第1章 概述
1.1 本书背景与意义
1.1.1 本书研究的背景
海洋是人类巨大的共同资源宝库，蕴藏有丰富的矿产资源，其中富钴结壳、热液硫化物、多金属结核中Co、Ni、Cu、Mn等重要金属的含量是陆地矿区相应含量的数十乃至数百倍，而天然气水合物含量相当于地球上煤、石油、天然气总储量的两倍多[1]，这些种类的新型资源具备很好的商业应用前景，被称作21世纪人类可持续发展战略的接替能源[2～5]。
钴结壳是大洋底部最具有吸引力的矿产资源之一，其主要生长在水深800～2400m的水下，其平均厚度仅为4～6cm，富含钴、铂、镍、锰、磷、钛、锌、铅、铈、铜、铁等战略金属元素。新近的调查表明，在500～3500m水深范围内也有结壳发现，最深处甚至超过4000m[6～9]。钴结壳中钴的平均含量一般都大于0.5%，平均达到0.8%～1.2%，最高可至2%[10]，是多金属结核中钴含量的4倍。钴的平均含量较陆地矿区高几十倍，铂则高于陆地矿床的80倍。陆地钴的矿区含钴量很小，通常不大于0.1%，只就钴的含量而言，在陆地上还没有类似矿床[11]。
自20世纪80年代初以来，由于钴结壳所具备的海洋强国的政治意义、重大战略意义，加上巨大的经济价值（Co的价值就高于结核中Mn、Ni、Cu的价值之和，是Mn的30倍），钴结壳已成为大洋矿产资源开发、研究的热点[12]，各国纷纷加速了钴结壳的商业开采研究步伐。西方发达国家纷纷将勘查的重点继多金属结核勘查之后，放在了钴结壳上。经过多年的前期理论研究，目前西方国家已经在钴结壳的勘探开采方法、开采设备研制以及输送工艺与装备等方面，取得了具有工程实用价值的研究成果[13～21]。
与西方发达国家相比，我国对钴结壳矿产资源的勘探开采研究工作起步较晚。为维护我国海洋权益，依据国际上对海洋争夺的形势，推进我国国际水下区域矿产资源研究开发事业，提高我国的核心竞争力，中国大洋矿产资源研究开发协会（COMRA）调整了战略目标，提出“发展海洋技术，坚持资源开发，适时建立海洋产业”的目标。将以在合同区的多金属结核勘探工作为主导，调整为以富钴结壳矿区为主导，多种资源并举的新战略。随着国家对海生资源的日渐重视，国内相关研究机构也逐步开展了多金属结核以及钴结壳的勘探开采研究工作[20，21]。1987年在HY—871航次远洋调查过程中，“海洋四号”科学考察船首次采集到钴结壳样品数百公斤。1990年大洋矿产资源研究开发被我国国务院列为国家长远发展项目，最终确定由中国大洋协会组织实施。1991年我国被联合国批准成为国际上首批水下开发先驱投资者。在国家“八五”到“十五”期间，我国对登记申请的水下矿区进行了十数次海上勘探工作，采用多种探测技术，如多波束探测、深拖水下摄像和照相、水下机器人等对目标区域进行了仔细的勘查和周边环境的评价工作，初步完成了矿区优选任务。直至1999年3月5日，我国最终从联合国获得了7.5万平方公里“专属经济区”的优先开采权。
COMRA在“九五”研究成果的基础上，在《国际水下区域研究开发“十五”立项指南》和《国际水下区域研究开发“十五”计划》中将“钴结壳采集模型机关键技术及装备研究”、“钴结壳资源评价与研究”确立为研究的重点项目。本书的研究内容为“钴结壳采集模型机关键技术及装备研究”中的部分工作。
1.1.2 本书研究的意义
1985年，John E.Halkyard[22]及其公司在多次试验和大量资料整理基础上，在美国圣地亚哥召开的“海洋工程及其环境”国际会议上提出：最佳的钴结壳开采方案应是包括由水下履带式机器人、水力管道提矿运输系统和水面采矿船构成的采矿系统。
在“九五”多金属结核开采技术与装备研究的基础上，借鉴国外钴结壳开采方案，根据钴结壳矿区开采环境的特点，我国提出了相似的开采方案，目前可能的第一代商业化钴结壳开采系统组成如下：水下采集系统（集矿机、水下机器人）+提升系统（扬矿输送系统）+遥测遥控系统（测控子系统）+水面支持子系统（水面采矿支持母船），如图1-1所示。
图1-1 钴结壳开采系统概念图
提升系统将水下机器人获得的矿产资源从几千米深的水下高效地运送到海面上的运输船；要想获得较高的开采效率，保证水下采集系统能够正常地工作，必须有一整套高精确度的遥测遥控系统，在作业过程中，工作人员借助遥测遥控系统定位并指挥、调度水下采集系统，对它实行在线状态监测；水面辅助支持系统包括完成水下采矿任务所必需的动力装置、设备、仪器、临时矿仓以及医疗、保险、提供工作人员住宿等的设施。
水下采集系统在水下底实现人工操作比较困难，采矿环境缺氧、高压、低温、腐蚀性强，因此需要设计可靠性高、并有一定采矿效率的无人驾驶水下资源采集系统，采集所需的矿产资源。
由于采集系统的工作环境是在能见度很低、环境高度复杂的水下，因此需要一套完整的自主式导航控制系统（包括路径规划系统、定位系统、探测系统、行走控制系统等），帮助其完成精确、高效的采集任务。水下采集系统因为自身的高度自主性，因此又被称为水下自主式机器人（自主式采矿机器人）。
本书所研究的内容为钴结壳机器人路径规划相关技术，它是水下机器人导航控制系统中的重要环节，是机器人能否精确、安全和完整的完成采矿作业的关键。