巨鱿仿生水下机器人

1、浙江海洋学院“巨鱿”水下机器人“Architeuthis Dux” Underwater Vehicle船舶与海洋工程-智慧海洋研发团队2012-6-12012-8-29第一期，挑战竞赛设计Underwater Vehicle设计要求比赛场地：海洋航行器按申报功能进行5分钟的实航。室内游泳池（长50米，宽21米，深2米，池壁等间距布设8台水下摄像机）。比赛场地上有若干限宽门，门宽1m，高度为从池底起出水0.5m，涂装醒目的颜色。比赛中除非航行器沉底，否则不得人工干预比赛。起点-终点限宽门布设图技术要求，各种设计不做限制。动力装置：鼓励采用除螺旋桨之外的推进器；姿态控制：鼓励采用除鳍舵之外的姿态

2、控制方式；控制方式：鼓励采用除人工遥控控制之外的控制方式；数据传输：安装数据链路，在地面实时显示航行轨迹。系统使用频率要求：系统使用频率应符合国家无线电管理委员会的频率分配规定，参赛者应在规定时间上报系统使用频率，一经上报不能改变。现场不能随意开机，届时赛场将备扫频仪和GPS信号监视设备，违例将被取消参赛资格。评分要点：根据航行器航行姿态、航线航行、穿越限宽门（或避障碍）、动力方式、航行控制的方式、航行控制的精确性和稳定性、抗过载结构设计等内容评分，设加分项。分值包含航行评分、功能评分，系统设计报告作为评分参考。每个评分项由评委打分取平均值计入总分。各奖项按分数高低取名次。评分项加分项1.使用

3、新型推进方式5-102.使用新型导航控制方式5-103.装载前视或下视或侧视摄像装置，且可实时下传图像供地面显示3-54.具备下潜持续航行能力2-55.总体设计新颖2-56.加工水平2-57.航海文化创意1-58.其它功能（每项）1-21海底矿产概要海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源，随着陆地资源的枯竭，海洋资源的开发利用对人类发展和社会进步的推动作用越趋明显。矿产种类可以毫不夸张地说，海洋中几乎有陆地上有的各种资源，而且还有陆地上没有的一些资源。目前人们已经发现的有以下六大类：1、石油和天然气据估计，世界石油极限储量1万亿吨，可采储量3000亿吨，其中海底石油1350亿吨；世界天然气储量2

4、55280亿立方米，海洋储量占140亿立方米。上世纪末，海洋石油年产量达30亿吨，占世界石油总产量的50%。我国在临近各海域油气储藏量约4050亿吨。由于发现丰富的海洋油气资源，我国有可能成为世界五大石油生产国之一。2、煤铁等固体矿产世界许多近岸海底已开采煤铁矿藏。日本海底煤矿开采量占其总产量的30%；智利、英国、加拿大、土耳其也有开采。日本九州附近海底发现了世界上最大的铁矿之一。亚洲一些国家还发现许多海底锡矿。已发现的海底固体矿产有20多种。我国大陆架浅海区广泛分布有铜、煤、硫、磷、石灰石等矿。3、海滨砂矿海滨沉积物中有许多贵重矿物，如：含有发射火箭用的固体燃料钛的金红石；含有火箭、飞机外壳

5、用的铌和反应堆及微电路用的钽的独居石；含有核潜艇和核反应堆用的耐高温和耐腐蚀的锆铁矿、锆英石；某些海区还有黄金、白金和银等。我国近海海域也分布有金、锆英石、钛铁矿、独居石、铬尖晶石等经济价值极高的砂矿。4、多金属结核、富钴锰结核多金属结核含有锰、铁、镍、钴、铜等几十种元素。世界海洋35006000米深的洋底储藏的多金属结核约有3万亿吨。其中锰的产量可供全世界用18000年，镍可用25000年。我国已在太平洋调查200多万平方千米的面积，其中有30多万平方千米为有开采价值的远景矿区，联合国已批准其中15万平方千米的区域分配给我国作为开辟区。富钴锰结核储藏在3004000米深的海底，容易开采。现在

