1、设计背景

当今世界，海洋是一个巨大的资源宝库，开发蓝色国土，拓展生存和发展空间，“人类重返海洋”将成为全球经济发展的大趋势。世界沿海国家和地区正在进入全面开发利用海洋的新时期，美、俄、中、英、法、日、加拿大、韩、印度以及东盟诸国等140多个国家相继制定海洋科技发展和海洋开发计划，采取具体措施加快抢占海洋科技的制高点，海洋开发已成为全球产业进步的重要标志，海洋经济已成为全球经济发展的重要增长点。海洋是强国之本，谁掌握了海洋，谁就掌握了经济发展的未来。没有强大的海洋科技事业，就没有强大的现代海洋经济，就不可能成为真正的经济强国。我国是海洋大国，但不是强国，人均占有陆地面积和资源量都远远低于世界平均水平，研究开发利用海洋是顺应世界海洋开发大潮。为了推动海洋经济持续快速的发展，科技部、国家计委、国家海洋局、农业部联合推出了“科技兴海”计划。《中国海洋21世纪议程》把“科技兴海”作为海洋经济可持续发展的重大意义的战略选择。海洋经济的开放性和带动性，强渗透力、宽辐射，可以拓展新的经济增长空间，优化经济结构，建立开放型特色经济，促进我国更快走向世界，对实现中华民族的伟大复兴具有重要政治经济意义。

21世纪是人类向海洋进军的世纪。深海作为人类尚未开发的宝地和高技术领域之一，已经成为各国的重要战略目标，也是近几年国际上激烈竞争的焦点之一。但是在海洋资源的开发及运输过程中不可避免发生一些安全事故，轻则船体或者飞机等运输工具损坏造成财物损失，重则人员伤亡，白白损失许多资源，据可靠数据显示平均每天都有4000多航班的飞机在天上来去和2000多次的轮船在海上运输 然而在这过程中由于环境以及人为各种各样的原因导致在这过程中存在重大的安全隐患。从MH370失事到东方之星号客船失事，都造成了重大人员伤亡和财产损失，还有在海边、水库、江河、湖泊中游泳溺亡的事故不断发生，在这种情况下短时间内无法展开大型搜救装置进行救援工作，一般只能由潜水员进行水下搜救，但是如果存在快速小巧的水下搜救装置可很大程度减少人员以及物资的损失。而在现在国内外所有搜救装置中普遍都是大型搜救装置，而且大型搜救装置不便于使用，不能在第一时间内赶到事发现场开展救援工作，浪费大量时间及人力，错过最佳救援时机。在结合实际过程中，本研究小组设计一款辅助潜水人员进行水下搜救的装置。这款装置弥补了各个大型搜救装置的大部分缺点。

2、研究现状

现在我国使用的水下搜救装置基本情况如下:

第一，基本利用有线信号传输，而在无线方面的研究几乎为零，有线传输距离易受限制，不便于广泛使用；

第二，在装置大小方面，现在使用的装置体积较大，不利于运输携带不利于运输、搜救，小型的搜救装置可以更灵活的搜索各个位置，便于行动；

第三，在装置价位上，以往的搜救装置都在万元以上，不能在许多地点做到多点布控，不能很好对事故现场在最短时间内做到最大范围的搜救；

第四，在使用上，现在使用的装置需培训后专人操作，而且需要定期保养修复，而这次设计的装置仅要手机便可控制，仅需要给设置充电即可。

水下机器人是一种具有人的一部分或大部分功能，能够在海洋环境下代替人进行某种作业的自动控制装置。通常是依靠电缆提供的动力(有缆水下机器人)或自身携带的能源(无缆水下机器人)驱动载体上装有的推进器在水下作三维运动，并可装设照明、摄像、声纳等观测设备，多种传感器及用来完成某种作业的机械手和作业工具。

由于海洋开发所需从事的项目内容非常多，实施的作业也极富多样性，因此，水下机器人的系统构成、形体、总体布置都不尽相同。虽然有许多国家都在研制和生产水下机器人，但每种水下机器人都没有进行批量生产，因此，目前还没有一个完善的设计准则。但在水下机器人结构方面己有一些成功的经验，可供设计水下机器人结构时作参考。

水下机器人外形结构设计所涉及的因素很多，主要包括以下几个方面:水下机器人形体的选择、耐压壳体的设计、推进器的布置、水密接插件、重心和浮心的计算和整体平衡的考虑。

3、主要部件及结构

因考虑到水压，以及透光性等原因，决定利用亚克力材料球作为外壳，从而维持内部系统的稳定工作环境，摄像头的可见度等问题。推进系统由五组发动机及电调组合而成，能够很好的实现三轴方向的运动，并很好的解决了目前很多潜艇转向困难的问题，也能够提供更加充足的动力。潜艇由蓄电池保证能源供给，能够在尽量缩小空间的前提下更充裕的给多个设备提供电力输出。由于水体对于电磁波频率的吸收，无法应用正常的2.4GHz频率传输数据，而有线传输又在很大程度上限制了潜艇的运行范围，在研究查询后发现，5GHz能够实现水下的信号传输，最终决定运用次频道进行数据的传输。潜艇由中心单片机控制，以进行实时的水下控制。这是水下机器人的核心部分，是其大脑，实时接收并处理水面指令，同时采集潜艇自身环境各种图像信息和状态信息进行处理并回送，实现实时遥控。

4、工作原理

考虑到目前的技术水平、经济因素等限制，本小组绝对使用动态沉浮系统。推进器分为主推进器和辅助推进器，由推进电机、控制器和与之配合的螺旋桨组成。主推进器安装在潜航体两侧，主要完成前进、后退和回转运动。辅助推进器则安装在潜艇的头部和尾部以及下方，主要用于潜艇下潜、上浮及左右横向移动。在潜艇的上部安装一个摄像头，借此完成图像的采集以及传输，更好的控制潜艇行进，依据实际情况进行调整、控制。通过对单片机的编程，可以同时对多个电机进行控制，调整潜艇的前进方向。

5、应用前景

随着海洋经济发展和需求的增加，水下机器人技术日益成熟，水下机器人的发展方向也越来越鲜明。

（一） 水下机器人专业化程度越来越高

   这是技术的需求 ，一种形式的水下机器人无法完成多种任务，无论是适合高海况的大型机器人还是小观察型机器人 它们都只针对某种特殊的需求，配置专用的设备完成特定任务。水下机器人的种类会越来越多，分工会越来越细，专业化程度会越来越高。搜集类型的潜艇机器人将会成为未来的重要安全设施，通过不断的改进将能够更好地协助人们完成搜救任务。

（二） 群体机器人将成为现实

  协同作业，共同完成复杂任务，将会是机器人技术的发展趋势，水下机器人将利用智能传感器的融合和配置技术通过网络建立大范围通讯系统，建立机器人相互间及机器人与人之间的通讯，完成群体控制，实现群体作业。水下搜救不是一个潜艇机器即能完成的任务，只有通过多个机器的协同运作才能够在更短的时间内更好的完成搜救任务，在黄金急救时间帮助更多的人。

（四） 机器人的功能将会更加完善

人们对于海洋的探索范围也日益扩大，对于安全的需求也越来越高，再保障设施的不断更新换代，技术革新的同时，我们也要做到防患于未然，搜救机器人不仅仅能在发生事故的时候进行搜救，更能给人们提供水下最真实的情况，水下作业的人可以借此规避风险，保护自身安全。