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1、第一篇：水下机器人的结构 第二章：水下机器人的结构 结构结构 设计设计 材料材料 主尺度主尺度 强度强度 布置布置 形式形式 水下机器人的设计任务书水下机器人的设计任务书 设计水深（设计水深（m m）：）：10001000 运动自由度：运动自由度：5 5 航速（航速（m/sm/s）: 0-2: 0-2 水下持续工作时间（水下持续工作时间（h h）：）：8 8 摄像机间距调节系统工位（摄像机间距调节系统工位（mmmm）：）：800800 扫描声纳工作范围（扫描声纳工作范围（o o）：）：360360 紧急情况自动上浮：紧急情况自动上浮： 水下机器人的组成水下机器人的组成 载体：开架式或者流线体载
2、体：开架式或者流线体 观通系统：各类传感器感知外界环境观通系统：各类传感器感知外界环境 控制系统：运动、作业系统等控制控制系统：运动、作业系统等控制 水下机器人的总体布置水下机器人的总体布置 总布置外形图 总布置内部图 总布置内部图-去掉浮力材 水下机器人的总体布置水下机器人的总体布置 设计一艘设计一艘水下机器人水下机器人的程序在政治经济制度不同的的程序在政治经济制度不同的 国家亦各不相同。不论是民用还是国家亦各不相同。不论是民用还是军军用潜水器，其设计用潜水器，其设计 程序都必须从程序都必须从“概念概念”开始。通常由国家计划部门或用开始。通常由国家计划部门或用 户根据国民经济或国防发展的需要
3、和预测户根据国民经济或国防发展的需要和预测提出设计研制提出设计研制 新潜水器的概念新潜水器的概念，再通过在有关技术部门或论证研究中，再通过在有关技术部门或论证研究中 心进行研究论证的基础上，考虑到国际和国内的技术条心进行研究论证的基础上，考虑到国际和国内的技术条 件提出潜水器的件提出潜水器的设计设计( (技术技术) )任务书任务书。 水下机器人的总体布置水下机器人的总体布置 一般的设计一般的设计( (技术技术) )任务书包括：任务书包括： 使命任务。使命任务。 主要装备和人员配置。主要装备和人员配置。 排水量和主尺度排水量和主尺度( (给出排水量和主尺度的控制数值，对于以水面或给出排水量和主尺
4、度的控制数值，对于以水面或 水下船舶为运载手段或基地的潜水器尤其重要水下船舶为运载手段或基地的潜水器尤其重要) )。 主要技术性能主要技术性能( (航速、续航力、自持力、航行海区、最大下潜深度航速、续航力、自持力、航行海区、最大下潜深度 及工作深度、航行状态等及工作深度、航行状态等) )。 主要设备、装置和系统主要设备、装置和系统( (有时往往还可能规定一些机电设备和导航有时往往还可能规定一些机电设备和导航 设备的型号和要求设备的型号和要求) )。 使用条件：使用条件： 环境条件：海区、海情、盐度、透明度、温度和密度梯度等。环境条件：海区、海情、盐度、透明度、温度和密度梯度等。 后勤保障条件：
5、母船、起吊回收方式，运输、运载方式以及储后勤保障条件：母船、起吊回收方式，运输、运载方式以及储 存方式。存方式。 使用要求使用要求( (观察能力、作业能力和水下抗水流能力；潜水员水下出观察能力、作业能力和水下抗水流能力；潜水员水下出 入能力；水下对接和人员物质干转移能力等入能力；水下对接和人员物质干转移能力等) )。 水下机器人的总体布置水下机器人的总体布置 方案设计方案设计又称可行性设计。通常是又称可行性设计。通常是为了满足设计任务书而进行方为了满足设计任务书而进行方 案的比较和分析的研究工作。案的比较和分析的研究工作。 在方案设计的初始在方案设计的初始 阶段，设计师首先必须阶段，设计师首先