6、美、日等国已设计了一些开采系统。海底矿产资源是指赋存于大洋海底表层的沉积物中的多金属结核（又称锰结核）矿产。大洋锰结核这一巨大的潜在矿产，广泛分布于世界的洋底。由于其形态和成分上的特征各异，人们通常又把它称为锰结核、锰团块、锰矿球，或锰瘤等。它人多产于海底表层，赋存的海域主要为水深30005000米的深海平原、海沟、海谷、海底火山和群岛附近。开采海底矿产锰结核矿的最大特点是蕴藏量巨大，所含的稀贵金属铜、钴、镍又多。仅就太平洋海域而言，据梅洛和梅纳德估计；其蕴藏量达16000多亿吨，约含锰2000多亿吨，铜50多亿吨，镍90多亿吨，钴30亿吨，相当于陆地矿山中储有铜的50倍，锰的200倍，镍的6

7、00倍，钴的3000倍。如果考虑到大洋锰结核矿如此大的储量，而且还在继续增长，可以毫不夸张地说，深海大洋锰结核矿是人类“用之不竭的资源”。5、热液矿藏热液矿藏是一种含有大量金属的硫化物，海底裂谷喷出的高温岩浆冷却沉积形成，已发现30多处矿床。仅美国在加拉帕戈斯裂谷储量就达2500万吨，开采价值39亿美元。6、可燃冰是一种被称为天然气水合物的新型矿物，在低温、高压条件下，由碳氢化合物与水分子组成的冰态固体物质。其能量密度高，杂质少，燃烧后几乎无污染，矿层厚，规模大，分布广，资源丰富。据估计，全球可燃冰的储量是现有石油天然气储量的两倍。在上世纪日本、前苏联、美国均已发现大面积的可燃冰分布区。我国也

8、在南海和东海发现了可燃冰。据测算，仅我国南海的可燃冰资源量就达700亿吨油当量，约相当于我国目前陆上油气资源量总数的1/2。在世界油气资源逐渐枯竭的情况下，可燃冰的发现又为人类带来新的希望。由于人类对两极海域和广大的深海区还调查得很不够，大洋中海底矿产如何开采等待人类解决。小型简易作业型ROV 深水机器人ROV水下机器人概述随着石油、天然气等海洋资源的开发从近海延伸到深海，水下机器人(也称无人潜水器)因其安全、高效、作业深度大、能在水下长时间工作而日益成为开发海洋资源的重要工具。按照无人潜水器与水面支持设备(母船或平台)间联系方式的不同，水下机器人可以分为两大类：一类是人远程遥控水下机器人，即

9、遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicle，ROV)，通常有脐带缆;另一类是无缆水下机器人，即自动水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)，自带能源，依靠自身的自治能力来管理和控制自己。小型的水下机器人为了减小行进阻力，减少动力消耗，通常采用玻璃纤维和金属板件将外表做成流线型，如鱼雷形或者球形。而无缆水下机器人(Auv)由于携带的能源有限，为了增加水下操作时间，减少动力消耗，所以一般更加注意减少行进阻力，注意形体方面的优化。ROV经济性好、下水出水灵活性高、环境适应性好、作业效率高、使用有效等优点，ROV通过与水面相联的脐带电缆获

10、取能源，动力充足，作业时间不受能源的限制，可搭载较多的仪器设备;信息和数据的传递和交换快捷方便、数据量大;操作者在水上控制和操作，工作环境安全;其运行和控制等由水面功能强大的计算机、工作站与操作员通过人机交互的方式来进行，人的介入使得许多复杂的控制问题变得简单，可以实现实时控制潜水器的运动状态，实时观察潜水器探测的目标信息和声纳视频图像，作业效率更高，其总体决策能力和水平较高，应对环境能力更强。此外，ROV没有电池舱，重量和体积要小于同级别的AUV，技术要求和成本也相对较低。但其活动范围受到脐带电缆的制约，特别是在复杂水下环境下易造成缠绕事故，根据本比赛要求穿过多个限宽门，综合考虑采用无线遥控

11、模式。深水作业 ROV观测 ROV吊放 “巨鱿号”ROV简介用于海底矿产勘探和采样工作系统总体定位海底蕴藏巨量的贵重矿产资源，由于海底条件恶劣状况复杂，水下机器人(也称无人潜水器)因其安全、高效、作业深度大、能在水下长时间工作而日益成为开发海洋资源的重要工具。本设计主要针对海底矿场资源勘测，钻探、取样的作业型机器人。潜器尺寸：（长宽高）<1m*0。6m*1。5m结构材质：PVC塑料+不锈钢+ABS树脂+特种铝+钛合金+碳纤维浮力和压舱物：PVC泡沫浮体，开放式结构重量：约计75kg；有效载荷：15kg。(基础ROV本体)推进器：4个直流无刷式推进器-2个水平方向(前进推动力11kg)-1

