大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目申請書-水翼潛水機器人平臺

1、.1大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目申請書項目編號項目名稱水翼潛水機器人平臺項目主持人聯(lián)系電話所在學院機電工程學院學 號專業(yè)班級指導教師E-mail 申請日期起止年月中南大學填 寫 說 明1本申請書所列各項內(nèi)容均須實事求是，認真填寫，表達明確嚴謹，簡明扼要。2申請人可以是個人，也可為創(chuàng)新團隊，首頁只填主持人，均為參加項目的學生。“項目編號”一欄不填。3本申請書為大十六開本（A4），左側(cè)裝訂成冊。可網(wǎng)上下載、自行復印或加頁，但格式、內(nèi)容、大小均須與原件一致。4主持人所在學院認真審核, 經(jīng)初評和答辯，簽署意見后，將申請書（一式兩份）報送中南大學創(chuàng)新辦（一辦319）。一、基本情況項目名稱潛水機器人平臺所屬學

2、科機電一體化申請金額20000元起止年月2009年7月2010年10月主持人性別男民族漢出生年月學號聯(lián)系宅： 手機:指導教師聯(lián)系宅： 手機:主持人曾經(jīng)參與科研的情況指導教師承擔科研課題情況指導教師對本項目的支持情況項目組主要成員姓 名學號專業(yè)班級所在學院項目中的分工二、項目研究的目的和主要研究內(nèi)容目的：建立潛水探測機器人平臺。開發(fā)一種既能高速水面追擊，又能潛水偵查作業(yè)的機器人平臺。研究內(nèi)容：1、 高速水面航行水翼船原理。2、 整機氣動、水動外形設計。3、 水面及水下航行原理設計。4、 動力系統(tǒng)及切換設計。5、 控制系統(tǒng)設計。6、 導航、遙控設計。工作原理如下圖1、圖2為設計原理三維圖水面航行-

3、水翼張開狀態(tài)（初步）機器平臺主體2自由度螺旋槳前水翼張開狀態(tài)后水翼圖1水面航行-水翼張開狀態(tài)圖1、 高速水面航行與水下潛行原理。水翼船為一種水面快速航行的新型水面航行器，靠向后噴水獲得前進動力的船，速度可達100km/s以上,速度可達一般輪船的2到3倍，可實現(xiàn)快速追趕。并且整機體積小、重量輕，配上合適發(fā)動機，速度很容易提高。如上圖1為水面航行水翼張開狀態(tài)圖當距離敵方輪船距離較近時，需要潛到水底進行作業(yè)，要求一定速度和方向控制靈敏。下圖2為水下潛行的水下潛行水翼收攏狀態(tài)圖。 圖2水下潛行-水翼收攏狀態(tài)圖下圖3為水翼船航行時速度對自重和升力的效果分析2、 整機氣動、水動外形設計。（1） 水翼船在水

4、面航行，要求自重輕速度才可提高，根據(jù)空氣動力學原理，參考飛機機翼、機身的結構，當速度達到較高時，機身產(chǎn)生足夠的升力與自重抵消大部分，從而可以實現(xiàn)快速航行。（2） 水下航行提速設計，充分考慮流體動力學原理。減少潛行時的阻力根據(jù)氣動外形分析水翼船速度，效果如下圖3：3、 水面及水下航行原理設計。（1） 水面航行采用燃油發(fā)動機，速度快，長航時，尾部螺旋槳提供動力和控制方向；（2） 水下潛行，變換動力，采用電池供電，三個螺旋槳同時工作，可靈活控制航速和航向。4、 動力系統(tǒng)及切換設計。燃油發(fā)動機與電池電機的動力切換，控制設計。5、 控制系統(tǒng)設計。速度、航向調(diào)節(jié)、攝像頭障礙監(jiān)測與避障控制。下圖為速度、航向

