水下机器人Tachyon的设计及实现ppt(共44页)
水下机器人的设计与控制
水下机器人的设计与控制一、水下机器人的概述水下机器人是一种可以在水下进行操作的机器人。
随着科技的发展，水下机器人在海洋资源开发、环境监测和海底科学研究等方面发挥着重要的作用。
水下机器人具有工作深度大、工作时间长、工作效率高等优点，因此越来越受到重视。
二、水下机器人的设计1.结构设计水下机器人的结构设计需要满足深度、耐腐蚀、水压以及机器人的性能等要求。
在结构设计时，需要考虑力学、流体力学、材料学等因素，以确保机器人的结构强度和稳定性。
2.动力系统设计水下机器人的动力系统设计主要包括电池、电机、传动系统等组成部分。
在设计时需根据机器人的使用需求确定动力系统的参数。
如机器人的工作深度、工作环境、工作时间等根据不同的需求选择不同的电池和电机等部件。
3.运动控制设计水下机器人的运动控制设计是指控制机器人在水下运动的能力和方式。
水下机器人运动控制设计应考虑环境因素和机器人自身条件。
运动控制设计需要控制机器人的方向和速度，并确保机器人能够保持平衡和稳定的运动。
4.通信与感知系统水下机器人通信设计应满足机器人的工作深度以及通信带宽等需求。
感知系统包括传感器和成像系统等。
传感器可以获取机器人周围环境的信息，成像系统可以为机器人提供清晰的水下图像，以便机器人的控制人员可以更好地了解机器人周围的环境。
三、水下机器人的控制1.机器人控制方式水下机器人的控制方式包括遥控控制、自主控制和半自主控制等方式。
遥控控制是指通过遥控手柄或者电脑等设备控制机器人的运动。
自主控制是指机器人根据预设的程序和算法来完成任务。
半自主控制则是在预设程序的基础上，控制人员可以对机器人进行一些简单的指令控制。
2.机器人控制算法水下机器人的控制算法包括模型预测控制、PID控制、神经网络控制等。
模型预测控制主要是通过对机器人的动力学和运动学建模，预测机器人的运动轨迹和状态，从而实现对机器人的控制。
PID控制是经典的控制算法，通过对机器人的错误信号进行比例、积分、微分处理，来实现对机器人的控制。
水下机器人的控制系统设计及实现
水下机器人的控制系统设计及实现第一章引言随着科技的进步，水下机器人在海洋勘探、救援、海底管道维护等领域扮演着越来越重要的角色。
而一个高效稳定的控制系统是水下机器人能够顺利完成任务的关键之一。
本文将重点介绍水下机器人控制系统的设计及实现。
第二章水下机器人的控制系统概述水下机器人的控制系统主要由感知模块、数据传输模块、控制器和执行机构四部分组成。
感知模块负责收集环境信息，数据传输模块将信息传输给控制器，控制器根据接收到的信息制定控制策略，并通过执行机构实现运动控制。
第三章感知模块设计与实现感知模块的主要任务是获取水下环境的相关信息，包括水温、水压、水质、水流速度等。
针对不同的任务需求，可以采用不同的传感器，如温度传感器、压力传感器、水质传感器和流速传感器等。
这些传感器将信息传输给控制系统的数据传输模块，为后续的控制策略制定提供准确的数据支持。
第四章数据传输模块设计与实现数据传输模块起着枢纽的作用，将感知模块收集到的信息传输给控制器，并将控制器制定的控制策略传输到执行机构。
传统的通信方式包括有线通信和无线通信，对于水下机器人而言，由于受到水的传输特性的限制，无线通信往往是首选。
可以使用声波、电磁波等方式进行数据传输，同时还需要考虑通信的稳定性和抗干扰能力。
第五章控制器设计与实现控制器是整个系统的核心，其负责根据感知模块和数据传输模块提供的信息制定控制策略，并将策略传输给执行机构。
控制器的设计主要包括传感器数据处理、控制策略制定和控制指令生成等三个方面。
