大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)-水翼潛水機(jī)器人平臺(tái)

1、.1大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)項(xiàng)目編號(hào)項(xiàng)目名稱水翼潛水機(jī)器人平臺(tái)項(xiàng)目主持人聯(lián)系電話所在學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院學(xué) 號(hào)專業(yè)班級(jí)指導(dǎo)教師E-mail 申請(qǐng)日期起止年月中南大學(xué)填 寫(xiě) 說(shuō) 明1本申請(qǐng)書(shū)所列各項(xiàng)內(nèi)容均須實(shí)事求是，認(rèn)真填寫(xiě)，表達(dá)明確嚴(yán)謹(jǐn)，簡(jiǎn)明扼要。2申請(qǐng)人可以是個(gè)人，也可為創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，首頁(yè)只填主持人，均為參加項(xiàng)目的學(xué)生?！绊?xiàng)目編號(hào)”一欄不填。3本申請(qǐng)書(shū)為大十六開(kāi)本（A4），左側(cè)裝訂成冊(cè)?？删W(wǎng)上下載、自行復(fù)印或加頁(yè)，但格式、內(nèi)容、大小均須與原件一致。4主持人所在學(xué)院認(rèn)真審核, 經(jīng)初評(píng)和答辯，簽署意見(jiàn)后，將申請(qǐng)書(shū)（一式兩份）報(bào)送中南大學(xué)創(chuàng)新辦（一辦319）。一、基本情況項(xiàng)目名稱潛水機(jī)器人平臺(tái)所屬學(xué)

2、科機(jī)電一體化申請(qǐng)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(xué)號(hào)聯(lián)系宅： 手機(jī):指導(dǎo)教師聯(lián)系宅： 手機(jī):主持人曾經(jīng)參與科研的情況指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況指導(dǎo)教師對(duì)本項(xiàng)目的支持情況項(xiàng)目組主要成員姓 名學(xué)號(hào)專業(yè)班級(jí)所在學(xué)院項(xiàng)目中的分工二、項(xiàng)目研究的目的和主要研究?jī)?nèi)容目的：建立潛水探測(cè)機(jī)器人平臺(tái)。開(kāi)發(fā)一種既能高速水面追擊，又能潛水偵查作業(yè)的機(jī)器人平臺(tái)。研究?jī)?nèi)容：1、 高速水面航行水翼船原理。2、 整機(jī)氣動(dòng)、水動(dòng)外形設(shè)計(jì)。3、 水面及水下航行原理設(shè)計(jì)。4、 動(dòng)力系統(tǒng)及切換設(shè)計(jì)。5、 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。6、 導(dǎo)航、遙控設(shè)計(jì)。工作原理如下圖1、圖2為設(shè)計(jì)原理三維圖水面航行-

3、水翼張開(kāi)狀態(tài)（初步）機(jī)器平臺(tái)主體2自由度螺旋槳前水翼張開(kāi)狀態(tài)后水翼圖1水面航行-水翼張開(kāi)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(jìn)動(dòng)力的船，速度可達(dá)100km/s以上,速度可達(dá)一般輪船的2到3倍，可實(shí)現(xiàn)快速追趕。并且整機(jī)體積小、重量輕，配上合適發(fā)動(dòng)機(jī)，速度很容易提高。如上圖1為水面航行水翼張開(kāi)狀態(tài)圖當(dāng)距離敵方輪船距離較近時(shí)，需要潛到水底進(jìn)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(shí)速度對(duì)自重和升力的效果分析2、 整機(jī)氣動(dòng)、水動(dòng)外形設(shè)計(jì)。（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(dòng)力學(xué)原理，參考飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身的結(jié)構(gòu)，當(dāng)速度達(dá)到較高時(shí)，機(jī)身產(chǎn)生足夠的升力與自重抵消大部分，從而可以實(shí)現(xiàn)快速航行。（2） 水下航行提速設(shè)計(jì)，充分考慮流體動(dòng)力學(xué)原理。減少潛行時(shí)的阻力根據(jù)氣動(dòng)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(shè)計(jì)。（1） 水面航行采用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，速度快，長(zhǎng)航時(shí)，尾部螺旋槳提供動(dòng)力和控制方向；（2） 水下潛行，變換動(dòng)力，采用電池供電，三個(gè)螺旋槳同時(shí)工作，可靈活控制航速和航向。4、 動(dòng)力系統(tǒng)及切換設(shè)計(jì)。燃油發(fā)動(dòng)機(jī)與電池電機(jī)的動(dòng)力切換，控制設(shè)計(jì)。5、 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。速度、航向調(diào)節(jié)、攝像頭障礙監(jiān)測(cè)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(guó)內(nèi)、外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)水翼船，1891年，法國(guó)人拉貝爾特首先提出在船底艏艉端安裝水翼的設(shè)計(jì)。1919年，加拿大人貝爾制造出第一艘水翼船。我國(guó)在1958年起步進(jìn)行水翼船的研究，并于1960年設(shè)計(jì)建造了國(guó)內(nèi)第一艘長(zhǎng)江水翼船。隨后我國(guó)又設(shè)計(jì)出長(zhǎng)江“水翼二號(hào)”、小型自穩(wěn)式水翼船“飛魚(yú)號(hào)”、自控水翼船“北星號(hào)”。20世紀(jì)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(guó)、蘇聯(lián)和歐洲一些國(guó)家把水翼船作為導(dǎo)彈快艇，魚(yú)類快艇，并發(fā)展為能攜帶直升飛機(jī)的反潛艦艇?，F(xiàn)今存在的水翼船大多不超過(guò)一千噸，并以近海航行為主。跟其他的高速