6、必须 在分析设计任务书的各在分析设计任务书的各 项要求基础上提出实施项要求基础上提出实施 步骤，同时运用计算机步骤，同时运用计算机 辅助设计的现有程序进辅助设计的现有程序进 行潜水器多方案的设计行潜水器多方案的设计 要素估算和分析比较，要素估算和分析比较， 评价任务书各项要求的评价任务书各项要求的 可行性和经济性，最后可行性和经济性，最后 可以得出一个或几个可可以得出一个或几个可 行的设计方案。行的设计方案。 水下机器人的总体布置水下机器人的总体布置 初步设计初步设计 是在方案设计的基础上，当设计方案通过某种形式确定下来后进行的。是在方案设计的基础上，当设计方案通过某种形式确定下来后进行的。
7、因为在这个阶段中，因为在这个阶段中，潜水器的主要性能和特性都要被最后确定潜水器的主要性能和特性都要被最后确定。由于方。由于方 案设计已被确认，因此近似的船体特性、推进系统、操纵控制方式和各案设计已被确认，因此近似的船体特性、推进系统、操纵控制方式和各 重要的分系统都已被确定并经批准。重要的分系统都已被确定并经批准。所以所以设计师在这阶段中就要绘制潜设计师在这阶段中就要绘制潜 水器最基本的图纸水器最基本的图纸。将方案设计的图纸进行比例放大，。将方案设计的图纸进行比例放大，绘制型线图，修绘制型线图，修 改总布置草图，进行静水力和重量研究改总布置草图，进行静水力和重量研究，同时进行，同时进行流体方面
8、的静力和动流体方面的静力和动 力试验力试验( (包括阻力、推进、操纵和适航性试验包括阻力、推进、操纵和适航性试验) )；并进行；并进行航速和续航力，航速和续航力， 动力负荷以及稳性估算和研究动力负荷以及稳性估算和研究；同时；同时应用入级规范和标准进行检验应用入级规范和标准进行检验，确，确 保其保其安全性安全性。 水下机器人的总体布置水下机器人的总体布置 技术设计技术设计 在国外又叫合同设计。在初步设计的基础上，在在国外又叫合同设计。在初步设计的基础上，在 设备研制和课题研究取得初步结果的情况下，进行技设备研制和课题研究取得初步结果的情况下，进行技 术设计。术设计。其目的就是把初步设计发展成可供
9、制造厂或其目的就是把初步设计发展成可供制造厂或 承包商遵循或投标使用的图纸和基本技术文件承包商遵循或投标使用的图纸和基本技术文件( (包括潜包括潜 水器的主要图纸、总说明书、计算说明书以及主要的水器的主要图纸、总说明书、计算说明书以及主要的 试验研究报告试验研究报告) )。它们是设计的最终技术文件。它们是设计的最终技术文件。就潜水就潜水 器设计而言，以技术设计结束而告完成。器设计而言，以技术设计结束而告完成。 水下机器人的总体布置水下机器人的总体布置 施工设计施工设计 根据技术设计提供的图纸和文件，结合建造厂根据技术设计提供的图纸和文件，结合建造厂 的设备条件和加工工艺特性，的设备条件和加工工
10、艺特性，设计施工图纸和主要设计施工图纸和主要 工装工装，并编制潜水器系泊试验和航行试验大纲，设并编制潜水器系泊试验和航行试验大纲，设 备的验收和安装试验要求等文件。施工设计通常由备的验收和安装试验要求等文件。施工设计通常由 制造厂来完成制造厂来完成，对于小型潜水器也可以由设计单位，对于小型潜水器也可以由设计单位 来完成。来完成。 潜水器系统的特点潜水器系统的特点 涉及学科面广涉及学科面广 技术密集度高技术密集度高 要求设计师具有基要求设计师具有基 础扎实的专业知识础扎实的专业知识 船舶系统船舶系统 流体力学流体力学 固体力学固体力学 微电子学微电子学 计算机计算机 材料材料 动力能源动力能源
11、人工智能人工智能 控制论控制论 人机系统人机系统 水声水声 水下机器人水下机器人设计的成败，设计的成败， 很大程度上很大程度上取决于设计师的知取决于设计师的知 识和他运用自己经验的广度和识和他运用自己经验的广度和 深度。深度。设计程序的指导往往取设计程序的指导往往取 决于新旧潜水器之间的相似程决于新旧潜水器之间的相似程 度以及可以利用的大量相近潜度以及可以利用的大量相近潜 水器的资料和数据。有经验的水器的资料和数据。有经验的 设计师善于利用各系统相似与设计师善于利用各系统相似与 不相似特性来不相似特性来明确自己的修改明确自己的修改 方向方向，就能成功地得到新设计，就能成功地得到新设计 潜水器的
