大学生创新性实验计划项目申请书-水翼潜水机器人平台

-1大学生创新性实验计划项目申请书项目编号项目名称水翼潜水机器人平台项目主持人联系电话所在学院机电工程学院学 号专业班级指导教师E-mail 申请日期起止年月中南大学填 写 说 明1本申请书所列各项内容均须实事求是，认真填写，表达明确严谨，简明扼要。2申请人可以是个人，也可为创新团队，首页只填主持人，均为参加项目的学生。“项目编号”一栏不填。3本申请书为大十六开本（A4），左侧装订成册。可网上下载、自行复印或加页，但格式、内容、大小均须与原件一致。4主持人所在学院认真审核, 经初评和答辩，签署意见后，将申请书（一式两份）报送中南大学创新办（一办319）。一、基本情况项目名称潜水机器人平台所属学科机电一体化申请金额20000元起止年月2009年7月2010年10月主持人性别男民族汉出生年月*联系宅： 手机:指导教师联系宅： 手机:主持人曾经参与科研的情况指导教师承担科研课题情况指导教师对本项目的支持情况项目组主要成员姓 名*专业班级所在学院项目中的分工二、项目研究的目的和主要研究内容目的：建立潜水探测机器人平台。开发一种既能高速水面追击，又能潜水侦查作业的机器人平台。研究内容：1、 高速水面航行水翼船原理。2、 整机气动、水动外形设计。3、 水面及水下航行原理设计。4、 动力系统及切换设计。5、 控制系统设计。6、 导航、遥控设计。工作原理如下图1、图2为设计原理三维图水面航行-水翼张开状态（初步）机器平台主体2自由度螺旋桨前水翼张开状态后水翼图1水面航行-水翼张开状态图1、 高速水面航行与水下潜行原理。水翼船为一种水面快速航行的新型水面航行器，靠向后喷水获得前进动力的船，速度可达100km/s以上,速度可达一般轮船的2到3倍，可实现快速追赶。并且整机体积小、重量轻，配上合适发动机，速度很容易提高。如上图1为水面航行水翼张开状态图当距离敌方轮船距离较近时，需要潜到水底进行作业，要求一定速度和方向控制灵敏。下图2为水下潜行的水下潜行水翼收拢状态图。 图2水下潜行-水翼收拢状态图下图3为水翼船航行时速度对自重和升力的效果分析2、 整机气动、水动外形设计。（1） 水翼船在水面航行，要求自重轻速度才可提高，根据空气动力学原理，参考飞机机翼、机身的结构，当速度达到较高时，机身产生足够的升力与自重抵消大部分，从而可以实现快速航行。（2） 水下航行提速设计，充分考虑流体动力学原理。减少潜行时的阻力根据气动外形分析水翼船速度，效果如下图3：3、 水面及水下航行原理设计。（1） 水面航行采用燃油发动机，速度快，长航时，尾部螺旋桨提供动力和控制方向；（2） 水下潜行，变换动力，采用电池供电，三个螺旋桨同时工作，可灵活控制航速和航向。4、 动力系统及切换设计。燃油发动机与电池电机的动力切换，控制设计。5、 控制系统设计。速度、航向调节、摄像头障碍监测与避障控制。下图为速度、航向调节初步控制原理图。三、国内、外研究现状和发展动态水翼船，1891年，法国人拉贝尔特首先提出在船底艏艉端安装水翼的设计。1919年，加拿大人贝尔制造出第一艘水翼船。我国在1958年起步进行水翼船的研究，并于1960年设计建造了国内第一艘长江水翼船。随后我国又设计出长江“水翼二号”、小型自稳式水翼船“飞鱼号”、自控水翼船“北星号”。20世纪末，全世界已有水翼船1000多艘，其中苏联拥有800多艘，主要作为内河、湖泊、沿海的高速客船。在军用方面，美国、苏联和欧洲一些国家把水翼船作为导弹快艇，鱼类快艇，并发展为能携带直升飞机的反潜舰艇。现今存在的水翼船大多不超过一千吨，并以近海航行为主。跟其他的高速舰艇技术相比，水翼船（主要是全浸型）的主要优点是能够在恶劣海情下航行，船身的颠簸较少。而且高速航行时所产生的兴波较为少，对岸边的影响较低。缺点主要在制造大型的水翼船、或进一步提高速度，目前还存有技术困难。水翼所能提供的浮力与长度成平方关系，但是船的重量却与长度成立方关系。故此制造更大型的水翼船存在一定的难度。要进一步提高速度，水翼在告诉下会产生气泡的问题亦需要解决。此外全浸式水翼的结构及控制较为复杂，亦令成本上涨。水翼船使用燃气引擎花费燃料较多亦是商业运作上的考虑之一。近年来，美国的萧忠镇，日本的宫崎国男，国内的黄文章，蓝少雄和周洪斌等人，分别针对结构设计或控制系统进行了水翼船的设计。无人遥控潜水器，也称水下机器人。它的工作方式是。由水面母船上的工作人员，通过连接潜水器的脐带提供动力，操纵或控制潜水器，通过水下电视、声呐等专用设备进行观察，还能通过机械手，进行水下作业。目前，无人遥控潜水器主要有，有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆避控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。特别是近10年来，无人遥控潜水器的发展是非常快的。从1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘。特别是l974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90以上是直接；或间接为海洋石油开采业服务的。