康奈尔大学水下机器人.pptx
水下机器人
结构功能
• 典型的遥控潜水器是由水面设备（包括操纵控制台、电缆 绞车、吊放设备、供电系统等）和水下设备（包括中继器 和潜水器本体）组成。潜水器本体在水下靠推进器运动， 本体上装有观测设备（摄像机、照相机、照明灯等）和作 业设备（机械手、切割器、清洗器等）。
优缺点
• • 优点 水下机器人可在高度危险环境、被污染环境以及零可见度的水域代替人工在 水下长时间作业，水下机器人上一般配备声呐系统、摄像机、照明灯和机械 臂等装置，能提供实时视频、声呐图像，机械臂能抓起重物，水下机器人在 石油开发、海事执法取证、科学研究和军事等领域得到广泛应用。 缺点 由于水下机器人运行的环境复杂，水声信号的噪声大，而各种水声传感器普 遍存在精度较差、跳变频繁的缺点，因此水下机器人运动控制系统中，滤波 技术显得极为重要。水下机器人运动控制中普遍采用的位置传感器为短基线 或长基线水声定位系统，速度传感器为多普勒速度计会影响水声定位系统精 度。
发展历程
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第一阶段 从1953年至1974年为第一阶段，先后研制出20多艘潜水器。其中美国的CURV系统在西班牙海成 功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。 1953年第一艘无人遥控潜水器问世，1974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 第二阶段 无人有缆潜水器的研制80年代进入了较快的发展时期。1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。海 洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增 长 第三阶段 1985年，潜水器又进入一个新的发展时期。 1988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，无人无 缆潜水器的发展相对慢一些，另外，载人和无人混合理潜水器在这个时期也得到发展
机器人
水下机器概述一水下机器人概述水下机器人也称作潜水器(Underwater Vehicles)，准确地说，它不是人们通常想象的具有人形的机器，而是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置，其外形更象一艘潜艇。
水下机器人的种类很多，其中载人潜水器、有缆遥控水下机器人(ROV)、无缆水下机器人（AUV）是三类最重要的潜水器。
回顾水下机器人的发展历史，我们从中可以看到人类征服海洋的进程。
最早出现的潜水器是载人潜器，这是人们在设计潜水球和潜艇微型化的基础上研制出来的，主要是替代潜水员在深海中进行潜水作业，可进行海洋考察、打捞、水下作业和救生。
其排水量从几吨到几十吨，航速为1~2.5 米/秒，下潜深度为几百米到一万米。
在载人潜器上有密封的载人舱室及生命保障系统，可乘坐2~3 人，还有供观察用的窥视窗，潜水人员坐在耐压舱内通过视窗对海底世界进行观察，同时潜水器内还带有各种测量仪器、通讯设备，并可以携带1 或2 个机械手。
完成人赋予的使命。
早在20 世纪50 年代，有几个美国人想把人的视觉延伸到神秘的海底世界，他们把摄像机密封起来送到了海底，这就是ROV 的雏形。
1960 年美国研制成功了世界上第一台ROV ─“CURV1” ，如图 3 所示，它与载人潜器配合，在西班牙外海找到了一颗失落在海底的氢弹，由此引起了极大的轰动，ROV 技术开始引起人们的重视。
另外，当时发生的石油短缺使得油价提高，刺激着近海石油开发业的发展，同时也促进了ROV 的迅猛发展。
到了70 年代，ROV 产业已开始形成，ROV 在海洋研究、近海油气开发、矿物资源调查取样、打捞和军事等方面都获得广泛的应用，是目前使用最广泛、最经济实用的一类潜水器。
ROV 的最大下潜深度可达一万米。
世界上第一台载人潜器叫Argonaut the First，是由西蒙·莱克于1890 年制造的。
20 世纪60 年代中期到70 年代中期是从载人潜器发展的鼎盛时期，其技术发展得较为成熟，此后逐渐进入低谷。
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。
智能水下机器人
引言：智能水下机器人是近年来快速发展的一项技术，具有广泛的应用前景。
本文旨在深入探讨智能水下机器人的技术原理、应用领域、发展趋势以及存在的挑战与解决方案。
概述：智能水下机器人是一种能够在水下环境中执行各种任务的机器人系统。