6、艦艇技術(shù)相比，水翼船（主要是全浸型）的主要優(yōu)點(diǎn)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(shí)所產(chǎn)生的興波較為少，對(duì)岸邊的影響較低。缺點(diǎn)主要在制造大型的水翼船、或進(jìn)一步提高速度，目前還存有技術(shù)困難。水翼所能提供的浮力與長(zhǎng)度成平方關(guān)系，但是船的重量卻與長(zhǎng)度成立方關(guān)系。故此制造更大型的水翼船存在一定的難度。要進(jìn)一步提高速度，水翼在告訴下會(huì)產(chǎn)生氣泡的問(wèn)題亦需要解決。此外全浸式水翼的結(jié)構(gòu)及控制較為復(fù)雜，亦令成本上漲。水翼船使用燃?xì)庖婊ㄙM(fèi)燃料較多亦是商業(yè)運(yùn)作上的考慮之一。近年來(lái)，美國(guó)的蕭忠鎮(zhèn)，日本的宮崎國(guó)男，國(guó)內(nèi)的黃文章，藍(lán)少雄和周洪斌等人，分別針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或控制系統(tǒng)進(jìn)行了水翼船的設(shè)計(jì)。無(wú)人遙控

7、潛水器，也稱水下機(jī)器人。它的工作方式是。由水面母船上的工作人員，通過(guò)連接潛水器的臍帶提供動(dòng)力，操縱或控制潛水器，通過(guò)水下電視、聲吶等專用設(shè)備進(jìn)行觀察，還能通過(guò)機(jī)械手，進(jìn)行水下作業(yè)。目前，無(wú)人遙控潛水器主要有，有纜遙控潛水器和無(wú)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(jié)構(gòu)物上爬行式三種。特別是近10年來(lái)，無(wú)人遙控潛水器的發(fā)展是非常快的。從1953年第一艘無(wú)人遙控潛水器問(wèn)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(wú)人遙控潛水器也得到飛速發(fā)展。到1981年，無(wú)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(kāi)采業(yè)服務(wù)的。1988年，無(wú)人遙控潛水器又得到長(zhǎng)足發(fā)展，猛增到958艘，比1981年增加了110。這個(gè)時(shí)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(kāi)采用的。無(wú)人無(wú)纜潛水器的發(fā)展相對(duì)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(xué)研究。另外，載人和無(wú)人混合理潛水器在這個(gè)時(shí)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(wù)。目前綜合水翼船與無(wú)人操作潛水機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)很少，還沒(méi)有非常成熟的產(chǎn)品。四、項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色創(chuàng)新點(diǎn)：1、 概念創(chuàng)新本機(jī)器人集水面航行水翼船、水下潛行、滿足空氣動(dòng)力學(xué)的機(jī)翼外形于一身。同時(shí)連接了船、潛

9、艇、飛機(jī)三個(gè)概念，屬于邊緣機(jī)械。2、 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新動(dòng)力外形結(jié)構(gòu)滿足空氣動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)原理且曲線具有藝術(shù)美感，可折疊前水翼巧妙實(shí)現(xiàn)了水面快速航行和水下潛行兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)單而實(shí)用。3、 工藝創(chuàng)新本機(jī)器人平臺(tái)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(jià)符合材料鋪貼，然后機(jī)體噴流線型動(dòng)感漆色，制造出來(lái)輕便、結(jié)實(shí)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(dòng)力切換，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)與電池電極的轉(zhuǎn)換使本機(jī)器人平臺(tái)具有雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，自然而巧妙。特色： 本水翼潛行機(jī)器人平臺(tái)跨多個(gè)學(xué)科，新穎而具有較深的科技含量，基本原理簡(jiǎn)單，比較容易達(dá)到預(yù)期航行效果，其應(yīng)用價(jià)值及其廣泛，可用于檢測(cè)水下工作