12、个垂直方向，预留两电机接口（控制与驱动）压力补偿，用于推进器的电子重置过电流保护装置速度：水平2，8节，垂直1。2节，侧向？节。转圈率60度/秒。摄像头：标准摄像头：彩色LL。CCD，460TV线，0。1lux。附选：变焦摄像头，480TV线，1lux，机械臂：一台两自由度机械臂，预留一台三自由度机械臂位置与接口。铅蓄电池：12V-20Ah电池四节。外围附件：2个照明灯，主体无缆遥控：激光雷达定位、无线视频传输、无线微波遥控仿鱿鱼特性，仿生鱿鱼腹部为浮体材料，使得机器人能在海中沉浮，仿生腕足的多个机械手臂，能在海底各种作业。例如进行海底表层钻探时，钻杆从主体中间深入海底，绕口周围多个机械臂如鱿

13、鱼腕足牢牢的抓固在海底，保证钻探的稳定性；单个机械手臂可进行水下物品抓取采样；单个多个机械臂进行协作，如爬行动物一样在海底行走。主体为圆锥形结构，上部为浮体，下部为主负载。整体结构采用了分层式造型，整体分为顶层、中层和底层三层，两边辅以高强度的树脂边框。顶层主要用来安装固定后面采用的浮力块，而中层主要用来安装固定装载有控制元件的浮力筒和悬挂推进器，下层主要是留出安装后续的扩展设备，譬如机械手，配重块之类。三层的所有零件基本上都采用不锈钢饭金件，在保证强度的同时还能兼顾整体的美观。 侧视图 俯视图设计灵感巨鱿Giant Squid(拉丁文Architeuthis Dux)。鱿鱼是头足纲的软体动物

14、，反应极为灵敏，行动十分迅速，巨大的身躯在海中矫健如飞。头部两侧具有一对发达的眼和围绕口周围的有8只腕足和2条长长的用于进食的触角。隐藏于它们吸盘中的微型钩子可以牢牢锁定猎物，捕食食物时用触腕缠住将其吞食。鱿鱼喷射如水下火箭，行动迅速，腕足灵活自如，抓取物体。提供足够浮力，巨型鱿鱼体内含有大量的氨。 8只腕足灵活自如触角上吸盘内倒刺牢牢抓住鱿鱼仿生鱿鱼特性，仿生鱿鱼腹部为浮体材料，使得机器人能在海中沉浮，仿生腕足的多个机械手臂，能在海底各种作业。例如进行海底表层钻探时，钻杆从主体中间深入海底，绕口周围多个机械臂如鱿鱼腕足牢牢的抓固在海底，保证钻探的稳定性；单个机械手臂可进行水下物品抓取采样；单

15、个多个机械臂进行协作，如爬行动物一样在海底行走。主体为圆锥形结构，上部为浮体，下部为主负载。整体结构采用了分层式造型，整体分为顶层、中层和底层三层，两边辅以高强度的树脂边框。顶层主要用来安装固定后面采用的浮力块，而中层主要用来安装固定装载有控制元件的浮力筒和悬挂推进器，下层主要是留出安装后续的扩展设备，譬如机械手，配重块之类。三层的所有零件基本上都采用不锈钢饭金件，在保证强度的同时还能兼顾整体的美观。采用这种形式的整体框架主要是考虑到分层式结构在总体布置方面比较方便，层次分明，加挂和装换设备仪器比较容易，而且高强度的树脂边框（钛合金，碳纤维）还能起到围护、支撑和保护其他部件(推进器、浮力筒、摄

16、像头等)的作用。主体浮动框架主结构：升降及平衡设置模块设计；鱿鱼主体：错落粗管鳐式平衡：调节平衡。ROV除承受自身重量外，ROV经常需携带一些外载荷，完成一些特殊作业任务，如携带吸泥泵、液压剪、液压扳手、钻石线切割锯、打磨刷等作业工机具，携带海底管线/电缆检测工具TSS340、声纳等检测设备。尤其是在深水作业中，尽可能携带所需的全部工机具，能完成所需的各种作业，减少了ROV往返支持船甲板与水下作业现场路程与时间，极大提升ROV作业能力与工作效率。由于要求体积很小，各部分必须高度集成，充分利用空间，因而设计潜水器本体的总布置。主结构由7部分组成，分别是：基础框架、上尾舱、下尾舱、左前舱、右前舱、