它具有自主感知、决策和执行能力，能够完成水下勘探、海洋科学研究、水下作业等任务。
本文将从技术原理、应用领域、发展趋势和挑战解决方案等方面进行详细阐述。
正文：1. 技术原理1.1 感知技术：智能水下机器人使用多种传感器，如声纳、摄像头、激光雷达等，实现对水下环境的感知，包括水下地形、水质、目标检测等。
1.2 定位与导航技术：采用GPS、声纳、惯性导航系统等技术，实现智能水下机器人的定位与导航，确保其能够准确执行任务。
1.3 通信与控制技术：智能水下机器人通过无线通信与地面基站进行数据传输与控制，能够实时获取指令和发送数据，保持与操作员的交互。
2. 应用领域2.1 水下勘探：智能水下机器人可以应用于海底资源勘探，如油气田勘探、矿产资源勘探等，具有高效、安全、环保的特点。
2.2 海洋科学研究：智能水下机器人可以用于海洋生物学、海洋地质学等科学研究，对于深海生物、海底地形等的研究具有重要意义。
2.3 水下作业：智能水下机器人在水下维修、检测、清洁等方面能够发挥作用，代替传统的人工作业，提高效率和安全性。
3. 发展趋势3.1 多功能化：未来智能水下机器人将更加注重多功能化，能够同时执行多种任务，提高工作效率。
3.2 自主化：智能水下机器人将具备更强的自主感知、决策和执行能力，独立完成复杂任务，减少人为干预。
3.3 大数据应用：通过对海底数据的收集和分析，智能水下机器人将为海洋科学研究提供更多有价值的数据支持。
4. 挑战与解决方案4.1 水下环境恶劣：智能水下机器人在水下环境中面临压力、温度、腐蚀等恶劣条件，如何保障其正常运行成为挑战之一。
解决方案包括材料选择、密封设计等。
4.2 远程通信与控制：智能水下机器人需要通过无线通信与地面基站进行远程控制，但水下通信存在信号衰减、传输延迟等问题，解决方案可以采用多通道通信、信号处理技术等手段。
水下机器人的设计及其相关技术研究
水下机器人的设计及其相关技术研究第一章：水下机器人的定义和概述水下机器人，指的是能够在水下执行各种任务的机器人。
与地面或空中机器人相比，水下机器人通常需要耐受更高压力，更复杂的任务和良好的机动性能。
它们广泛应用于海洋勘探、海洋工程、水下科学探索、军事作战和水下维修等领域。
目前，水下机器人的设计与技术研究成为多学科交叉研究的热点之一。
第二章：水下机器人的分类和应用水下机器人根据其结构、用途和任务可以分为：1.遥控型水下机器人：具有高机动性和稳定性，广泛应用于海洋科学探索、潜水作业、海洋环境监测等领域。
2.自主型水下机器人：具有自主导航、感知和控制能力，适用于海底地质勘探、污染监测、水下探测等。
3.混合型水下机器人：结合了遥控和自主两种机制，可实现更加复杂的任务，如水下救援、海底安装和维护等。
水下机器人的应用场景包括：1.海洋科学探索：可用于海底地质勘探、生态环境调查、水下考古和生物学研究等。
2.水下工程：可用于海洋油气勘探和开发、海上风电场建设和维护、海底通信线路敷设和维修等。
3.海上保障：可用于水下侦察和打击、海上救援和调度、海上监测和情报收集等。
第三章：水下机器人的关键技术1.水下传感技术：水下机器人需要能够感知周围环境和水下场景，实现对目标物体的定位、跟踪和测距等功能。
水下传感技术包括声学、电磁、光学等多种技术手段。
2.水下通信技术：水下机器人的控制和数据传输需要通过水下通信系统完成。
水下通信技术瓶颈主要在于信号传输距离较短、传输速率低、干扰较大等问题。
3.水下机器人运动控制技术：水下机器人需要具备良好的机动性能和稳定性，在水下复杂环境中能够实现高精度运动状态控制。
这需要基于水下传感技术和控制理论实现。
4.水下能源和动力技术：水下机器人一般采用电池供电，电池续航能力和可靠性是水下机器人关注的热点问题。
此外，为了实现较高的工作效率和机动性能，水下机器人动力体系也需要不断改进和创新。
第四章：水下机器人的设计与制造水下机器人的设计与制造需要多学科专业共同协作和研究，从机械结构、传感器、控制算法到电机和电力系统等多个方面进行设计优化。
水下机器人技术的研究与应用
水下机器人技术的研究与应用第一章：介绍近年来，随着科技的不断发展，水下机器人技术也在逐步成熟。
水下机器人指的是能在水下运行的机器人，用于执行水下勘测、海底矿产开发等任务。
水下机器人技术具有诸多优势，如不受污染、能够深入水下、适用于各种复杂环境等。
本文将重点介绍水下机器人技术的研究与应用。
第二章：水下机器人技术的研究2.1 构成水下机器人技术主要由机械、电子、计算机三个方面构成。
机械包括系统的结构、附加的传动装置、动力装置，以及附加的传感器和执行器等。
电子方面则主要涉及到机器人的信号处理、通信、定位与导航、图像处理和控制系统等。
计算机则是机械和电子结合的核心部分，主要负责控制机器人的各个功能。
