摘 要

近些年来水下航行器的发展越来越受到重视，因为海洋这个蕴藏着巨大资源的宝库亟待我们利用更加先进的工具去探索。水下海洋航行器广泛应用于军事活动、商业开发和科学研究等诸多领域。近年来,由于海洋工程和近海石油开发的需要,自主水下航行器得到了快速的发展。作为海洋测绘、追踪的重要工具,要保证能够在复杂海洋环境中高效安全地工作,其总体设计研究至关重要。本论文在任务书要求下，结合国内外水下航行器技术现状，给出了海洋观测小型航行器总体设计方案。

本文通过设计要求，设计一只可以在水下通过两翼在波浪的作用力下，往复摆动，从而可以实现航行器在水下持续运作的小型海洋航行器，通过计算，我们做出了以下内容，第一是小型海洋航行器的耐压壳部分的曲线选择，主要是小型海洋航行器的首部和尾部的曲线选择，首尾曲线线性的选择影响到了小型海洋航行器航行时的阻力。第二是两翼的翼型的选择，本文的设计的两翼主要是用于往复运动带动机械机构进行发电，因此翼型的选择并不是特别重要。第三是耐压壳的材料选择，我们通过计算，满足小型海洋航行器的运行环境要求，选择耐压壳的材料以及计算其厚度。第四是密封方式的选择，我们每一节航行器之间主要采用O型密封圈进行密封，具体的其他部分采用特殊的密封方式。并进行密封实验保证其密封效果可以满足小型海洋航行器的深度要求。此外我们还进行了水下电机的选择。第五部分是各部分零件的组装。

关键词：小型海洋航行器；摆翼发电；总体设计

Abstract

The development of underwater vehicle is more and more attention in recent years, because the ocean contains huge resources treasure us to use more advanced tools to explore.Underwater vehicle widely used in military activities, business development, and scientific research, and many other fields.In recent years, due to the need of Marine engineering and offshore oil development, autonomous underwater vehicles has been rapid development.As the important tool of Marine surveying and mapping, tracking, to ensure efficient work safely in the complex ocean environment, it is very important for the overall design research.This paper under the specification requirements, together with the present situation of the underwater vehicle technology at home and abroad, gives the ocean observation of small craft overall design.
In this paper, through the design requirements, design a underwater by two wings under the action of wave, reciprocating swing, which can realize small craft continuity underwater Marine craft, through calculation, we make the content, the first is the curve of pressure shell part of small Marine aircraft choice, mainly small curve at the end of the first Marine craft and choice, the choice of the fore and aft curve linear affected small Marine craft while sailing resistance.The second is the two wings of the selection of airfoil, in this paper, the design of the wing is mainly used for reciprocating motion to drive mechanical mechanism to generate power, so the choice of the airfoil is not particularly important.The third is the material choice of pressure shell, we calculated, can satisfy the demands of small Marine aircraft operating environment, it is concluded that the pressure shell material and thickness.The fourth is the choice of the ways of sealing, we mainly with type O sealing ring seal, other parts of the concrete of the use of special sealing way.And sealing experiments to ensure the sealing effect can meet the requirements of the depth of the small Marine craft.In addition we also carried out underwater motor selection.Fifth, in various parts of the assembly.

