Dynamic Analysis of the Seafloor Pilot Miner Based on Single-Body Vehicle Model and Discretized Track-Terrain Interaction Model

In order to achieve the complex dynamic analysis of the self-propelled seafloor pilot miner moving on the seafloor of extremely cohesive soft soil and further to make it possible to integrate the miner system with some subsystems to form the complete integrated deep ocean mining pilot system and perform dynamic analysis, a new method for the dynamic modeling and analysis of the miner is proposed and developed in this paper, resulting in a simplified 3D single-body vehicle model with three translational and three rotational degrees of freedom, while the track-terrain interaction model is built by partitioning the track-terrain interface into discrete elements with parameterized force dements built on the theory of terramechanics acting on each discrete dement. To evaluate and verify the correctness and effectiveness of this new modeling and analysis method, typical comparative studies with regard to computational efficiency and solution accuracy are carried out between the traditional modeling method of building the tracked vehicle as a multi-body model and the new modeling method. In full consideration of the particMar structure design of the pilot miner, the special characteristics of the seafioor soil and the hydrodynamic force of near-seafloor currnt, the dynamic simulation analysis of the miner is performed and discussed, which can provide useful guidance and reference for the practical miner system in design and operation. This new method can not only realize the rapid dynamic simulation analysis of the miner but also make possible the integration and rapid dynamic analysis of the complete integrated deep ocean mining pilot system in further researches.

利用前视和测高声呐的UUV地形跟踪动态路径生成方法

保持对海底地形的定高跟踪航行是无人水下航行器(UUV)执行海洋勘测和水下目标搜索任务时常采用的一种运动形式,其核心是UUV如何对未知起伏的海底地形进行实时探测,并基于探测信息在线、动态地生成跟踪路径,以实现对地形的定高跟踪航行,同时避免与地形发生碰撞。针对上述问题,提出了一种基于前视声呐探测地形信息、基于多项式拟合动态生成跟踪路径的方法。首先,UUV利用前视声呐对海底地形进行实时探测,对获得的地形探测数据进行仿射处理后,得到具有离散特性的定高仿射数据。然后,采用基于最小二乘准则的三次多项式方法对仿射数据进行拟合,生成基于多项式函数描述的UUV地形跟踪航行路径。最后,设计了一种包含声呐探测、数据仿射、路径生成和跟踪控制的动态执行框架,实现UUV的实时地形跟踪航行任务。文中所提出的跟踪路径生成和动态执行框架通过对典型的海底“上坡”地形和“山地”地形跟踪的仿真验证,证明了其有效性和可行性。

基于海底底质及地形特征的地形辅助导航适配区选择方法

随着多波束测深技术的不断发展,地形辅助导航广泛应用于海上舰船。本文针对传统特征参数没有包含深度以及海底底质因素而导致水下地形导航适配区判定不准确的问题,提出基于海底底质及区域地形特征的地形辅助导航适配区选择方法。本方法基于多波束探测数据,对区域地形数据进行统计分析,通过层次分析法对地形特征参数以及海底底质等适配性评价指标进行综合分析,得出权重向量并构建适配区选择准则函数,对匹配区域进行适配性判断。利用ICCP算法进行地形匹配蒙特卡洛仿真实验,实验结果表明,适配性选择函数克服了传统特征参数对匹配区域分析不全面的问题,可有效选择适配区,适配区内匹配误差小于5 m。

多波束测深声纳技术研究新进展

多波束测深声纳已成为国内外海洋科学研究、海底资源开发、海洋工程建设等海洋活动中最主要的海洋调查勘测仪器之一。以多波束测深声纳为对象,详细介绍了国内外多波束测深声纳产品的发展情况,重点阐述了代表当前多波束测深声纳发展趋势的超宽覆盖、高分辨、高精度、多功能一体化探测等核心技术的研究进展,最后结合实际的海底地形地貌探测需求,给出了多波束测深声纳技术未来发展的展望。

基于NetCDF的海底地形网格数据模型创建与调度

主要介绍了NetCDF的原理以及如何按照NetCDF的格式规则创建、快速调度网格数据的步骤和方法,并利用这些原理、步骤、方法,实现对海底地形网格数据的快速创建和调度,在此研究领域上提供一定的理论和实践基础。

