水下摄像与捕捞机器人的设计与实现_精品文档Word格式.doc

1、lzzlawrence院系及专业：电气工程及自动化学院电气工程系电气工程及其自动化专业指导教师：王淑娟职称：教授0451-86417497 Wsj603电气工程及自动化学院电力电子与电力传动专业哈尔滨工业大学教务处制表填表日期： 2011 年 6 月 11日项目名称 水下摄像与捕捞机器人的设计与实现 申请经费： 10,000 元一、课题组成员：（包括项目负责人、按顺序）姓名性别所在院年级学号身份证号本人签字男电气工程及自动化学院10级440107199108200315郑菱莎女1100610327510107199110072621龚肇沛机电工程学院1100800929120223199204

2、200199宋 洁1100800631120104199109193221二、指导教师意见：课题组拟研制一套用于水下机器人遥控与自控的机器人系统，完成水下摄像和捕捞功能，并将其功能扩展至水下测温、测量水深和航行方向。选题新颖，方案合理。课题组整体实力强，具有一定独立分析问题和解决问题的能力。同意其申报国家大学生创新实验计划。 签 名： 2011年6月20日三、院（系）专家组意见： 组长签名： （ 盖 章 ） 年 月 日四、学校专家组意见： 批准经费： 元 组长签名： （ 盖 章 ） 年 月 日14立项报告一 项目简介本课题研究的目的在于研制一套用于水下机器人遥控与自控的机器人系统。该项目研发的

3、目的为制作一个可以执行多种水下任务的载体，例如海底资源探测、沉船打捞、水下地形探测、水下管线维护等，而且可以通过地面站对水下机器人的多种参数进行远程无线监控，尤其是可以实现实时视频监测水下环境。本机器人实现的基本功能：1.由遥控器与浮漂间进行无线控制，浮漂与机器人用电缆传输信号，使水下机器人完成水下前进、后退、上浮、下潜、左转、右转、平移等活动；2.在机器人上安装摄像头，通过摄像头采集水下信息，传输回地面站，在上位机上进行视频监视与录像；3.在机器人本体上安装可遥控机械手，利用上位机对其的控制，并拥有一定的水下打捞能力。本机器人实现的扩展功能：1.加装温度传感器，实现水下测温功能；2.加装压力

4、传感器，实现水深功能测试；3.加装电子传感器，实现电子测方向，实现上位机显示航行方向功能。二 申请理由机电学院与电气学院同学共同完成一个体现双方专业的，有一定难度的科技创新项目。在结合近期国内外发生的众多事件（日本海啸、王家岭透水事故、墨西哥湾石油泄漏）讨论后，决定制作一个多功能水下机器人操作平台。使该创新项目尽早实现应用，造福社会。该机器人涉及机械设计、机械制造、机械手控制、无线通信、电路制作、单片机控制、视频采集、数据无线传输与处理等方面的知识。该项目适合电气以及机电两个学院同学联合制作。组内四名成员中有三名参加了上学期科技创新活动，全部完成终期结题工作，获得院系以及导师的好评，并在上学期

5、的科技创新活动中积累了大量经验，学习了很多知识，有能力完成的科技创新活动。组内两名电气学院同学，通过上学期科技创新活动，掌握单片机知识，以及部分上位机制作技术，VB技术等。在本项目中可以负责上位机制作，机器人控制电路制作，机器人PID算法控制以及机器人与上位机之间的无线通信与数据传输等工作。组内两位机电学院同学，通过上学期科技创新活动掌握单片机知识和机械制造方面的知识，负责机器人整体外形设计制作、机器人动力系统的设计与制作、机器人仪器舱和机械手的水密性实现、机械手的设计制作以及控制等工作。课题负责人骆子重同学，吃苦耐劳，成绩优异，思维敏捷，热爱计算机编程技术，有多年编程经验，有很强的计算机编程

6、的能力和单片机编程经验，对科技创新怀有浓厚兴趣，刻苦钻研，曾经参加过机器人设计竞赛及各种学科竞赛。在大一期间完成了基于PID算法的温控系统的创新设计。郑菱莎同学，在学习和生活中全面发展，踏实肯干，动手能力强，上手快，办事认真负责，有很好的组织协调能力，曾参加过多种学科竞赛，对科技创新有浓厚的兴趣，并且具有扎实的单片机设计的基础，能熟练运用VB语言和C语言。通过上次的科技创新活动，在理论和实践方面均收获很多，希望能在新的项目中学到更多。龚肇沛同学，学生会干事，有较强动手能力，踏实肯干，接受新知识快，对科技创新活动抱有浓厚兴趣.对机械结构有一些了解。完成了上学期科技创新结题工作，并通过科技创新活动