Key words： underwater vehicles；pendulum wing power； the overall design

目录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 小型海洋航行器的发展概述 2

1.2.1 小型海洋航行器的国内发展状况 3

1.2.2 小型海洋航行器的国外发展现状 4

1.3水下滑翔器的研究现状 6

1.4 本文研究的主要内容 6

1.5 拟用的方案措施 7

第2章 小型海洋航行器的总体设计 8

2.1小型海洋航行器的概念设计 8

2.2 小型海洋航行器的工作原理 8

2.3 小型海洋航行器的性能要求 8

2.4 小型海洋航行器的各部分设计 8

2.4.1 小型海洋航行器的外形曲线的设计 9

2.4.2 小型海洋航行器两翼的设计 19

2.4.3 小型海洋航行器的量翼发电原理设计 25

2.4.4 耐压壳体及其材料选择 27

2.4.5 小型海洋航行器各部分密封方式的选择 31

第三章小型海洋航行器的具体参数计算 34

3.1 小型海洋航行器外形曲线的计算 35

3.2机翼的参数计算 36

3.3小型海洋航行器的排水量 36

第四章 小型海洋航行器的装配 37

4.1 小型海洋航行器的各部分零件 38

4.2 小型海洋航行器的装配图 42

第五章 总结 42

5.1 全文总结 43

5.2 工作展望 43

致 谢 45

第一章 绪论

1.1 引言

目前世界各国经济都在迅速发展，世界人口不断增多，人类对自然资源的消耗也越来越多。地球上大部分是海洋，人类可以通过海洋进行航运，水产等活动而且海洋蕴藏着丰富的矿产等资源。海洋是一片人类尚未开发的宝地^[1]。现如今海洋的开发越发频繁其争夺变得越发激烈。世界各国对于海洋资源的争夺与开发，已经在迅速发酵了。而对于海洋资源的开发更是一项长远的计划^[2]。 根据专家的调查研究，石油、天然气及各种稀有金属等资源在海洋中的储量是陆地的几倍甚至几十倍。因此，有效地开发利用海洋资源对人类未来生存和发展具有十分重要的意义^[3]。

海洋蕴含着大量的资源，随着社会的发展，我们对于海洋的开发越来越重视，尤其是现在的我国正处于发展阶段，立志于从海洋大国发展成为海洋强国^[4]。在这样一个目标和条件下，小型海洋航行器的研究发展可以为我们提供便利的勘探海洋的条件。作为水下工作的重要载体，小型海洋航行器广泛应用于军事活动、商业开发和科学研究等诸多领域。具体的功能包括海洋探测、追踪等水下任务。最初的水下机器人是通过线缆连接，与陆地交换信息，同时也使其执行任务的适用范围受到限制。随着材料、工艺和自动控制等关键技术的突破，自主水下航行器得到了极大发展。水下机器人能够执行各种海底测绘、海洋探测、管道监测和目标追踪任务，是人类开发深海资源必须依赖的工具载体。

小型海洋航行器可以分为水下滑翔器和水下自航器（AUV）^[5]，本文设计的小型海洋航行器为水下自航器（AUV）。水下滑翔器主要是通过浮力调节机构和两翼的升力，在浮力机构的调节下和水下滑翔器的重力作用下，使其两翼产生向前的推力，从而使水下滑翔器在水下实现前进。而水下自航器则需要推进器对其进行推进。传统的小型海洋航行器一般受到续航力的限制，经常需要上岸进行充电达到续航。本文设计的小型海洋航行器(AUV)可通过在波浪作用下摆动的两翼进行发电，将其波浪能转换为电池包的电能，源源不断的进行充电续航。这个也是整个小型海洋航行器（AUV）设计人员一直在努力的方向，也就是实现小型海洋航行器可以不需要上岸而又源源不断的能源用于续航。

本文设计的小型海洋航行器可以搭载传感器，进行侦察。其设计水深为200m，对于较浅的海域进行勘探，其主要特色是利用往复摆动的两翼将波浪能转化为电能，实现小型海洋航行器的无限续航（理想情况下）。

1.2 小型海洋航行器的发展概述

目前关于海洋航行器AUV的发展状况以及研究的方向：

小型化:随着相关技术的发展,微型仪器和计算机的出现，使得小型化的AUV成为可能，不但可以执行巡航观察、狭窄区域安全监视、侦察、搜索等任务，而且便于携带、操作方便、价格低廉,国内外已经不少国家都在研制这种超小型化的AUV^[6]。

混合式：未来的AUV不只是单纯地AUV ,未来将会看到混合的AUV /ROV出现。因为现在电动ROV的数量在不断地增加,当ROV上边装上AUV的系统之后，变为混合式的小型海洋航行器近海的作业将会出现更多混合式的小型海洋航行器。

群体化:随着水下机器人应用的增多,将会出现多个AUV的协同作业,共同完成复杂的任务。和计算机是一样的，刚开始的时候只是单个计算机在局域网中工作，后来发展到几台计算机在局域网中运行，后来发展到所有计算机在互联之中运行，小型海洋航行器也是如此，将来必然是多台小型海洋航行器一起运行在一个系统之中。

远程化:随着客户的需求的日益增加，小型海洋航行器的性能也就是其运行的范围不断地扩大,使其活动范围达到250nm～5 000nm,随着时间的发展我们对小型海洋航行器的要求也会越来越高，其远程操作性能将会是重点，许多的工作将会用到小型海洋航行器的远程操作。