10、情況，可用于軍事偵察、采集樣本等多種場(chǎng)合。五、預(yù)期成果和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題預(yù)期成果：1、 作品樣機(jī)由于目前工作原理及三維設(shè)計(jì)基本完成，半年內(nèi)可完成樣機(jī)的試制，完成后可到湘江進(jìn)行試機(jī)檢驗(yàn)，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(guò)對(duì)水翼船及潛艇、飛機(jī)飛行原理的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，發(fā)表相關(guān)論文。3、 專利完成設(shè)計(jì)及樣機(jī)試制后，可申請(qǐng)相關(guān)的發(fā)明或?qū)嵱眯滦蛯＠?，進(jìn)行專利保護(hù)及專利轉(zhuǎn)讓，選擇核心及有價(jià)值技術(shù)應(yīng)用到相關(guān)領(lǐng)域，真正實(shí)現(xiàn)其價(jià)值。4、 比賽獲獎(jiǎng)樣機(jī)試制后，可參加各種創(chuàng)新性大賽，爭(zhēng)取獲得機(jī)械設(shè)計(jì)及挑戰(zhàn)杯相關(guān)獎(jiǎng)項(xiàng)擬解決的關(guān)鍵問(wèn)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(dá)到120甚至更高是一個(gè)值得研究和實(shí)驗(yàn)的題目，通過(guò)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)及飛機(jī)機(jī)翼的研究，設(shè)計(jì)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(gè)不同的領(lǐng)域，如何巧妙、平穩(wěn)的完成切換是一個(gè)需要實(shí)際試驗(yàn)才能完成的問(wèn)題。3、 精準(zhǔn)遠(yuǎn)程控制目前市場(chǎng)上的遠(yuǎn)程控制器很多，10公里控制器價(jià)格2000元左右，如何調(diào)試既能準(zhǔn)確完成水面控制又能完成精準(zhǔn)水下控制是一個(gè)很值得研究的問(wèn)題。六、項(xiàng)目研究進(jìn)度安排目前已完成初步設(shè)計(jì)，大體設(shè)計(jì)原理和思想已經(jīng)經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)成員反復(fù)討論和斟酌。1、2009年6月7月完善方案2、2009年7月9月細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)確定方案3、2009年9月1

12、0月外購(gòu)件購(gòu)買4、2009年10月11月主機(jī)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(yàn)、調(diào)試8、2010年2月2010年4月改進(jìn)、完善8、2010年5月 驗(yàn)收，完工七、已有基礎(chǔ)1. 與本項(xiàng)目有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī) （1）基本原理已設(shè)計(jì)完成 （2）速度和方向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)已完成（3）相關(guān)領(lǐng)域參考資料已非常豐富（4）開(kāi)發(fā)整機(jī)的磨具制作方案已基本定型（5）外購(gòu)件型號(hào)大體定型，發(fā)動(dòng)機(jī)及螺旋槳型號(hào)基本定型。（6）論文方向大體已找到，相關(guān)領(lǐng)域論文研究方向已經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)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(guān)領(lǐng)域?qū)＜規(guī)煲颜业?，已向相關(guān)專家請(qǐng)教并討論過(guò)設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)（2）外協(xié)加工單位 （3）設(shè)計(jì)原理三維圖、控制原理圖初步方案已完成 （4）磨具加工、開(kāi)模方案已有初步設(shè)計(jì)。 （5）需采購(gòu)?fù)赓?gòu)件主要配件已經(jīng)過(guò)選型。尚缺少的條件：（1） 缺少啟動(dòng)資金（2） 缺少加工、裝配工具（3） 缺少學(xué)校相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件支持八、經(jīng)費(fèi)預(yù)算開(kāi)支科目 預(yù)算金費(fèi)（元）主要用途 階段下達(dá)經(jīng)費(fèi)計(jì)劃（元）前半階段后半階段預(yù)算經(jīng)費(fèi)總額20000加工制作150005000機(jī)械加工5000機(jī)械加工、磨具及鋪貼材料40001000動(dòng)力裝置5000發(fā)動(dòng)機(jī)、電池、螺旋槳40001000控制導(dǎo)航系統(tǒng)50