5、調(diào)節(jié)初步控制原理圖。三、國內(nèi)、外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)水翼船，1891年，法國人拉貝爾特首先提出在船底艏艉端安裝水翼的設計。1919年，加拿大人貝爾制造出第一艘水翼船。我國在1958年起步進行水翼船的研究，并于1960年設計建造了國內(nèi)第一艘長江水翼船。隨后我國又設計出長江“水翼二號”、小型自穩(wěn)式水翼船“飛魚號”、自控水翼船“北星號”。20世紀末，全世界已有水翼船1000多艘，其中蘇聯(lián)擁有800多艘，主要作為內(nèi)河、湖泊、沿海的高速客船。在軍用方面，美國、蘇聯(lián)和歐洲一些國家把水翼船作為導彈快艇，魚類快艇，并發(fā)展為能攜帶直升飛機的反潛艦艇?，F(xiàn)今存在的水翼船大多不超過一千噸，并以近海航行為主。跟其他的高速

6、艦艇技術相比，水翼船（主要是全浸型）的主要優(yōu)點是能夠在惡劣海情下航行，船身的顛簸較少。而且高速航行時所產(chǎn)生的興波較為少，對岸邊的影響較低。缺點主要在制造大型的水翼船、或進一步提高速度，目前還存有技術困難。水翼所能提供的浮力與長度成平方關系，但是船的重量卻與長度成立方關系。故此制造更大型的水翼船存在一定的難度。要進一步提高速度，水翼在告訴下會產(chǎn)生氣泡的問題亦需要解決。此外全浸式水翼的結構及控制較為復雜，亦令成本上漲。水翼船使用燃氣引擎花費燃料較多亦是商業(yè)運作上的考慮之一。近年來，美國的蕭忠鎮(zhèn)，日本的宮崎國男，國內(nèi)的黃文章，藍少雄和周洪斌等人，分別針對結構設計或控制系統(tǒng)進行了水翼船的設計。無人遙控

7、潛水器，也稱水下機器人。它的工作方式是。由水面母船上的工作人員，通過連接潛水器的臍帶提供動力，操縱或控制潛水器，通過水下電視、聲吶等專用設備進行觀察，還能通過機械手，進行水下作業(yè)。目前，無人遙控潛水器主要有，有纜遙控潛水器和無纜遙控潛水器兩種，其中有纜避控潛水器又分為水中自航式、拖航式和能在海底結構物上爬行式三種。特別是近10年來，無人遙控潛水器的發(fā)展是非?？斓?。從1953年第一艘無人遙控潛水器問世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘。特別是l974年以后，由于海洋油氣業(yè)的迅速發(fā)展，無人遙控潛水器也得到飛速發(fā)展。到1981年，無人遙控潛水器發(fā)展到了400余艘，其中90以上是直接；或間

8、接為海洋石油開采業(yè)服務的。1988年，無人遙控潛水器又得到長足發(fā)展，猛增到958艘，比1981年增加了110。這個時期增加的潛水器多數(shù)為有纜遙控潛水器，大約為800艘上下，其中420余艘是直接為海上池氣開采用的。無人無纜潛水器的發(fā)展相對慢一些，只研制出26艘，其中工業(yè)用的儀8艘，其他的均用于軍事和科學研究。另外，載人和無人混合理潛水器在這個時期也得到發(fā)展，已經(jīng)研制出32艘，其中28艘用于工業(yè)服務。目前綜合水翼船與無人操作潛水機器人的研究設計很少，還沒有非常成熟的產(chǎn)品。四、項目的創(chuàng)新點和特色創(chuàng)新點：1、 概念創(chuàng)新本機器人集水面航行水翼船、水下潛行、滿足空氣動力學的機翼外形于一身。同時連接了船、潛

9、艇、飛機三個概念，屬于邊緣機械。2、 結構創(chuàng)新動力外形結構滿足空氣動力學、流體動力學原理且曲線具有藝術美感，可折疊前水翼巧妙實現(xiàn)了水面快速航行和水下潛行兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，簡單而實用。3、 工藝創(chuàng)新本機器人平臺制作需制作磨具鋪貼，體積小，可用木頭制作模型翻模然后選用廉價符合材料鋪貼，然后機體噴流線型動感漆色，制造出來輕便、結實而美觀。4、 原理創(chuàng)新水面航行和水下潛行兩種工作狀態(tài)的動力切換，燃油發(fā)動機與電池電極的轉(zhuǎn)換使本機器人平臺具有雙動力驅(qū)動，自然而巧妙。特色： 本水翼潛行機器人平臺跨多個學科，新穎而具有較深的科技含量，基本原理簡單，比較容易達到預期航行效果，其應用價值及其廣泛，可用于檢測水下工作