智能化:小型海洋航行器的智能化主要是设计其控制以及信息系统，在航行器的系统中使用图像识别，人工智能等，利用这些技术是AUV变得智能化。到时候小型海洋航行器便会成为真正的智能水下机器人。

商业化:由于AUV技术的成熟和不断的推广,以及在石油和天然气等海洋工程开发方

面的需要,AUV将会进入商业化的阶段,历史上许多都是从军用到民用转变的，比如美国的GPS，最早是为了美军军队作战的坐标定位为研发的，后来进入民用方便了大家，因此小型海洋航行器的商业化是必然的。

近年来，世界各国海洋研究机构纷纷加快了水下机器人的研究，其中美国，法国，德国和挪威在技术上处于领先地位，其他国家则处于发展阶段。自治水下机器人的推进器用于航向控制，主要采用电力驱动，动力源主要是包括蓄电池，太阳能发电装置，波浪能发电装置，以及一些仿生水下机器人自发电提供的电能。由于AUV在军事和科学研究中的重要性，在过去的十年中，世界各国大概研发出来了约60 种AUV，建造出实物的AUV大概200种，但是大部分处于试验阶段，商业用途的AUV为了适应成熟的技术和海洋工程行业发展的需要而迅速发展。由于军事上应用AUV的重要性，各国都在不断的进行各种先进的水下机器人的研究，以增强国防实力和它在军事上的应用，其功能包括水下搜索，监视，侦察，猎雷，业务海洋学，通讯，导航和反潜战（ASW）等。在军事上AUV的数量正呈上升趋势，国内众多科研机构，如WHOI，MBARI，开发了大量的水下机器人，其中包括NMRS，“短期水雷侦察系统（M INE侦察）莱姆斯和”长期水雷侦察系统（M INE ReconnaissanceSystem，LMRS），研究的范围从SHARV为DARPA（国防advancedresearch ProjectsAgency）到大型无人水下航行器（Umanned UnderwaterVehicle UUV（无人水下航行器）。挪威国防研究院（FFI）在90年代初定制了连续长期的军事AUV发展规划，此计划大大加速了AUV的发展。法国，俄罗斯等国也在军事AUV上边做了大量的研究工作。小型海洋航行器是了解海洋的重要工具，对于研究海洋具有重要意义，国内外的学术界和国内外有关AUV学术研讨会经常对于AUV做出一些研讨对AUV的发展提供了支持。美国有举办AUV年度会议和年度AUV大赛的大学，在科学研究和海洋研究所有大量的水下机器人，如ABE（WHOI），探险家型II大洋（大西洋大学，佛罗里达）等.日本水下机器人的研究也取得了巨大的成就，在BUGRGER和浦岛等，设计研究的R1机器人和TW的海洋调查机器人，已经取得了达到了世界上最深的海沟巨大成就 - 马里亚纳海沟。中国的玉浦-6000的科学考察机器人，CR01和CR02水下机器人，韩国的研究水下机器人的有有VORAM，SAUV。欧洲国家，俄罗斯，加拿大等国家也开展了大量的工作。目前，AUV已经从研究和开发阶段，进入到快速研究发展的阶段。许多调查表明，AUV有着巨大的市场需求，包括海洋工程，军工和学术界。目前，有许多公司和研究机构在生产和销售于一体的世界商业用途AUV的，包括并购aridan A / C（丹麦）和康斯堡SIM RAD（挪威），蓝鳍金枪鱼机器人公司（英国），ISE研究有限公司（加拿大），康斯博SIM RAD已经出售给NUIAS公司船舶HUGIN II，出售给ASGeocousult的HUGIN 3000AUV。与此同时，也有很多公司在商业应用中商业使用UUV和AUV对于水下机器人得发展也发挥着重要的作用，比如到目前为止科技有限公司水下机器人在全球范围内一直在台湾海峡进行了超过60000公里海底调查，国际大海洋工程公司成功进行了检查地下电缆400多公里。随着军工和科研进一步发展AUV，随着商业应用程序相结合，AUV将有一个光明的未来。

1.2.1 小型海洋航行器的国内发展状况

在世界各国研究 AUV 如火如荼时候，我国才开始起步研究，但是这种研究也仅仅集中在少数高校和研究所中。

到九十年代，沈阳自动化所与国内的中科研声所还有中船重工702所和其他就几所重点高校一起合作了探索者和CR-01。CR-01型 （见图1.3）AUV 主要是为了用于对矿产资源的勘测和开发。