7、积累了大量经验，有毅力有决心完成新的一项科技创新活动。宋洁同学，现为院系团总支干事、电子协会宣传部部长助理以及1008006班班委，对科技创新具有浓厚的兴趣，基本掌握初级技术。在团队里主要负责文书工作，认真负责，有热情和耐心。有较好的组织管理工作，能为本组同学提供后备支持。本组同学完成了上学期的科技创新活动，大家有足够的信心，足够的毅力以及充足的技术保障来完成这项科技创新。三 立项背景开发海洋是人类在二十一世纪面临的重大课题，而探索、考察和有效利用国际海域和海底区域是对我国发展海洋高技术和未来海洋产业提出的挑战。人类当今正面临着人口、资源和环境三大难题。随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增

8、加，人类消耗的自然资源越来越多，陆地上的资源正在日益减少。为了生存和发展，海洋开发势在必行。海洋占地球表面积的71，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矿产资源。在6000米以下的大洋底部仍有生命存在，这种在极端条件下的生命，格外受到生物学家的重视。大洋底部还沉积着极为丰富的多金属结核，尤以铜、锰、镍、钴含量最高，估计储量为l.7万亿吨。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，天然气水合物总量相当于陆地燃料资源总量的2倍以上。海底储存着1350亿吨石油，近1

9、40万亿立方米的天然气。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。1991年，中国被联合国批准为第五个深海采矿先驱投资者，承担30万平方公里洋底的探测任务，并最终拥有对矿产资源最丰富的7.5万平方公里海域的优先开采权。中国政府已把海洋开发作为21世纪的国民经济与社会发展战略重点之一。同时，中国是产煤大国，拥有众多的煤矿，一旦发生透水事故，人员被困井下，后果不堪设想。水下机器人即可应用在类似于这样的不明水下环境的探索以及水下救援等方面。无人遥控潜水器，也称水下机器人。一种工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，

10、所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具之一。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。其中有缆遥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

11、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。潜水器的水下运动和作业，是由操作员在水面母舰上控制和监视。靠电缆向本体提供动力和交换信息。中继器可减少电缆对本体运动的干扰。新型潜水器从简单的遥控式向监控式发展，即由母舰计算机和潜水器本体计算机实行递阶控制，它能对观测信息进行加工，建立环境和内部状态模型。操作人员通过人机交互系统以面向过程的抽象符号或语言下达命令，并接受经计算机加工处理的信

12、息，对潜水器的运行和动作过程进行监视并排除故障。近年来开始研制智能水下机器人系统。操作人员仅下达总任务，机器人就能根据识别和分析环境，自动规划行动、回避障碍、自主地完成指定任务。无人有缆潜水器的发展趋势有以下几点：一是水深普遍在6000米；二是操纵控制系统多采用大容量计算机，实施处理资料和进行数字控制；三是潜水器上的机械手采用多功能，将数据反馈到监控系统；四是增加推进器的数量与功率，以提高其顶流作业的能力和操纵性能。此外，还特别注意潜水器的小型化和提高其观察能力。水下机器人是多种现代高技术及其系统集成的产物，对于我国海洋经济、海洋产业、海洋开发和海洋高科技具有特殊的意义。发展水下机器人，并将其

13、作为海洋战略制高点，提升我国海洋重大装备水平，为海洋支柱产业和新兴产业提供成套技术与先进装备保障，为海洋未来产业和国家海洋战略创造有利条件与国际竞争能力，并将强大的技术领先优势，转换成为强大的产业开发优势。本项目所制作的机器人系统，可以实现水下多自由度移动，并且能实现水下视频、温度等一定水文资料的采集与传输。机械手使其具备一定打捞能力。四 项目方案4.1系统总体设计本项目目标是制造出一个水下机器人，使其能够遥控进行水下摄像、捕捞等动作。该机器人由操作员在水面上位机上控制和监视，通过WiFi与水面的浮漂通信，而浮漂与机器人间通过电缆进行连接，进行数据的传输与通信，具体框架如图4.1所示。图4.1网络通信框架我们计划完成让本机器人实现以下几个功能和技术指标：1. 能通过远程遥控，以10cm/s的速度自由地前、后、上、下、左、右、平行的移动，最快达20cm/s；2. 在水深为10m左右的位置实现摄像与捕捞功能；3. 水下机器人与漂浮球之间通过电缆传输数据；4. 漂浮体与地面站之间用WiFi通过以太网进行数据传输，使得有效距离达100米，传输速率达150Mbps；