2.2 技术水下机器人技术包括多种技术，如传感技术、通信技术、定位与导航技术、控制技术、图像处理技术等。
其中，图像处理技术是目前发展最为迅速的技术之一。
由于水下环境的复杂性，传感和控制系统也非常重要。
特别是对于海洋工程的施工和维护来说，定位与导航技术的发展至关重要。
此外，水下机器人的能源系统、材料技术等也是水下机器人研究的重点。
第三章：水下机器人技术的应用3.1 海洋科学水下机器人能够进行深海勘测，提供大量的海洋数据，为海洋科学研究提供了重要的支持。
此外，还能够收集海底样品、观测天然气水合物等，对于海洋资源的开发有很大的帮助。
3.2 海洋工程水下机器人在海洋勘探、生态环境保护、海洋能源开发等方面具备很大的应用价值。
在海底油气勘探、海底管线建设、水下建筑施工等方面也具有广泛的应用。
3.3 海洋保护水下机器人的高精度测量功能特别适合用于环境监测，可支持对污染水域的监测、调查和预测。
同时，水下机器人也可用于海洋物种保护，如海龟、鲸鱼等的生存状况的监测。
第四章：水下机器人技术的前景水下机器人技术是未来的发展方向之一。
将来的水下机器人将更加智能化，自主性和敏捷性更强，例如深海挖掘机器人、水下自主潜航器等。
此外，水下机器人技术的应用领域也将会更加广泛，例如水下爆炸物探测、深海生态研究等。
《水下机器人ROV》PPT课件
(6)吊放及绞车系统 吊放系统是将中继器与水下机器人本体安全、迅速地施放和
回收的必配设备，同时承受连接母船控制台与机器人本体之间的 电力控制和数据信息的传输。
吊放系统组成
由底架、U形门架 (悬臂吊架)、滑轮、 锁栓机构、皑缆绞车、导电滑环以及
液压动力系统组成
对吊放系统的要求是
具有良好的工作可靠性; 足够的结构强度; 收放时皑装主缆锁紧的可靠性; 施放过程中的制动能力和缓冲能 力。
剪切器主要由液压油缸、固定刀、切割刀、安装座等组成 (见 图3-5)。剪切器通过安装座安装在水下机械手上或潜水器底架上。 切割刀在油缸的活塞杆带动下做伸出运动时，必须保证切割刀与固 定刀平行，为此在剪切器上设有导轨结构。
（3）水下清洗刷 由于水下设施的表面很容易生长海生物或产生锈蚀，所以在进
行大部分水下施工作业之前，都需要对其表面预先进行清洁处理。 例如在进行水下喷漆、焊接等作业之前，需要将作业部分的表面清 洁干净;特别是在安装、更换牺牲阳极的作业前，要求水下设施的 金属结构与牺牲阳极间接触良好，这就需要将该处金属结构的表面 彻底清刷干净。
磁学定位系统等。
b·监控系统 主要指介人水下机器人 运动控制和保障系统正常运行所需 要的传感设备，一般包括有深度计、 高度计、方向罗盘、温度、压力、
电压电流等。
(4)动力及通讯 传输系统
a·动力系统 为水下机器人水 上设备 (水面控制单元、控制 间、维修间、水面设备)和水 下设备 (中继器、水下机器人 本体)提供动力分配及保护措
（2）剪切器
剪切器是直线运动型水下工具的代表，其工作原理是借助于动 力驱动系统产生足够大的推力，推动平行移动的剪切刀片来剪断各 种水下电缆和钢丝绳。剪切器一般应能剪断直径25·4mm以内的各 种电缆和钢缆。剪切器切断钢缆的能力除受液压油缸的缸径和液压 油源的压力限制外，还与切割刀的刃口尺寸、切割刀的材料及材料 的热处理状态有关。
水下机器人教程
海洋占地球表面积的71％，它拥有14亿立方公里的体积。在海 底及海洋中，蕴藏着极其丰富的生物资源及6000亿亿吨的矿产资源。 海底锰的藏量是陆地的68倍，铜的藏量为22倍，镍为274倍，制造 核弹的铀的储藏量高达40亿吨，是陆地上的2000倍。海洋还是一个 无比巨大的能源库，全世界海洋中储存着2800亿吨石油，近140亿 立方米的天然气。因此，洋底的探测和太空探测类似，同样具有极 强的吸引力、挑战性。
CR-01水下机器人的本体长4.374米，宽0.8米，高0.93米，它在空气中的重量为 1305.15公斤，它的最大潜深6000米，最大水下航速2节，续航能力10小时，定位 精度10～15米。它是一套能按预订航线航行的无人无缆水下机器人系统，它可以 在6000米水下进行摄像、拍照、海底地势与剖面测量、海底沉物目标搜索和观察、 水文物理测量和海底多金属结核丰度测量，并能自动记录各种数据及其相应的坐 标位置。
众所周知，海底世界不仅压力非常大，而且伸手不见五指，环 境非常恶劣。不论是沉船打捞、海上救生、光缆铺设，还是资源勘 探和开采，一般的设备很难完成。于是人们将目光集中到了机器人 身上，希望通过机器人来解开大海之迷，为人类开拓更广阔的生存 空间。 水下机器人是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过 遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成 水下作业任务的装置。
AUV自带能源，无绳水下机器人的控制模式采用自治控制方式。所谓自治 是指水下机器人具有一定的智能，在水中可根据水下环境和作业任务自动完成轨 迹规划、障碍回避、作业实施。受人工智能发展水平的限制，目前可实用的水下 机器人还不能完全实现自治控制，每次作业前由人对作业任务进行分解并进行任 务规划，以预编程的控制方式保证水下机器人按事先计划的程序完成作业。
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2.7压力通道
• 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
2.9自定义连接器
• 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。
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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。
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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。
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2.11空气系统
• 气动执行机构采用压缩空气系统。 空气是存储在一个高为1000到3000 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。
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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。
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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。
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
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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。
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1、简要介绍
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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。
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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。
• 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。
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2.8 上船体架
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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）。
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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。
• 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。
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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
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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。