基于BP神经网络的海底地形复杂度自动分类方法研究

针对海底地形复杂程度分类问题,在考虑传统水深均值的基础上引入坡度和起伏度两个地形因子作为表征海底地形复杂程度的分类指标并进行量化,对水深数据空间分辨率进行统一,建立包含18种典型海底特征的海底地形复杂度分类库,利用BP神经网络对建立的分类库进行训练学习。为验证该方法的有效性和适用性,选取地形复杂度不同的4块实验区分别采用统计学方法和BP神经网络算法进行海底地形复杂度进行分类,对比发现该方法可以实现海区海底平坦、一般、复杂三种地形的自动识别与分类,并保留实验区海底地形复杂度细节信息。

海底地基形位测量仪研制与海上试验研究

为了实现对海洋平台海底地基形位进行高效精细测量,基于多波束测深原理研制了拥有自主知识产权国产首套海底地基形位测量仪;文中给出海底地基形位测量仪的工作原理、系统组成,设计方案和主要关键技术,并在对该设备进行水池测试的基础上进一步开展了JZ20-2MUQ石油钻井平台海上外场实地测量试验研究,并对测量数据进行了细致处理获得了平台桩腿受冲刷影响形成的坑形信息;与传统潜水员探摸结果进行比对的结果表明该设备技术先进、测量结果有效可信,可以为海洋平台地基基础测试分析与安全评估提供重要的桩基形位信息。

多波束测深系统中的海底地形可视化技术研究

针对直接使用大数据量的离散深度数据实现海底地形可视化时,基于不规则三角网的海底地形建模速度慢、稳健性低的问题,提出一种联合矢积测试的子网合并双向缝合算法,设计了一种基于二叉树的动态分块合并机制。该算法能够避免相交三角形或线形三角形的产生并使缝合后新生成的初始三角形形状趋于最优,提高了子网合并速度与整个构网程序的稳健性,实现了基于快速Delaunay构网的海底地形建模和三维可视化。实验结果表明,该算法能够明显提高子网合并速度与程序稳健性,适用于大数据量离散测深数据的海底地形绘制。

卷积神经网络在矿区预测中的研究与应用

在研究富钴结壳高产区地形特征基础上,以富钴结壳站点地理坐标为中心,获得了一平方公里的海拔高度数值矩阵作为地形特征.使用卷积神经网络的分析方法对数值矩阵进行训练,学习坡度和平整度等区域特征,将富钴结壳站点地形和其他海底地形进行区分.依据训练后获得的模型,对富钴结壳高产区进行预测,取得了较好的预测效果,结合其他因素的影响,可以提高结壳靶区选取的精准度.

基于截断最小二乘估计的多波束异常测深值剔除方法

针对多波束系统测得的深度数据中存在异常值影响海底地形勘测结果的问题,提出一种基于截断最小二乘估计进行异常测深值检测和剔除的方法。利用截断最小二乘估计的高崩溃点性质进行局部海底地形曲面拟合以获得相对准确的海底趋势面,并通过比较实际测深值与所得趋势面的残差与某一门限来识别异常测深值,利用多波束测深数据的排列规则设计可变尺寸的滑动窗,以测带为单位对测深数据进行异常值检测和剔除。测试结果表明这种异常测深数据检测方法对海底地形数据中簇群存在和离散分布的异常值均具有较好的检测效果。

多波束海底地形等深线快速生成算法

为解决大数据量海底地形等深线快速生成问题,提出一种基于等深值索引序列的等深线快速生成算法。该算法通过建立深度属性和等深值索引属性的映射关系,将浮点型深度属性三角网转化为整型索引属性三角网,并在此基础上提出一种基于0/1异或的等深线走向快速判断方法进行等深线跟踪,实现等深线的快速生成。实测海底地形数据的测试结果表明,与常规算法相比,该算法具有更快的生成速度并且十分适合计算机编程实现,能够快速、准确地从大数据量数字海底地形中生成等深线.