17、底座、防撞架，其中基础框架为结构的核心参照和承力结构。基础框架的上部为吊点，下方连接底座，前方连接左右前舱，后方连接上下尾舱。左右前舱之间形成云台的安装空间。防撞架也固定于基础框架上，并环绕左右前舱，用于保护云台设备。主结构采用锻铝表面经阳极氧化处理，部件连接采用不锈钢螺栓，密封件采用丁腈橡胶O形圈。动力推进及姿态调节系统动力装置：螺旋桨之外、姿态控制：鳍舵之外。为满足后期改进，主控器预留多个推进器接口。水下机器人的运动都是靠推进器来实现，其中绝大部分属于电机推动器，还有少量的液压推进器。一般水下机器人要求能实现水下空间的六自由度运动，三个平移运动即进退、升降、侧移，三个回转运动即转向、俯仰和

18、横摇。由于水下机器人的使用目的和场合不一样，并非所有的都要做6自由度运动，但是为了满足水下机器人的最低机动性，至少也要求水下机器人能实现进退、升降和转向三个自由度的运动。这一次的作业型机器人主要定位在完成水下任务上，要求能快速准确的到达观测目标所在地，所以对于平移运动的要求高于回转运动，而在三个姿态角方面，航向角直接关系到水下机器人的前进方向，是最重要一个姿态角，所以2个水平推进器要求推力大，转速控制精度高（安装光电编码转速反馈）俯仰角主要关系到机器人的爬坡运动，但是这种工况比前进运动出现得相对少一些，所以重要性相对次之。这一次的作业型机器人的机动特性要求并不高，所以主要定位于实现三个平移运动

19、和转向运动。水下机器人要求实现的运动即自由度直接影响到后面推进器数量和布局。由于本机器人侧重于水下勘探作业，而非进行远距离航行，故驱动系统主要进行上下运动，保证推进灵活性。因前期控制开支，减少电机数量，布置2个水平推进器和2个垂直推进器。要求电机可以控制调速，正反转倒车。电机采用高性能直流无刷电机，大功率推进。推进器布置及机动能力水平推进器沿纵向布置，与浮心具有同等高度。垂直推进器沿垂向布置，与浮心具有同样的纵向坐标。相比于单垂直推进器的设计，左右两个垂直推进器设计具备更佳的横倾调节能力。推进器结构设计本次水下机器人的推进器均采用自主设计组装形式。推进器主要由推进电机、连接架、螺旋桨、导流罩和

20、传动轴几大部分组成。其主要工作原理为通过变频器调节电机转速，使之与螺旋桨转速匹配，然后推进电机通过联轴器与传动轴连接，然后带动螺旋桨旋转。其中导流罩通过4根辐条直接固定在电机上，为了防止抖动时产生干涉，另外还增加两根连接条将导流罩与连接架固定。推进器轴线与ROV摆放形式选择上面这种布局方式主要是考虑到它的水平机动性较好，推力平稳，可知，当使用的推进器性能差别不大而且a角取5o(仍可根据后续实际情况调整)时，损失在y轴方向的推力和：轴的转矩都会相当小，在推进器推力有限时，采用这种方式的布局能够合理的增加推力，并造成的扰动最小。方案三、液压动力系统除AUV与小功率的ROV以外，载人潜水器与大功率水

21、下机器人都需要利用电液控制系统进行作业，并使用压力实现各种机器人动作，如机械手动作；螺旋桨的驱动控制等等。液压系统相比于电动控制有以下优势：1.液压系统的重量功率比和重量扭矩比小，能容量大，这是深海水下运载器减少体积和重量所需要的。在相同功率下，电机比液压马达重量大12-25倍，在相同扭矩下，电机比液压马达重12-150倍。2.液压系统容易获得较大的力和力矩，一般机械传动欲获得很大的力或力矩，要通过一系列复杂的减速，不仅结构复杂，效率低而且成本高。液压传动比较容易使工作油液获得高的单位压力。3.能在较大范围内实现无级调速。液压系统采用变量泵或调速阀，或两者同时使用，可使执行机构做到大传动比的无

22、级调速。4.用恒功率变量泵容易在较大范围内实现恒功率调节。在相同功率下，可以有效的提高工作效率，减少动力消耗。在PV值(压力与速度的乘积)基本恒定的情况下，能适应工作负荷经常变化的需要。5.传递运动平稳，均匀，无冲击，运动惯量小。由于液压马达体积小，重量轻，其运动惯性质量不超过同功率电机的10%，所以启动快。新型推进器设计高压气瓶驱动控制气动阀门，蒸汽喷射推进，低噪声，无泵，高温高压蒸汽喷射推进。自主最新发明：磁流体与喷射混合推进技术-高速高效低噪音喷射推进技术。喷水推进，优势互补。创新设计：水下矢量推进技术姿态调节系统平衡调节装置，采用陀螺仪gyroscope利用高速回转体的动量矩敏感壳体相