其中，传感器数据处理过程中需要进行数据滤波、数据融合等处理，控制策略制定需要将感知信息与任务要求进行匹配并确定最优策略，控制指令生成则需要根据策略生成具体的指令。
第六章执行机构设计与实现执行机构主要实现控制器制定的控制策略，包括机械臂、推进器等。
机械臂用于完成需要进行物体抓取、搬运等操作的任务，推进器用于水下机器人的运动控制。
执行机构的设计和选型需要考虑机械结构的稳定性、推进力的大小和方向控制等因素。
水下机器人的设计与控制技术
水下机器人的设计与控制技术随着科学技术的不断发展，人们越来越能够深入海底进行研究和勘测，而水下机器人作为海洋工程的重要工具，也得到了越来越广泛的应用。
水下机器人具有适应海底环境的能力，并可以完成深海探测、资源开发、环境监测等任务，因此水下机器人成为了人类探索海洋深处的重要利器。
本文将介绍水下机器人的设计和控制技术。
一、水下机器人的组成水下机器人主要由多个部分组成，包括机身、能量源、动力系统、通信系统、水下设备、控制系统等。
其中机身是机器人最主要的结构部分，其呈现出了各式各样的造型，从而适应不同的海洋环境。
能量源主要是指电池，它可以提供水下机器人需要的电能，并为水下机器人的正常运行提供动力。
动力系统则是水下机器人的重要部分，它可以让机器人在水下自如地移动。
通信系统是水下机器人与地面或船只进行通信和控制的关键部分，它能够提供视频图像、声音、数据传输等功能。
水下设备可以包括各种传感器、探测仪器、样品采集器等，它们是水下机器人进行探测、实验、采样等任务的重要辅助部分。
控制系统则是整个水下机器人的大脑，它指挥和管理着水下机器人进行不同的动作，并保证机器人在不同的环境下安全稳定地运行。
二、水下机器人的设计水下机器人的设计是整个水下机器人开发过程中最关键的一个环节。
不同的水下机器人设计需要根据不同的任务需要来制定不同的方案，同时需要考虑到海底环境的特殊性。
下面就水下机器人的设计方案进行一些探讨：1.水下机器人的机身设计水下机器人的机身设计需要根据水下环境和任务需求来确定。
目前，广泛应用的机身形式有蠕虫式、类似于人划桨船、象鼻蚤式、圆柱尾翼式，这些机身形式都具有各自的优点和适用范围。
例如，蠕虫式机身设计适用于水底弯曲的管道内部探测，类似于人划桨船的机身设计适用于水下拍照、视频和水样采集，圆柱尾翼式的机身则适用于深水敷设以及各种深海数据的采集。
2.水下机器人的动力设计水下机器人的动力设计主要包括推进器和电机系统。
水下仿生机器人设计与实现
利用机器人代替 人工检测舰船水下部分，不但可提高 检测效率，而且 能减少检修工作的安全隐患
总体 设计
水下仿生机器人总体设计
机械结 构设计
1
2
3
水下仿生机器人 Solid－Works模型
推进器 SolidWorks 建模
仿生机器人水下力学分析
控制系 统设计
硬件系统ห้องสมุดไป่ตู้体架构
主程序设计流程
遥控器程序设计流程
结果 分析
本文作者设计了一台仿生乌龟游泳的水下机 器 人，采用 SolidWorks 软件建立 3D 模型 并用 3D 打印 机打印样机。分析了该机器人 在水中运行的受力情 况; 详细设计了控制系 统的硬件部分和软件部分。样机测试结果表 明，该仿生机器人反应灵敏、运行稳定，能 潜入水中检测大型舰船，为技术人员开发水 下 仿生机器人提供参考
水下仿生机器人设计与实现
姓名
报告目录
1、研究背景 2、总体设计 3、机械结构设计 4、控制系统设计 5、样机测试 6、结果讨论 7、结果分析
研究 背景
船舶工业得到了快速发展 为了保证舰船运行的安全，需要检修
随着半导体芯片、 自动控制技术等的 快速发展，为机器 人发展提供了一定
的技术支撑
