第1章　概述

1.1　本書背景與意義

1.1.1　本書研究的背景

海洋是人類巨大的共同資源寶庫，蘊藏有豐富的礦產資源，其中富鈷結殼、熱液硫化物、多金屬結核中Co、Ni、Cu、Mn等重要金屬的含量是陸地礦區相應含量的數十乃至數百倍，而天然氣水合物含量相當于地球上煤、石油、天然氣總儲量的兩倍多[1]，這些種類的新型資源具備很好的商業應用前景，被稱作21世紀人類可持續發展戰略的接替能源[2～5]。

鈷結殼是大洋底部最具有吸引力的礦產資源之一，其主要生長在水深800～2400m的水下，其平均厚度僅為4～6cm，富含鈷、鉑、鎳、錳、磷、鈦、鋅、鉛、鈰、銅、鐵等戰略金屬元素。新近的調查表明，在500～3500m水深范圍內也有結殼發現，最深處甚至超過4000m[6～9]。鈷結殼中鈷的平均含量一般都大于0.5%，平均達到0.8%～1.2%，最高可至2%[10]，是多金屬結核中鈷含量的4倍。鈷的平均含量較陸地礦區高幾十倍，鉑則高于陸地礦床的80倍。陸地鈷的礦區含鈷量很小，通常不大于0.1%，只就鈷的含量而言，在陸地上還沒有類似礦床[11]。

自20世紀80年代初以來，由于鈷結殼所具備的海洋強國的政治意義、重大戰略意義，加上巨大的經濟價值（Co的價值就高于結核中Mn、Ni、Cu的價值之和，是Mn的30倍），鈷結殼已成為大洋礦產資源開發、研究的熱點[12]，各國紛紛加速了鈷結殼的商業開采研究步伐。西方發達國家紛紛將勘查的重點繼多金屬結核勘查之后，放在了鈷結殼上。經過多年的前期理論研究，目前西方國家已經在鈷結殼的勘探開采方法、開采設備研制以及輸送工藝與裝備等方面，取得了具有工程實用價值的研究成果[13～21]。

與西方發達國家相比，我國對鈷結殼礦產資源的勘探開采研究工作起步較晚。為維護我國海洋權益，依據國際上對海洋爭奪的形勢，推進我國國際水下區域礦產資源研究開發事業，提高我國的核心競爭力，中國大洋礦產資源研究開發協會（COMRA）調整了戰略目標，提出“發展海洋技術，堅持資源開發，適時建立海洋產業”的目標。將以在合同區的多金屬結核勘探工作為主導，調整為以富鈷結殼礦區為主導，多種資源并舉的新戰略。隨著國家對海生資源的日漸重視，國內相關研究機構也逐步開展了多金屬結核以及鈷結殼的勘探開采研究工作[20，21]。1987年在HY—871航次遠洋調查過程中，“海洋四號”科學考察船首次采集到鈷結殼樣品數百公斤。1990年大洋礦產資源研究開發被我國國務院列為國家長遠發展項目，最終確定由中國大洋協會組織實施。1991年我國被聯合國批準成為國際上首批水下開發先驅投資者。在國家“八五”到“十五”期間，我國對登記申請的水下礦區進行了十數次海上勘探工作，采用多種探測技術，如多波束探測、深拖水下攝像和照相、水下機器人等對目標區域進行了仔細的勘查和周邊環境的評價工作，初步完成了礦區優選任務。直至1999年3月5日，我國最終從聯合國獲得了7.5萬平方公里“專屬經濟區”的優先開采權。

COMRA在“九五”研究成果的基礎上，在《國際水下區域研究開發“十五”立項指南》和《國際水下區域研究開發“十五”計劃》中將“鈷結殼采集模型機關鍵技術及裝備研究”、“鈷結殼資源評價與研究”確立為研究的重點項目。本書的研究內容為“鈷結殼采集模型機關鍵技術及裝備研究”中的部分工作。

1.1.2　本書研究的意義

1985年，John E.Halkyard[22]及其公司在多次試驗和大量資料整理基礎上，在美國圣地亞哥召開的“海洋工程及其環境”國際會議上提出：最佳的鈷結殼開采方案應是包括由水下履帶式機器人、水力管道提礦運輸系統和水面采礦船構成的采礦系統。

在“九五”多金屬結核開采技術與裝備研究的基礎上，借鑒國外鈷結殼開采方案，根據鈷結殼礦區開采環境的特點，我國提出了相似的開采方案，目前可能的第一代商業化鈷結殼開采系統組成如下：水下采集系統（集礦機、水下機器人）+提升系統（揚礦輸送系統）+遙測遙控系統（測控子系統）+水面支持子系統（水面采礦支持母船），如圖1-1所示。

提升系統將水下機器人獲得的礦產資源從幾千米深的水下高效地運送到海面上的運輸船；要想獲得較高的開采效率，保證水下采集系統能夠正常地工作，必須有一整套高精確度的遙測遙控系統，在作業過程中，工作人員借助遙測遙控系統定位并指揮、調度水下采集系統，對它實行在線狀態監測；水面輔助支持系統包括完成水下采礦任務所必需的動力裝置、設備、儀器、臨時礦倉以及醫療、保險、提供工作人員住宿等的設施。

水下采集系統在水下底實現人工操作比較困難，采礦環境缺氧、高壓、低溫、腐蝕性強，因此需要設計可靠性高、并有一定采礦效率的無人駕駛水下資源采集系統，采集所需的礦產資源。

由于采集系統的工作環境是在能見度很低、環境高度復雜的水下，因此需要一套完整的自主式導航控制系統（包括路徑規劃系統、定位系統、探測系統、行走控制系統等），幫助其完成精確、高效的采集任務。水下采集系統因為自身的高度自主性，因此又被稱為水下自主式機器人（自主式采礦機器人）。

本書所研究的內容為鈷結殼機器人路徑規劃相關技術，它是水下機器人導航控制系統中的重要環節，是機器人能否精確、安全和完整的完成采礦作業的關鍵。