小型海洋航行器设计制造研究开题报告

目前世界各国经济都在迅速发展，世界人口不断增多，人类对自然资源的消耗也越来越多。地球上有大约71%的面积被海洋覆盖，海洋不仅为人类提供航运、水产，还蕴藏着丰富的矿产和巨大的能量，海洋是一片人类尚未开发的宝地。21世纪是开发海洋的世纪，世界各国对于海洋资源的争夺与开发，已经在国际大舞台上缓缓拉开了帷幕，而对于海洋资源的开发更是一项长远的计划。据统计，蕴藏在海洋中的石油、天然气及各种稀有金属等工业发展所必须的资源在海洋中的储量是陆地的几倍甚至几十倍，因此，更有效地开发利用海洋资源对人类未来生存和发展具有十分重要的意义。发展认识海洋、开发海洋需要的各种高技术手段，已成为建设海洋强国、捍卫国家安全以及实现可持续发展的必然要求。由于水下机器人能够在水下进行观察、摄像、打捞和施工作业，因此在海洋开发中得到广泛的应用：在民用方面，海洋开发行业逐步兴起，使得水下修理技术不断完善起来，特别是水下修理平台和水下机器人的迅速开发，使得水下修理技术有了阶段性的飞跃。在国外，水下检测修理技术已逐渐发展成为一门日趋成熟的技术，并且仍在不断的扩大着应用范围，在船舶修理方面能解决的问题包括有：故障部位钢板的焊接、切割或更换，船舶水线以下部位的清洗、除锈、涂装，水下装置的修理或更换等多个方面。在军事方面，水下机器人很早就用于侦察、监听等军事目的，美国海军正在研发组建世界第一支水下无人舰队。其九项功能分别为：无人侦察；部署能够发现和摧毁敌军水雷的无人作战系统；作为水下运载工具；执行反潜作战任务；反恐，防范可能从海上发起的针对美国的恐怖袭击；承担通讯和导航任务；进行电子战，干扰敌军通信网；作为诱饵，猎杀敌方潜艇；进行远程火力攻击。

因此设计自主式小型海洋行器可以通过控制系统，抵达预定地点，并完成相应的任务。在民用领域，可以用于海底考察、数据收集、环境监测等。在军用领域，可以用于侦察，扫雷，水下作业等军事任务。本次设计的目的是对小型还航行器进行设计合理的结构，通过海洋航行器的两翼作为波浪能转化装置将波浪能转化为自主式小型海洋航行器的动力，实现在持续在海洋中运作，不需要上岸蓄能。

[1]目前关于海洋航行器AUV的发展状况以及研究的方向：

小型化:随着相关技术的发展,微型仪器和计算机的出现,使得小型化的AUV成为可能,不但可以执行巡航观察、狭窄区域安全监视、侦察、搜索等任务,而且便于携带、操作方便、价格低廉,国内外已经不少国家都在研制这种超小型化的AUV。

混合式:将来出现的不只是标准的AUV,将会看到混合的AUV/ROV出现。因为目前电动ROV的数量在不断地增加,它们将会提高系统的可靠性并最终提供可以为AUV所用的组件,因此近海石油和天然气工业中将会出现ROV和AUV的整合后的混合AUV。

群体化:随着水下机器人应用的增多,将会出现多个AUV的协同作业,共同完成复杂的任务。如地面的网络系统一样,大范围的AUVs水下网络将实现,它的出现可以显著提高AUV的包括海洋采样、成像、监视和通信在内众多应用方面的能力,2003年8月EdwardFiorelli等在蒙特里海湾进行了多个AUV的互相协作的研究演示实验。

远程化:随着要求调查范围的扩大,要求AU能够进行远程作业,使其活动范围达到250nm～5000nm,如美国所研制的UARS和OdysseyⅡ都是大范围的AUV,同时正为ALTEX(AtlanticLayerTrackingExperiment)计划研制航程为1000km的AUV。

智能化:在控制和信息处理系统中,采用图像识别、人工智能技术、大容量的知识库系统,以及提高信息处理能力和精密导航定位的随感能力等。待这些技术得到解决后,AUV将成为名符其实的海洋智能机器人。

商业化:由于AUV技术的成熟和不断的推广,以及在石油和天然气等海洋工程开发方面的需要,AUV将会进入商业化的阶段,正如圣迭戈SPAWAR系统中心的RbotertL.Wernli所说:“内空间的竞赛已经开始,看谁能在未来以十亿美元计的市场上得到第一笔奖金”。