若工作人员携带设备潜入水中，不但检修困难且存在一定的安全隐患
样机 测试
水下仿生机器人样机
功能测试
功能测试环节主要测试水下仿生机器人的各个按 键、各项 功能是否正常。
性能测试
性能测试主要包括三方面: 控制距离、潜水深 度、运行速 度。
结果 讨论
测试结果表明，该设计可基本实现水下仿生机器 人的功能，达到设计要求。但是， 该设计也存在一些 问题，例如: 电池的续航能力不足，后期需更换大容 量电池和 增加电池数量来增加续航能力; 摄像不够清 晰、无法多角度拍摄，后期需更换高清 摄像头和增加 摄像头数量。
水下机器人的设计与研究
水下机器人的设计与研究水下机器人是一种能够在水下环境中执行任务的机器人。
它被广泛应用于深海勘探、海洋环境监测、海底资源开发以及救援和搜寻等方面。
本文主要围绕着水下机器人的设计与研究展开讨论。
一、水下机器人的设计要素1、外形设计水下机器人的外形通常采用类似于鱼类、海豚、鲸鱼等海洋生物的形状，以便更好地适应水下环境。
外形设计要素包括流线型、机动性、载荷能力等。
2、材料选择水下机器人在水下环境中需承受高压、腐蚀、水动力等诸多因素的影响，因此材料的选择尤为重要。
一般采用耐腐蚀的金属材料或者高强度的复合材料。
3、动力系统水下机器人的动力系统主要包括电池、电机、舵机、节流阀等部件。
电池的选择要考虑容量、重量、耐久性等因素，电机的选择需要考虑功率、效率、耐用性等因素。
4、感知系统水下机器人需要通过各种探测器、摄像头等感知系统收集水下环境的信息，以便进行任务的执行和控制。
感知系统的设计需要考虑传感器的感知范围、分辨率、抗干扰能力等因素。
二、水下机器人研究领域1、力学研究水下机器人的运动状态、水动力学性能等涉及到物理力学、流体力学等方面的研究。
力学研究可以为水下机器人的设计和优化提供理论支持。
2、智能控制研究水下机器人的自主导航、避障、作业等需要借助智能控制技术。
智能控制研究包括机器学习、深度学习、人工神经网络等方面的研究。
3、控制与通信研究水下机器人在水下作业过程中需要依靠控制和通信技术。
控制与通信研究主要包括无线通信、水声通信、图像传输等方面的研究。
4、传感技术研究水下机器人需要借助各种传感器来感知水下环境，因此传感技术的研究显得尤为重要。
传感技术研究主要包括传感器的设计、信号处理、数据融合等方面的研究。
三、水下机器人的应用前景水下机器人在深海勘探、海洋环境监测、海底资源开发、救援和搜寻等领域具有广阔的应用前景。
随着技术的不断突破和发展，水下机器人的应用范围将越来越广泛。
1、深海勘探随着深海石油、天然气、矿产等资源的日益紧缺，深海勘探成为具有战略意义的领域。
水下机器人的设计和技术
水下机器人的设计和技术水下机器人的设计与技术水下机器人是一种能够在水下进行操作的无人驾驶机器人，广泛应用于深海勘探、海洋环境监测、水下修建、水下救援等领域。
水下机器人的设计和技术与其应用领域密不可分，本文将从机器人的设计原理、结构特点和技术实现三方面来介绍水下机器人的设计与技术。
一、机器人的设计原理水下机器人的设计原理可以分为三个核心问题，即机器人的动力系统、机器人的传感系统和机器人的控制系统。
1. 动力系统机器人的动力系统是机器人的核心部件，它负责提供机器人的动力驱动，让机器人能够在水下运动。
有线控制和自主控制是目前水下机器人的两种主要的动力系统设计方式。
有线控制动力系统，是指通过电缆连接机器人和操作员站点，利用操控杆完成对机器人的操作。
这种动力系统方便实现机器人的操作控制，适用于水下作业的简单、精确控制，不过受控制距离的限制，是一种相对不灵活的操作方式。
目前，这种控制方式因受限于电缆的长度，而无法深入到更深的海洋环境中进行水下作业。
