車之間使用弱正浮力臍帶纜4連接，用于數(shù)據(jù)高速傳輸和為礦車領(lǐng)航者供電。

34.領(lǐng)航者定位終端2安裝于采礦車上，與礦車領(lǐng)航者3上的領(lǐng)航者定位節(jié)點33配對使用，提供采礦車和礦車領(lǐng)航者3之間的相對位置關(guān)系。

35.海底采礦的高精度網(wǎng)絡(luò)化導航系統(tǒng)的工作方法是：

36.第一步：水面導航平臺自主航行在采礦區(qū)域上方，接收衛(wèi)星定位信號，并使用水聲導航節(jié)點發(fā)射水下定位信號；

37.第二步：礦車領(lǐng)航者上的水聲定位終端接收來自水面的定位信號，解算自身位置；

38.第三步：礦車領(lǐng)航者基于慣性組件、多普勒計程儀以及水聲定位終端采集的信息進行組合導航，給出高更新率的自身位置信息；

39.第四步：礦車領(lǐng)航者基于攜帶的高頻成像聲納、光學掃描儀進行礦產(chǎn)分布探測，并通過圖像處理給出已開采區(qū)和未開采區(qū)分界線，同時礦車領(lǐng)航者基于攜帶的避障聲納進行

障礙物探測；

40.第五步：礦車領(lǐng)航者通過光纜將自身位置信息、姿態(tài)信息、礦產(chǎn)分界線、障礙物等信息實時傳遞至采礦車上，采礦車利用領(lǐng)航者定位終端探測礦車領(lǐng)航者上的領(lǐng)航者定位節(jié)點并實時解算相互位置，生成自身絕對位置信息，由此獲得自身絕對定位、與礦產(chǎn)分界線的相對定位、與障礙物相對定位信息，隨后可進行局部路徑規(guī)劃和行進。

41.通過本技術(shù)方案，本發(fā)明創(chuàng)新性地提出了水下領(lǐng)航者的設(shè)計，并引入波浪滑翔機作為水面導航平臺，水下領(lǐng)航者遠離噪聲源并與水面導航平臺組成被動式長基線定位，與慣導、dvl構(gòu)成組合導航系統(tǒng)提供高更新率的絕對定位，水下領(lǐng)航者搭載高分辨率成像設(shè)備進行礦產(chǎn)分布探測為采礦車開采行進提供高精度引導，本系統(tǒng)可實現(xiàn)全天候全天時海底采礦導航服務(wù)。