国内外发展现状

近些年来，世界各国的海洋研究机构都加快了水下机器人研制的步伐，其中美国、法国、德国、挪威等国家居于技术领先地位。自主水下航行器依靠螺旋桨推进，舵系控制姿态和航向，主要采用电驱动，电力来源主要是自带蓄电池、太阳能发电装置、波浪能发电装置，还有一些仿生类的AUV。由于AUV在军事和科学研究方面的重要性,在过去的十年中,全世界大约有60个AUV研制计划,并建造了大约200个AUV(大部分为实验用),但是随着技术的成熟和近海工业发展的需要,商业用途的AUV也开始出现,并且在不断地发展和壮大。由于AUV在军事方面应用的重要性,各国都在不断地研究各种先进的AUV来增强国防实力,它在军事方面的应用主要包括水下搜索、监视、侦察、猎雷、作战海洋学、通信、导航、反潜作战等。美国应用在军事上AUV的数量在不断增多,国内有众多的研究机构如WHOI、MBARI、MIT等,研制了大量的AUV其中包括“短期水雷侦察系统”(Near-TermMineReconnaissance,NMRS)、“长期水雷侦察统”(Long-TermMineReconnaissanceSystem,LMRS)和REMUS等,研究的范围从超小型的SHARV到DARPA的大型的无人水下潜器(UmannedUnderwaterVehicle,UUV)。挪威国防研究机构(FFI)在1990年早期制定了一个连续长期的军用AUV发展计划,它所开发的AUV主要有HUGIN系列如HUGINⅠ、HUGIN3000、HUGIN1000和HUGINMRS等,挪威皇家海军(RNoN)已经用其进行了多次的猎雷演示实验。法国、俄罗斯等国家也在军用AUV方面做了大量的研究工作。由于AUV对认识、研究和开发海洋有重要的意义,在学术界也对AUV进行了大量的研究工作,国外有关AUV学术讨论会,专题研讨会和各种出版物有很多。美国有AUV年会和大学中每年一度的AUV竞赛等,在科学考察和海洋研究方面有大量的AUV,如ABE(WHOI)、OceanExplorerII(佛罗里达州大西洋大学)等。日本在AUV的研究方面也取得巨大的成绩,用于海洋调查的有R1Robot、TWINBUGRGER和URASHIMA等,还有计划建造能到达世界上最深的海沟-马里亚纳海沟的AUV。中国用于科学考察的有OKPO-6000有CR01和CR02,韩国用于科学活动和研究用的分别为OKPO6000和VORAM、SAUV。欧洲各国、俄罗斯、加拿大等各国也开展了大量的工作。目前AUV已经从研究和开发的阶段,通过操作演示进入到商业开始介入的时期,AUV正处于商业可接受曲线的顶点。众多的调查示AUV有着巨大的市场需求,包括近海工程、军方和学术界。目前世界上已经有许多的公司和研究机构生产销售商业用途的AUV,其中有MaridanA/S(丹麦),KongsbergSimrad(挪威),Bluefin机器人公司(英国),ISE研究有限公司(加拿大)等,像KongsbergSimrad已经出售给NUIAS公司一艘HUGINⅡ,出售给CC技术有限公司和ASGeocousult各一个HUGIN3000AUV。同时已有许多的公司拥有商业用途的UV,并且这些AUV在商业应用也中发挥了重要的作用,例如到目前为止CC技术有限公司的AUV在全球范围内已经进行了超过60000km的海底调查,Kokusai海洋工程公司所的AQUAEXPLORER2成功地对台湾海峡内超过400km的埋地电缆进行了检查。随着AUV在军事和科学研究领域不断进步,加上商业方面应用的介入,AUV将会有着光明的发展前景。

以下是国内外研成果：

国内发展现状

在世界各国研究AUV如火如荼时候，我国才开始起步研究，但是这种研究也仅仅集中在少数高校和研究所中。

到九十年代，沈阳自动化所在1994年和1995年分别与国内的中科研声学所、中船重工702所还有几所重点高校和俄罗斯科学院海洋技术研究所合作研发了“探索者”号和CR-01。CR-01型AUV主要是为了用于对矿产资源的勘测和开发。

2008年3月CR-02型AUV6000米深海试验成功，标志着中国在自主式水下航行器技术和应用方面实现新的跨越，达到世界先进水平CR-02型AUV的本体长4.5米，直径0.8米，最大工作深度与CR-01一样，6000米，续航达25小时，定位精度小于20米，长基线声纳定位系统作用距离为10-12千米，剖面仪地层穿透深度达50米。R-02型AUV主要用于国际海底复杂环境下的海底矿产资源调查、作业海区现场海洋环境的测量、深海采矿场所的前期和后期调查、在某些特殊情况下还可作为定点调查设备使用，也可以应用于失事舰船调查和深海科学考察。