而自主控制动力系统则是指机器人在没有人控制的情况下自主运行，根据预设程序执行各项任务。
这种动力系统可以突破有线控制的距离局限性，不过由于需要完成比较复杂的动作，需要更加先进高效的控制和传感器系统的支持。
2. 传感系统机器人的传感系统是机器人获取水下环境信息的主要手段。
目前，很多水下机器人都拥有丰富的传感器，例如声呐、激光雷达、水下相机等。
这些传感器可以实时获取水下环境的信息，通过技术手段将其转化为数字信号，以供机器人自主控制和监测。
3. 控制系统机器人的控制系统是机器人的“大脑”，它通过操纵机器人的动力系统和传感系统，实现机器人的各种操作控制。
目前，很多水下机器人的控制系统基于高级控制算法和计算机视觉技术，例如PID控制算法和SLAM算法等，实现了机器人的精准定位、路径规划、避障等操作控制。
二、机器人的结构特点水下机器人的结构特点主要包括机身、底盘、传感器和工具装置四个方面。
水下机器人设计及其应用
水下机器人设计及其应用一、引言近年来，随着科技的迅猛发展及人们对海洋资源的需求不断增加，水下机器人在勘探、采集、探测等领域得到了广泛应用。
本文将深入介绍水下机器人的设计原理及其在海洋勘探、深海研究等领域的应用。
二、水下机器人的设计原理1.水下机器人的结构水下机器人一般由浮力模块、动力系统、控制模块、传感器等部分组成。
其中，浮力模块主要用于维持水下机器人的浮力，在深海探测中，浮力模块通常由球型蓝色玻璃、聚氨酯泡沫、太阳能电池板等材料制成，并安装在其外壳的上部，以在海面上获得充分的日照能量。
动力系统主要提供机器人的前进动力，包括推进器、电动机、节流阀等。
控制模块则用于控制机器人的运行方向和速度，主要由计算机、控制器、信号处理器等组成。
传感器则主要用于检测水下机器人周围的环境信息，例如水温、水深、水压、溶解氧、光照等。
2.水下机器人的动力系统水下机器人的动力系统通常由立式或水平安装的一组推进器、舵机、电机、电源等组成。
推进器通常有螺旋桨、水流喷射装置、振荡器等，而电机则用于驱动各种设备。
电源则可以是电池、太阳能电池板、燃油电池等。
3.水下机器人的控制系统控制系统是水下机器人非常重要的一部分，其作用是控制机器人的运行，使其能够在水下完成需要的任务。
控制系统可以由一台单独的计算机控制，也可以由多个传感器和控制器组成。
控制器通常由多种传感器组成，例如水温传感器、水压传感器、声纳传感器等。
三、水下机器人的应用1.海洋探测水下机器人在海洋探测中有着广泛的应用，可以用于寻找石油、天然气、瑞氏波、气体水合物等，在深海地壳构造、地震构造、海底资源分布等方面起着重要的作用。
水下机器人还可以搭载各种海洋仪器，例如深海测量仪、海洋生物学仪器、物理化学分析仪等，以获得更为丰富的数据。
2.深海研究水下机器人因其能够潜入几千米深的水下，使其成为深海研究的有力工具。
水下机器人不仅可以搭载各种观测仪器，还可以进行深海岩芯采集、岩石取样等任务，从而为深入了解深海地貌、海底热液、深海生物等提供了重要的数据。
水下机器人姿态控制系统的设计与实现
水下机器人姿态控制系统的设计与实现水下机器人是一种智能化、自主化的水下运动控制工具，可广泛应用于海洋科研、海底资源勘探、环境监测、海洋遗迹勘察和消除水下障碍等领域。
姿态控制是水下机器人的重要组成部分，对于保证机器人的稳定、安全运行和准确采集数据至关重要。
本文将从姿态控制的概念入手，介绍水下机器人姿态控制系统的设计与实现。
一、姿态控制的概念姿态控制是指通过控制水下机器人的方位角（yaw）、俯仰角（pitch）和滚转角（roll），使其运动轨迹按照预设的路径规划进行，同时保证其能够在运动过程中保持平稳和稳定。