23、对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。静电、激光和光纤等三种高精度陀螺仪的工程设计方法，光学陀螺仪没有与加速度有关的误差，而且它的优点是启动快，不需要预热和温度控制；测量速度范围没有限制，标度因数的线性度和稳定性高。因此，和机械陀螺仪相比较，光学陀螺仪在低成本和小型化等方面具有优势，可以预期它们将会有进一步的发展。光纤陀螺仪光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的变，决定了敏感元件的角位移。买光纤陀螺仪就到航天长城光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启

24、动，结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低。激光陀螺仪激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度（Sagnac效应）。在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。通过陀螺仪感应装置的变化，通过调节滑动的重力块改变重心，达到平衡。俯仰结构示意图手臂抓取及钻探系统电液混合驱动-仿生机械设计。尤其是水下作业机械手来说，每增加1个自由度都要耗费巨大的成本。方案一：串联机械臂关节型又称回转坐标型机械臂，这种机械臂模拟了人体上肢的运动。机械臂的基

25、座、大臂和小臂由三个转动关节依次连接，参照人类上肢，这三个转动关节分部被称作腰关节、肩关节和肘关节，前三个关节的作用是将末端执行器送达预定位置，而末端执行器的姿态则由腕部状态确定，腕部多采用两自由度或三自由度的结构。对于抓取作业，则可通过腕部动作对作物进行分离而尽量少用大关节。关节型机械臂的主要缺点是坐标计算及控制较复杂，定位精度差，由于转动关节太多，不适于重载，但是工作空间大，动作灵活，通用性强，而且样品本身重量并不大，采样定位精度要求也不高。方案二：并联机械臂并联机械臂相对于串联机械臂，具有承载能力强、刚度大和结构简单等优点。相对于四自由度机械臂，三自由度机械臂结构紧凑，重量较轻，体积较小

26、，控制容易，是近年来国际上机器人领域关注的热点之一，如3-RPS并联机构和2T1R空间并联机构等。文中提出了一种新型三自由度拟人并联机械臂，分析了该三自由度并联机械臂的位置和工作空间，为其合理的设计和应用提供了理论基础。这种机械臂的机构动平台相对于静平台具有2个移动和1个转动自由度，具有结构简单，机械臂重量较轻，工作范围大，装配工艺性好等优点。新型三自由度机械臂的结构布局特点新型三自由度拟人并联机械臂的机构示意如图1所示。其中直线电机1和3，导轨12，滑块10和11，定长杆9，支撑杆8构成一条2P-4R运动支链1，铰接于腕7的一端;直线电机2，导轨4，滑块5，定长杆6构成另一条1P-2R运动支

27、链2，铰接于腕7的另一端;各个转动副的转动轴线相互平行;各个移动副之间相互平行。整个机构由3个直线电机驱动，完成腕的2个自由度的移动和1个自由度的转动。方案三：液压机械臂：而对于机械手，尤其是水下作业机械手来说，每增加1个自由度都要耗费巨大的成本。而对于机械手，尤其是水下作业机械手来说，每增加1个自由度都要耗费巨大的成本。机械手有7个自由度，其中手臂4个自由度，腕部3个自由度。其关节由液压叶片马达和气动肌肉驱动器驱动。机械手的手爪是三指灵巧手，有7个关节，均由一个气动肌肉驱动器驱动。方案四：采用多种方式混合机械臂：爪子为电机驱动，大臂为液压驱动，内部结构灵巧。主臂与辅臂-爪子优化设计-采用模块

28、化安装，类似瑞士军刀，根据作业对象，对应更换。多用途专用钳-刀-夹钻探系统（水下悬浮式钻探与机械臂紧抓式钻探）悬浮式-灵活方便-适合浅层采样。钻机旋转时候，力的作用与反作用，装置本体会反向旋转，需安装侧推，与回旋力抵消，保持本体平衡，如同直升飞机，主旋翼与侧推尾桨。直升机动力主要由主旋翼和尾桨。旋翼一般由涡轮轴发动机或活塞式发动机通过由传动轴及减速器等组成的机械传动系统来驱动，也可由桨尖喷气产生的反作用力来驱动。直升机发动机驱动主旋翼提供升力，把直升机举托在空中，主发动机同时也输出动力至尾部的小螺旋桨，机载陀螺仪能侦测直升机回转角度并反馈至尾桨，通过调整小螺旋桨的螺距可以抵消大螺旋桨产生的不同