42.盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。技術(shù)特征：

1.一種用于海底采礦的高精度網(wǎng)絡(luò)化導航系統(tǒng)，其特征在于：包括不少于一臺的水面導航平臺、與采礦車數(shù)量相等的礦車領(lǐng)航者、領(lǐng)航者定位終端、臍帶纜；所述水面導航平臺包括波浪滑翔機本體和設(shè)置在波浪滑翔機本體上的衛(wèi)星定位設(shè)備、水聲導航節(jié)點；所述礦車領(lǐng)航者上設(shè)置有水聲定位終端、慣性組件、領(lǐng)航者定位節(jié)點、光學掃描儀、高頻成像聲納、多普勒計程儀、避障聲納和水下航行器平臺；領(lǐng)航者定位終端安裝于采礦車前部，礦車領(lǐng)航者通過臍帶纜與采礦車電連接，傳輸?shù)V車領(lǐng)航者上各個設(shè)備的信息數(shù)據(jù)至采礦車；衛(wèi)星定位設(shè)備用于接收衛(wèi)星定位信號，水聲導航節(jié)點接收并發(fā)射衛(wèi)星定位信號，水聲定位終端接收水聲導航節(jié)點的信號信息，領(lǐng)航者定位節(jié)點與領(lǐng)航者定位終端通信。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于海底采礦的高精度網(wǎng)絡(luò)化導航系統(tǒng)，其特征在于：所述的水面導航平臺的水聲導航節(jié)點采用共形設(shè)計安裝在波浪滑翔機的水下滑翔翼上。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于海底采礦的高精度網(wǎng)絡(luò)化導航系統(tǒng)，其特征在于：所述的水面導航平臺對礦車領(lǐng)航者的定位方式包括長基線定位(lbl)和超短基線(usbl)兩種，其中長基線定位中水面配置不少于3臺水面導航平臺，超短基線定位中水面配置1臺水面導航平臺。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于海底采礦的高精度網(wǎng)絡(luò)化導航系統(tǒng)，其特征在于：所述的礦車領(lǐng)航者基于水下自主航行器加裝設(shè)備，光學掃描儀、高頻成像聲納、多普勒計程儀安裝于礦車領(lǐng)航者底部，避障聲納安裝于礦車領(lǐng)航者前部，水聲定位終端安裝于礦車領(lǐng)航者上部，領(lǐng)航者定位節(jié)點安裝于礦車領(lǐng)航者后部。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于海底采礦的高精度網(wǎng)絡(luò)化導航系統(tǒng)，其特征在于：長基線定位方式采用被動導航的方式，即由水面導航平臺發(fā)送自身位置，由礦車領(lǐng)航者接收并解算導航信息。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于海底采礦的高精度網(wǎng)絡(luò)化導航系統(tǒng)，其特征在于：礦車領(lǐng)航者搭載有多個推進器。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于海底采礦的高精度網(wǎng)絡(luò)化導航系統(tǒng)，其特征在于：所述臍帶纜為弱正浮力臍帶纜。8.一種用于海底采礦的高精度網(wǎng)絡(luò)化導航系統(tǒng)的工作方式，其特征在于：其步驟為：第一步：水面導航平臺自主航行在采礦區(qū)域上方，接收衛(wèi)星定位信號，并使用水聲導航節(jié)點發(fā)射水下定位信號；第二步：礦車領(lǐng)航者上的水聲定位終端接收來自水面的定位信號，解算自身位置；第三步：礦車領(lǐng)航者基于慣性組件、多普勒計程儀以及水聲定位終端采集的信息進行組合導航，給出高更新率的自身位置信息；第四步：礦車領(lǐng)航者基于攜帶的高頻成像聲納、光學掃描儀進行礦產(chǎn)分布探測，并通過圖像處理給出已開采區(qū)和未開采區(qū)分界線，同時礦車領(lǐng)航者基于攜帶的避障聲納進行障礙物探測；第五步：礦車領(lǐng)航者通過光纜將自身位置信息、姿態(tài)信息、礦產(chǎn)分界線、障礙物等信息實時傳遞至采礦車上，采礦車利用領(lǐng)航者定位終端探測礦車領(lǐng)航者上的領(lǐng)航者定位節(jié)點并實時解算相互位置，生成自身絕對位置信息，由此獲得自身絕對定位、與礦產(chǎn)分界線的相對

定位、與障礙物相對定位信息，隨后進行局部路徑規(guī)劃和行進。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及海底采礦技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種用于海底采礦的高精度網(wǎng)絡(luò)化導航系統(tǒng)，包括不少于一臺的水面導航平臺、與采礦車數(shù)量相等的礦車領(lǐng)航者、領(lǐng)航者定位終端、臍帶纜；所述水面導航平臺包括波浪滑翔機本體和設(shè)置在波浪滑翔機本體上的衛(wèi)星定位設(shè)備、水聲導航節(jié)點；所述礦車領(lǐng)航者上設(shè)置有水聲定位終端、慣性組件、領(lǐng)航者定位節(jié)點、光學掃描儀、高頻成像聲納、多普勒計程儀、避障聲納和水下航行器平臺，本發(fā)明可實現(xiàn)全天候全天時海底采礦導航服務(wù)。本發(fā)明可實現(xiàn)全天候全天時海底采礦導航服務(wù)。本發(fā)明可實現(xiàn)全天候全天時海底采礦導航服務(wù)。

技術(shù)研發(fā)人員：程燁 顧海東 羊云石

受保護的技術(shù)使用者：杭州瑞聲海洋儀器有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2021.12.24

技術(shù)公布日：2022/4/12