12、初步概念，包括潜水器的初步概念，包括必要必要 的非常精确的尺度和性能特征的非常精确的尺度和性能特征。 实际的设计程序就是从这些初实际的设计程序就是从这些初 步概念出发不断反复修正的逐步概念出发不断反复修正的逐 步近似过程。步近似过程。 在一般情况下，潜水器系统的造价正比于潜水器在一般情况下，潜水器系统的造价正比于潜水器 的大小与重量。所以潜水器设计的目标往往可以归结的大小与重量。所以潜水器设计的目标往往可以归结 为：为：在满足设计任务书要求的前提下，设计一艘排水在满足设计任务书要求的前提下，设计一艘排水 量与主尺度最小，技术性能最优的潜水器。量与主尺度最小，技术性能最优的潜水器。 水下机器人的
13、总体布置考虑的因素水下机器人的总体布置考虑的因素 最大程度发挥装置与仪器的使用性能最大程度发挥装置与仪器的使用性能 便于使用、存放与维修便于使用、存放与维修 安全可靠安全可靠 布置紧凑（便于操作的同时避免相互干扰）布置紧凑（便于操作的同时避免相互干扰） 备用空间备用空间 水下机器人形体的选择水下机器人形体的选择 推力器的数量与布置推力器的数量与布置 机械手、电视与照明装置的布置机械手、电视与照明装置的布置 水下机器人的总体布置的内容水下机器人的总体布置的内容 水下机器人的形体的选择水下机器人的形体的选择 开架式开架式 VS 流线体流线体 水下机器人的推力器布置水下机器人的推力器布置 推进推进
14、100% 横移横移 31% 转艏转艏 100% 升沉升沉 96% 纵倾纵倾 7% 横倾横倾 33% 水下机器人的推力器布置水下机器人的推力器布置 水下机器人的推力器布置水下机器人的推力器布置 水下机器人的作业工具布置水下机器人的作业工具布置 水下机器人的作业工具布置水下机器人的作业工具布置 水下机器人的设计方法水下机器人的设计方法 母型设计法母型设计法 逐渐近似法逐渐近似法 方案法方案法 系统法系统法 水下机器人水下机器人与一般水面排水船的差别：支承船舶重量的与一般水面排水船的差别：支承船舶重量的 静水力静水力( (浮力浮力) )可以由吃水变化进行调节，所以对重量和容量可以由吃水变化进行调节，
15、所以对重量和容量 要求并不那么敏感。要求并不那么敏感。而而水下机器人水下机器人则要求静水力则要求静水力( (浮力浮力) )和重和重 量的严格平衡。量的严格平衡。 水下机器人的重量特征水下机器人的重量特征 潜水器设计的一个重要目标就是要使潜水器在完成使潜水器设计的一个重要目标就是要使潜水器在完成使 命任务的前提下达到排水量最小，因为潜水器的造价及操命任务的前提下达到排水量最小，因为潜水器的造价及操 作费用往往与潜水器的排水量大小直接有关。作费用往往与潜水器的排水量大小直接有关。 潜水器各个部分的重量和容积可以分类为：潜水器各个部分的重量和容积可以分类为： 有效载荷 耐压体 非耐压体 观通导航设备
16、 动力设备 机械装置 浮力材料 UU VP , CC VP , LCLC VP , II VP , EE VP , MM VP , BB VP , 潜水器的排水量为： BMEILCCU PPPPPPPW 总的浮容积为： BMEILCC VVVVVVV 为了保证潜水器的平衡，应该使VW 所以，可有 B B M M E E I I LC LC C C i PPPPPP V W V 1 2 由公式 1，可得： )( MEILCCUB PPPPPPWP 由公式 2，可得：)( M M B E E B I I B LC LC B C C BB B PPPPPWP 3 4 由公式 3 = 公式 4，就得到： U M B M E B E I B I LC