29、转速下的反作用力。水下悬浮钻探装备，电动机驱动钻机旋转，同时通过联轴器带动侧推尾桨旋转，通过设计优化转速比，尾桨型号，使得不论钻机旋转快慢，尾桨侧推力恰好等于回旋力，使得本体平衡。通过称为“倾斜盘”的机构可以改变直升飞机的旋翼的桨叶角，从而实现旋翼周期变距，以此改变旋翼旋转平面不同位置的升力来实现改变直升机的飞行姿态，再以升力方向变化改变飞行方向。水下机器人导航定位系统激光雷达定位技术在室内环境下，水下机器人要到达一定的位置并完成一定的任务，首先必须根据周围环境中的特征信息确定自身在环境中的相对位置，这就是水下机器人的定位。定位技术是水下机器人导航的关键和基本问题。目前，水下机器人的导航定位方

30、法有很多，两种最基本的位姿估计法为绝对定位和相对定位。绝对定位是指利用导航信标或地图来进行定位，主要包括：GPS导航定位、概率定位、电磁导航定位以及声音导航定位等，这些方法大多测量精度不高，且所需时间长。相对定位就是由水下机器人初始位置的距离和方向来确定当前位置的过程，主要包括惯性导航定位和激光或红外的导航定位等，其中由于激光的测量距离远、精度高和不易受干扰等优点而成为目前定位研究的热点。提出一种利用一维激光测距仪完成室内水下机器人定位的方法，有效降低了工程应用中的设备成本，与已有的位姿估计法和地图匹配法相比，简化了机器人定位问题，使定位更加简便。LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)

31、和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即Light Detection And Ranging-LIDAR。LiDAR是激光探测及测距系统的简称。用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统、信息

32、处理等部分组成。发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成；接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法按照探测的原理不同可以分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等激光雷达。激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能

33、精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。水下机器人定位过程原理坐标系的建立该方法通过各种几何方法确定水下机器人与室内环境的位置关系，所用到的坐标系统主要有两个，机器人坐标系和室内参考坐标系。水下机器人在导航定位过程中，为了寻找角点，需要转动安装在机器人上的云台带动一维激光测距仪的旋转，直到一维激光测距仪的光斑对准目标点。所以本文选取将机器人坐标系建立在云台上，以云台旋转的水平方向为X轴，纵轴移动方向为Y轴，按右手系确定Z轴。

34、由于机器人是移动的，机器人坐标系也是相对的，所以要建立一个室内固定的参考坐标系来准确定位机器人和空间物体。为了更好的描述水下机器人及室内物体的位置，本文中室内参考坐标系选取以墙角为顶点。两个坐标系的建立示意图如图1所示。定位系统原理首先，要确定机器人坐标系统与一维激光测距仪的相对位置关系。由于机器人坐标系建立在云台上，因此先对云台和一维激光测距仪标定，这是准确求取目标点在场景坐标系中三维坐标的前提条件。其基本方法是先在云台上建立机器人坐标系，然后利用云台获取的水平方向和垂直方向的旋转角度分别记为A和B，以及一维激光测距仪采集到的距离信息d求取其转换关系。这样室内环境中任何一特征点在机器人坐标系

35、下的三维坐标，记为(xt,yt,zt)，都可以通过此转换关系求得。通过人机交互式遥操作旋转云台寻找墙角，使一维激光测距仪的光斑打到此墙角点，并以此墙角点为坐标系原点，墙角三条棱线为坐标轴建立室内参考坐标系。根据上面所述，空间目标点在机器人坐标系下的三维坐标在对云台和激光测距仪标定后都可以求得，以下要解决的问题是如何把目标点在机器人坐标系下的三维坐标转换到室内参考坐标系下。为完成机器人坐标系和参考坐标系的转换，必须要求出两个坐标系的旋转矩阵R和平移矩阵T。而要求得R和T必须在两个坐标系下有至少三个已知坐标的非共线点才能进行测量，即若能在机器人坐标系(设为O1)和参考坐标系(设为O2)下寻找到至少