[2]下面这两款水下轻型机器人分别为天津大学机械工程学院和中科院沈阳自动化所研制，并且分别在2005年下半年湖试获得成就。

国外发展现状

美国伍兹霍尔海洋研究所研制的AUV“半自主水文侦察潜水器”(SAHRV，见图1.1)，供海军特种作战部队使用，以完成某些现在由潜水员完成的任务。它在空气中的质量为36.5kg，尺寸1.6m×0.19m，传感器可搜集3－150m水深中的声纳、深度及环境数据，特别是3－60m水深中的目标。

WoodsHole海洋研究所开发的两款水下航行器REMUS与ABE同属于信息AUV。REMUS作为“远程环境监控单元”用来执行海洋监测任务。AUV长1.33米,中间最宽处0.19米,重量不足30千克,在众多AUV里属于小巧灵活的类型。ABE体积较大可携带更多的能源和设备,其特点是船体由三部分组合而成,可在水中完全悬停以进行海底观察、地形勘测等活动,该AUV还具备自动回坞功能。

日本在海洋开发探测领域一直走在世界前列,09年由东京大学主持开发建造的Kaiko无人水下航行器,已经可以下潜到世界上最深的海底。

其他还有通用动力公司和雷声公司研制的用于探测水雷的XP-21,德国STN公司研发的使用像缩微燃料电池和碳纤维增强塑料的深海C(DeepC),英国研发的用来搜集海洋数据的AUV“海豚”(Dolphin)。

法国海洋开发研究所开发的“EPAULARD”号无人航行器。

韩国大宇公司旗下的船舶海洋研究与俄罗斯海洋研究所共同研发的OKPO-6000等等。

基本内容

第一，利用软件进行小型海洋航行器的结构设计，按照小型海洋航行器的要求进行计算，算出壳体需要耐受的海水压力强度，对小型海洋航行器的进行材料选择。设计小型海洋航行器的外形结构。

第二，设计小型海洋航行器的波浪能转化装置，对航行器的两翼进行设计，通过计算得出可以最充分吸收波浪能转化为电能的两翼的结构，设计相应的内部转化装置。

目标

目的是设计航行器相应的结构以及材料强度选择，可以满足小型海洋航行器预定的深度所承受的海水的压力。研究其波浪能转化装置的技术，实现可以不用上岸持续运转。选择的动力系统需要较高的耐久度可以减少小型海洋航行器出现故障的次数。

拟用的方案措施

本次小型海洋航行器的设计主要采用波浪能转化装置，将波浪能转化为小型海洋航行器的源源不断的能源。首先根据小型海洋航行器的需求进行结构设计，包括其尺寸，材料的选择。文章的重点是利用两翼作为小型海洋航行器的波浪能发电装置，两翼的外形设计需要经过严格计算，得到波浪能发电的最优解。

(1)重点设计外壳，根据航行器将来工作的需要，计算航行器所需要耐受的压力并进行材料的选择。

(2)航行器结构的设计，并进行航行器的密封性设计。

(3)设计两翼作为波浪能转化装置。在海水中两翼随着海水波动，将海水的能量储存到机械弹簧中，弹簧中的能量直接使用或者二次转化为电能。

第一、三周（2月25日至3月11日）确定论文选题，收集课题有关资料，对课题进行详细的了解分析，查看大量的文献。进行英文翻译，在老师的指导下，完成论文开题报告，填写毕业论文任务书。

第三、四周（3月12日至3月26日）大量收集论文资料，理清论文思路，将关于论文的想法与导师进行交流，根据导师的建议和自己的分析理解，发现论文构思的不足之处，对论文思路进行完善。

第五、六周（3月27日至4月10日）正式开始论文工作，撰写中英文摘要，阐述论文写作背景和选题所要解决的问题，并基本构造好论文总体框架。

第七、八周（4月11日至4月24日）在查阅大量文献，运用多种研究方案，并加之认真思考创作的基础上，基本完成初稿。

第九、十周（4月25日至5月9日）将初稿完善交由导师审阅，提出修改建议。第十一周至毕业论文工作结束（5月10日至6月10日）根据学院的进度安排，在导师的指导下完成论文初稿修改，经过反复修改，形成终稿，装订成册上交学院，同时为毕业论文答辩做准备工作。

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