10、情況，可用于軍事偵察、采集樣本等多種場合。五、預期成果和擬解決的關鍵問題預期成果：1、 作品樣機由于目前工作原理及三維設計基本完成，半年內(nèi)可完成樣機的試制，完成后可到湘江進行試機檢驗，完成水上航行及水下潛行功能?？烧{(diào)試安裝攝像頭，試行拍攝。2、 論文通過對水翼船及潛艇、飛機飛行原理的學習和應用，發(fā)表相關論文。3、 專利完成設計及樣機試制后，可申請相關的發(fā)明或?qū)嵱眯滦蛯＠?，進行專利保護及專利轉(zhuǎn)讓，選擇核心及有價值技術應用到相關領域，真正實現(xiàn)其價值。4、 比賽獲獎樣機試制后，可參加各種創(chuàng)新性大賽，爭取獲得機械設計及挑戰(zhàn)杯相關獎項擬解決的關鍵問題：1、 水翼船水面航行狀態(tài)航行速度的提升。如何盡量提高

11、水翼船航行狀態(tài)，達到120甚至更高是一個值得研究和實驗的題目，通過對空氣動力學、流體動力學及飛機機翼的研究，設計出一款能夠在水面快速航行的航行器。2、 水翼船與水下航行的轉(zhuǎn)換水面航行于水下潛行屬于兩個不同的領域，如何巧妙、平穩(wěn)的完成切換是一個需要實際試驗才能完成的問題。3、 精準遠程控制目前市場上的遠程控制器很多，10公里控制器價格2000元左右，如何調(diào)試既能準確完成水面控制又能完成精準水下控制是一個很值得研究的問題。六、項目研究進度安排目前已完成初步設計，大體設計原理和思想已經(jīng)經(jīng)過團隊成員反復討論和斟酌。1、2009年6月7月完善方案2、2009年7月9月細節(jié)設計確定方案3、2009年9月1

12、0月外購件購買4、2009年10月11月主機磨具制作5、2009年11月12月其他部件加工6、2009年12月2010年1月完成裝配7、2010年1月2010年2月試驗、調(diào)試8、2010年2月2010年4月改進、完善8、2010年5月 驗收，完工七、已有基礎1. 與本項目有關的研究積累和已取得的成績 （1）基本原理已設計完成 （2）速度和方向控制系統(tǒng)設計已完成（3）相關領域參考資料已非常豐富（4）開發(fā)整機的磨具制作方案已基本定型（5）外購件型號大體定型，發(fā)動機及螺旋槳型號基本定型。（6）論文方向大體已找到，相關領域論文研究方向已經(jīng)過學習和消化。（7）外協(xié)加工廠家已聯(lián)系好，制作裝配車間具備。（8

13、）相關領域?qū)＜規(guī)煲颜业?，已向相關專家請教并討論過設計原理和方案。2. 已具備的條件，尚缺少的條件及解決方法（1）研發(fā)團隊（2）外協(xié)加工單位 （3）設計原理三維圖、控制原理圖初步方案已完成 （4）磨具加工、開模方案已有初步設計。 （5）需采購外購件主要配件已經(jīng)過選型。尚缺少的條件：（1） 缺少啟動資金（2） 缺少加工、裝配工具（3） 缺少學校相關實驗條件支持八、經(jīng)費預算開支科目 預算金費（元）主要用途 階段下達經(jīng)費計劃（元）前半階段后半階段預算經(jīng)費總額20000加工制作150005000機械加工5000機械加工、磨具及鋪貼材料40001000動力裝置5000發(fā)動機、電池、螺旋槳40001000控制導航系統(tǒng)50