36、三个在两个坐标系下坐标分别已知的公共点，且三个点非共线，便能求出O1和O2的相对关系，即可以求出R、T。以下的问题就是要解决如何在机器人坐标系下得到三个以上的点的坐标并通过激光测距仪的距离信息得到旋转矩阵R和平移矩阵T。通过旋转云台，由激光测距仪扫描得到在参考坐标系下的分别在X、Y、Z轴上的三个点A、B、C，如图2所示。的DLS-C15激光测距传感器 LMSZOO单线激光雷达是最常用的激光雷达类型，其优点是数据获取速度快，一帧数据只包含一条扫描线，数据量小，便于快速处理。这种激光雷达的缺点是只能获得位于一个扫描平面的数据，这种数据在严格意义上仍属于二维空间数据。本文研究中使用的单线激光雷达参数

37、见。扫描角度范围180扫描电机工作周期75角度分辨率0。25/0。5/1目标10%反射率下测量距离10最大测量距离80测量分辨率10系统测距误差+-15工作温度0-50视频无线传输无线模拟视频监控系统基本应用方案简要技术说明一、无线图像监控系统的基本组成前端：摄像机、镜头、云台、解码器，与闭路监控系统相同。终端：硬盘录像机、监视器或电视机、矩阵等控制器，与闭路监控系统相同。传输通道：包括两个分系统：微波图像传输系统-用于把监控点图像传送到监控室。无线数据传输系统-用于把监控室各项控制命令传送到监控点，以实现监控点云台、镜头等无线控制。二、无线图像传输系统：无线发射机-无线接收机-低噪声放大器-

38、八木定向天线三、无线监控系统传输特点微波图像传输系统：-无线、实时、连续、无失真传输一路图像和声音。-接驳任何品牌的彩色/黑白/夜视摄像机、硬盘录像机、矩阵、监视器、电视机等视频设备。标准模拟视频和音频信号。-传输距离300米50公里。无线数据传输系统：-无线、无延时、灵活传输云台镜头等控制命令。-接驳任何品牌的硬盘录像机、矩阵控制器以及专用键盘。-RS232或RS485标准数据接口，码速率：1200/2400/4800/9600可选。-传输距离5-30公里，可与微波图像系统配套。四、微波信号的传输条件采用微波产品构建无线远程电视监控系统，有一个近似苛刻的条件是要求每一监控点到监控之间空中无阻

39、挡，即要求发射天线和接收天线之间无阻挡，也就是所谓的视距传输条件。视距传输条件的内涵是：眼睛能够看到的地方（或光能够穿透的东西），微波信号就能够传过去，否则微波信号就传不过去。微波图像传输系统的传播特点：微波图像传输系统工作频率高，相对波长短，其绕射能力差，传输时，必须满足视距条件。即接收和发射天线之间无遮挡，有遮挡时可加大功率绕射或设立中继站发站。无线数据传输系统的传播特点：由于监控系统的控制分系统工作于一点对多点的方式，一台发射机要求能够覆盖所有监控点，为此，一般无线数据传输系统都工作在高频波段，其频率比较低，信号的绕射、反射能力强，所以发射天线和接收天线之间无需满足可视条件，也就是说一般

40、情况下，无线数据发射机和无线数据接收机之间可以有阻挡。五、无线监控系统连接与调试微波图像传输系统：可以驳接任何品牌的摄像机、球机，彩色或黑白摄像机。无需调试，即装即通。DC12V供电。无线数据传输系统：透明通道，无需用户提供任何通信协议。直接与硬盘录像机或矩阵控制器相连即可。AC220V或者AC24V供电。数据格式：1个停止位，8位数据位，奇/偶/无校验（可设置），无需调试，即装即通。毫瓦级无线影音传输设备是一种各方面性能都比较的出色的品种，它的功率余量大，更能适合各种复杂的实际环境。在使用0db的小全向天线时，在空旷地能保证传输500米以上，而且发射机工艺精湛，金属外壳，散热条件良好，长时间

41、工作温升很低。信号输入端子是常用的AV插座，所以能更方便地和摄像机、VCD等信号源配接。发射机体积62x42x48mm，重量70克。毫瓦的设备清单：毫瓦发射机-0dB的小全向发射天线-0dB的小全向接收天线-小型接收机工作频率：1.2GHz频点：1.08G、1.12G、1.16G、1.20G1.3GHz频点：1.24G、1.28G、1.32G、1.36G2.4G频点：2.413G、2.432G、2.451G、2.47G操作说明：A、将音视频连接线，两端的红、白两个头，用于接收机跟监视器(电视机)之间的连接；其中PT-603接收机：VIDEOOUT为视频输出，AUDIOOUT为音视输出，分别连接