1988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，猛增到958艘，比1981年增加了110。这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，大约为800艘上下，其中420余艘是直接为海上池气开采用的。无人无缆潜水器的发展相对慢一些，只研制出26艘，其中工业用的仪8艘，其他的均用于军事和科学研究。另外，载人和无人混合理潜水器在这个时期也得到发展，已经研制出32艘，其中28艘用于工业服务。目前综合水翼船与无人操作潜水机器人的研究设计很少，还没有非常成熟的产品。四、项目的创新点和特色创新点：1、 概念创新本机器人集水面航行水翼船、水下潜行、满足空气动力学的机翼外形于一身。同时连接了船、潜艇、飞机三个概念，属于边缘机械。2、 结构创新动力外形结构满足空气动力学、流体动力学原理且曲线具有艺术美感，可折叠前水翼巧妙实现了水面快速航行和水下潜行两种状态的转换，简单而实用。3、 工艺创新本机器人平台制作需制作磨具铺贴，体积小，可用木头制作模型翻模然后选用廉价符合材料铺贴，然后机体喷流线型动感漆色，制造出来轻便、结实而美观。4、 原理创新水面航行和水下潜行两种工作状态的动力切换，燃油发动机与电池电极的转换使本机器人平台具有双动力驱动，自然而巧妙。特色： 本水翼潜行机器人平台跨多个学科，新颖而具有较深的科技含量，基本原理简单，比较容易达到预期航行效果，其应用价值及其广泛，可用于检测水下工作情况，可用于军事侦察、采集样本等多种场合。五、预期成果和拟解决的关键问题预期成果：1、 作品样机由于目前工作原理及三维设计基本完成，半年内可完成样机的试制，完成后可到湘江进行试机检验，完成水上航行及水下潜行功能。可调试安装摄像头，试行拍摄。2、 论文通过对水翼船及潜艇、飞机飞行原理的学习和应用，发表相关论文。3、 专利完成设计及样机试制后，可申请相关的发明或实用新型专利，进行专利保护及专利转让，选择核心及有价值技术应用到相关领域，真正实现其价值。4、 比赛获奖样机试制后，可参加各种创新性大赛，争取获得机械设计及挑战杯相关奖项拟解决的关键问题：1、 水翼船水面航行状态航行速度的提升。如何尽量提高水翼船航行状态，达到120甚至更高是一个值得研究和实验的题目，通过对空气动力学、流体动力学及飞机机翼的研究，设计出一款能够在水面快速航行的航行器。2、 水翼船与水下航行的转换水面航行于水下潜行属于两个不同的领域，如何巧妙、平稳的完成切换是一个需要实际试验才能完成的问题。3、 精准远程控制目前市场上的远程控制器很多，10公里控制器价格2000元左右，如何调试既能准确完成水面控制又能完成精准水下控制是一个很值得研究的问题。六、项目研究进度安排目前已完成初步设计，大体设计原理和思想已经经过团队成员反复讨论和斟酌。1、2009年6月7月完善方案2、2009年7月9月细节设计确定方案3、2009年9月10月外购件购买4、2009年10月11月主机磨具制作5、2009年11月12月其他部件加工6、2009年12月2010年1月完成装配7、2010年1月2010年2月试验、调试8、2010年2月2010年4月改进、完善8、2010年5月 验收，完工七、已有基础1. 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩 （1）基本原理已设计完成 （2）速度和方向控制系统设计已完成（3）相关领域参考资料已非常丰富（4）开发整机的磨具制作方案已基本定型（5）外购件型号大体定型，发动机及螺旋桨型号基本定型。（6）论文方向大体已找到，相关领域论文研究方向已经过学习和消化。（7）外协加工厂家已联系好，制作装配车间具备。（8）相关领域专家库已找到，已向相关专家请教并讨论过设计原理和方案。2. 已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法（1）研发团队（2）外协加工单位 （3）设计原理三维图、控制原理图初步方案已完成 （4）磨具加工、开模方案已有初步设计。 （5）需采购外购件主要配件已经过选型。尚缺少的条件：（1） 缺少启动资金（2） 缺少加工、装配工具（3） 缺少学校相关实验条件支持八、经费预算开支科目 预算金费（元）主要用途 阶段下达经费计划（元）前半阶段后半阶段预算经费总额20000加工制作150005000机械加工5000机械加工、磨具及铺贴材料40001000动力装置5000发动机、电池、螺旋桨40001000控制导航系统5000控制系统、导航系统、摄像头40001000工具3000机械工具、电器工具2500500论文、专利等2000论文发表、专利申请费用1500500学校批准经费九、指导教师意见签字： 日期： 十、二级学院大学生创新性实验计划专家组意见 负责人签字： （盖章） 日期：十一、学校大学生创新性实验计划专家组意见 负责人签名： （盖章） 日期： 十二、大学生创新性实验计划领导小组审批意见 负责人签名： 日期： . z.