姿态控制涉及到多种控制技术，如PID控制、自适应控制、模型预测控制等，其目标是使机器人在水下环境中实现精准的姿态调节和稳定的运行状态。
二、水下机器人姿态控制系统的设计2.1 水下机器人的运动模型水下机器人的运动模型可分为三自由度运动模型和六自由度运动模型。
三自由度运动模型是指机器人在水中只能做平面运动，其基本运动参数只有水平方向上的速度、俯仰角和偏航角。
六自由度运动模型是指机器人在水中具有三维运动能力，基本运动参数包括线速度、角速度、俯仰角、偏航角、滚转角和深度。
2.2 姿态控制系统的结构水下姿态控制系统主要由姿态传感器、控制器和执行机构三部分组成。
其中，姿态传感器用于采集机器人当前的姿态参数，控制器根据姿态参数和设定目标输出控制信号，执行机构根据控制信号完成相应的运动动作，从而使机器人在水下环境中实现精确、平稳的姿态调节。
2.3 姿态控制系统的算法姿态控制系统的核心是控制算法，常见的控制算法包括PID控制、模型预测控制、自适应控制等。
PID控制是一种基于比例、积分、微分三个控制参数的调节方法，其在姿态控制中被广泛应用，能够实现快速、精准的姿态控制效果。
模型预测控制是一种基于数学模型的控制方法，适用于复杂的姿态控制任务。
自适应控制则是一种基于机器学习的控制方法，能够根据实时的控制需求动态地调节控制参数和控制模式，从而实现更加自适应的姿态控制效果。
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2.5起重机吊点和操纵机构
• 为了提高车辆调配和运输，CUAUV设计和建造一个可移动的快子进 行结构（图5）。
。 这个结构是用来作为操纵系统，并作为随车起重机的吊点
2.6船身上部的压力通道
• Tachyon的上部船体压力容器（图6）封装了电源，串行，传感器控制 ，执行器控制的和计算机体系结构。
2.7压力通道
2.8 上船体架
2.8 上船体架
• 上部船体架提供安装在船体上部的电子产品。水刀切割聚甲醛舱壁分 隔的两个部分，提供6个插槽，板对板。 舱壁的设计可以改善风扇布 置和线管理。 板是以托盘安装的，使用定制的激光切割亚克力板。电 气噪声和热的组件都包含在船尾部分，在那里他们可以使用吹到铝后 端盖和船体领的散热器风扇所形成的空气循环冷却。对温度和噪音敏 感的电子器件保存在传感器控制部分的前面部分（图7）。
2.12标志器下放器
• 两个标记滴管安装车辆的上部船体下方，在向下相机两侧 。他们安置的位置，确保相机能够看到下降过程。标记是 定做成黄铜和塑料，用小磁铁固定。每个标记管是由一个 独立的阀门填充的，所以标志物可以独立地被下放。他提 高翅片管设计和车辆的位置，使得新的标志物直线下放。
2.13鱼雷发射器
• 为了容纳一个mini - ITX主板， Tachyon的船体为直径9.5英寸，远远超 过往年。压力容器本身后方端盖和船体装配组成，其中铝制零件由学 生团队数控加工的。悬臂式机架组件，这意味着无需断开任何电子产 品的船体可删除。船体装配幻灯片上层船体机架和队友使用与后端盖 一个孔密封。前方端盖和船体领使用3M DP- 460环氧丙烯酸船体形成 船体装配。海上CON连接器（MCBH6，MCBH- 8和MCBH- 10）和定 制的火线连接通过后部端盖提供通信接口和外部设备的电源。丙烯酸 船体额定为100英尺的深度
1、简要介绍
2、机械系统
• 超光速的机械系统包括航行器结构，压力容器，机电制动 器（图2）。所有为快子定制的机械零件使用SolidWorks 设计，并由CUAUV队员自己制造。
2.1 航行器结构
• 快子航行器框架支持压力容器，执行器，传感器。为了适应对称车辆 动态，降低了整体大小，框架比以前的航行器短。为了减少重量，以 前航行器上的许多铝制部分由ABS塑料或聚甲醛代替。