42、于监视器(电视机)的视频、音频输入口；B、将发射机的VIDEO与摄像机(头)VIDEO通过AV线连接线起来，其中发射机的工作环境要求为DV12V稳压电源，亦可使用干电池供电；C、无线影音传输设备工作前必需做到：通电前必需先接天线；D、频道选择：在发射机侧面有一组四位的拨码开关，改变发射机侧面的拨码位置就是改变发射频道。工作电压DC9-12V，工作电流600mA，频道数量4个频道，传输频率0。9G1。2GHz，接收频率0.9G1.2G输出功率1000mW，无障碍传输距离500800m，外形颜色黑色，工作温度-10°+50°接收机体积115*60*20，发射机体积62x52x3

43、8mm(mm)，重量200g功能特点：DC12V供电、耗电小、输出功率大、传输距离远；体积小、重量轻、散热快、密封效果好，全防水外壳；PLL技术、线性调试、防浪涌技术、具有较强的抗干扰性能；调频方式、音视频同步传输，图像实时连续且清晰稳定，无失真。整体结构材料与浮体材料浮力筒设计浮力筒密封结构设计一般是将其安装在一个绝缘的腔体内。通常的实际做法有以下两种：首先就是将腔体里面充油，通过油来实现空间的绝缘，这种方法可靠性比较好，而且能够保证内外压平衡，降低腔体壁厚减轻重量，这种形式一般在深海环境下使用较多;另外一种就是采用耐压浮力筒，并进行相应的密封设计，保证空间的绝缘同时又能提供相应的浮力。这种

44、做法主要用于浅水及中等水深的环境，由于工作压力有限，所以壁厚通常也不会很大。它的绝缘可靠性完全取决于密封，所以密封形式的选择及结构设计显得相当重要。从现有的水下机器人发生使用故障来看，因为密封问题产生的电子元器件故障比其他故障要多。考虑到工作压力不是很大，而且最后尾部封头需要安装多个水密接插件，而且接插件与封头之间也存在密封问题，所以最后确定尾部封头采用平盖形式。ROV除承受自身重量外，还需承受外携载荷的重量，这就需足够浮力材料为ROV在水中重量提供浮力补偿，保证ROV在水下游走时具备最大的稳定性与机动性，因此，浮力材料除为ROV提供必须的净浮力外，还能提高ROV携带有效载荷能力，减少ROV整

45、体重量与外型尺寸，提高其水下运动能力，是ROV必不可少的一部分。一台ROV配备浮力材料取决于ROV携带实际载荷情况，因此，ROV规格数中，一个重要参数是其携带外载荷的能力。喷涂黄油漆，浮力材料一般安置在ROV顶部，而底部安放重型部件，这样整个ROV系统的浮力材料中心与ROV重力中心分开，便可在ROV水下工作时，为ROV提供灵活性、稳定性。当ROV不携带外载荷时，需放置铅块做压载物，来调整ROV的浮力状态，ROV出厂时，其供应商都会配备相应的铅块。装备在ROV的外载荷是静态的，故浮力材料补偿ROV重量时，尽可能保持ROV在水中接近中性，以提高ROV运动的机动性，但实际中ROV常保持略正浮力状态，

46、以保证ROV脐带缆被水下结构物或船螺旋桨割断后，能利用其自身正浮力漂浮至海面，能被快速搜查与打捞上来。电控系统控制方式：采用无线遥控方式、半潜巡航设计无线遥控：背鳍露出天线，天线防水，潜入水下1米，岸上也可接收信号进行工作，潜水状态时进入无人自动工作状态，天线收缩（或裸露在水中）自动控制。电控系统ROV水下控制系统设计，微处理器（MCU）融合了处理器。它具有丰富的系统与应用外设及标准的接口：外部总线接口（EBI）、10/100Base-T型以太网卡接口、4个通用同步/异步接收/发送器（USART）、主机/从机串行外设接口（SPI）、两线接口（TWI）、3个同步串行控制器（SSC）、USB2。0全速（12MB/s）主机端口、USB2.0全速（12MB/s）器件端口等等。该芯片具有高性能、低功耗、低成本、小体积等优点，广泛应用在各种嵌入式系统中，如通信、军事、航空、航天、工业控制、交通等领域。控制系统的其它模块的搭建。光纤发射卡-通讯串口电子罗盘调试串口-多通道A/D模块-开关量输入。3.1控制系统最小系统设计控制系统的最小系统或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的可以工作的系统，通常由微控制器（MCU），时钟电路、实时电路、扩展存储器电路、复位电路等组成。为减少系统的复杂性系统最小系统没有搭建实时电路，