2.3覆盖
• 为了呈现出更为流体力学轮廓，超光速采 用了一系列丙烯酸制的上侧板和盖子。这 也笼罩保护水听器的元素和其他传感器。
2.4传感器架
• 快子将其惯性测量装置、罗盘远离推进器 和执行器在一个单独的外壳，以隔离电磁 干扰。该传感器架设计成是一种非金属压 力容器用来以保持磁性的透明度。信号和 功率通过两个HUMK5 SEA CON连接器传 递到主要压力容器。
2.1 航行器结构
2.2前后推进器支架
• 因为对于快子的要求是对称的控制，所有推进器对于航行器中心线对 称这一点很重要。前部推进器支架上安装了前部摇摆推进器和前部升 降推进器，还安装了前向相机外壳（图4）。前推进器安装在一个侧 面铰链，给予搬迁清理，同时仍保持船体中心线推进器的位置。船尾 推进器安装在船尾持有冻胀和尾部摇摆在中心线推进器。 它还支持开 关盒，水听器外壳和空气罐。
• 快子的中央结构由两个水刀ABS面组成，这两个面由铝和 ABS结构构 件和安装条（图3）连接起来。这两个面板结构为传感器，执行器和 外部压力容器，如DVL，向下摄像头，下放器标志器，采集卡的驱动 ，电池舱和水听器阵列提供了方便的内部安装。一个传感器隔离热潮 桁架坐落在框架的顶部。船体上部端盖安装在两个平行的墙面之间。 浪涌推进器安装在ABS侧板上。
• 外部相机的使用需要一个新的方法将火线电缆传递到船体上部。 Tachyon已自定义干交换火线连接，使相机可以很容易地被移除（图8 ）。可用于任何类型的电缆连接器设计，用于Tachyon上的火线和
JTAG连接。
2.10 执行器
• Tachyon的执行机构系统为使标志器下放，鱼雷发 射器和采集器完全重新设计了气动动力机制。 Tachyon也有6个的现成的推进器来推动车辆。
• 鱼雷发射器的功能，在车辆前方的两个发 射管。两管同时发射，由一个独立的阀门 控制。 聚氨酯鱼雷有很大的鳍，流线型的 造型，并中性浮力，导致在一个平滑的轨 迹。鱼雷由硅胶模具铸造批量生产。模具 是由数控的铝加工器生产。
水下机器人Tachyon的设计与实现
• 1、简要介绍 • 2、机械系统 • 3、内部电气系统 • 4、计算机和外设 • 5、软件 • 6、测试
1、简要介绍
• 快子，CUAUV2009-2010年度竞赛的参赛航行器，目的是完成这工作。 快子保持了新星的可扩展通讯和电力系统，同时增加传感器的插头和 播放功能，使传感器更容易集成。为了提高竞争表现，快子将推进器 放在了中心线的位置，以确保航行器的统一动态性，一个孤立的“传 感器架”，以减少电磁干扰（EMI），和更强大的计算机，以改善视 觉处理性能。其他改进包括一个更大的有效载荷区域，一个可扩展的 通信系统，以及更紧凑的外形。快子可以用几种不同类型的执行器， 包括电磁阀和伺服系统，并且可以使用光纤或以太网系绳和岸上进行 通信。可配置和动态的任务架构允许复杂的、多线程的任务快速、简 单地自主发展。
2.11空气系统
• 气动执行机构采用压缩00 磅的压力。储气罐内置稳压降低到850磅的压力。第二个，彩弹射击 可调稳压器连接到储气罐，并进一步降低到40磅，气动工作压力的压 力。这空气，然后输送到一个定制的阀组，包含四个SMC电磁阀（图 9）。这些阀门控制执行器的控制电路板提供三个气动机制。
• 端盖接口部分所包含的内容，并管理所有在后方端盖的连接器，电线 和房屋两个风扇，以改善船尾部分冷却。 船尾部分包含计算机，光纤 板SSD，执行机构/推进器板，以及合并/ CPU发行版板。 在两个主要 部分之间，可以安装多达四个风扇。 传感器控制部分持有传感器电源 ，串行和通用输入/输出板。
2.9自定义连接器