课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值

课题来源、选题依据和背景情况：

产品的发展离不开技术与经济的支持，水下自主航行器（AUV）在二十世纪六十年代发展初期由于其体积、效率、造价等与同时期的有缆无人水下航行器（UUV）相差较大，一度低迷，伴随着新兴技术的发展，自航行器的发展面貌焕然一新。参考国外的的水下自航行器发展经验以及多种机器人产品的发展经验，水下自航行器的发展必然离不开可交换性、通用化、模块化的发展，研究水下自航行器的本体结构设计，并不局限于某种具体的传感器搭载的水下自主航行器的研究是必要并且具有重大意义的。

目前国内缺乏对于水下自主航行器的单独模块研究，研究模块化的核心是将产品以功能划分并且进行相关研究，而水下自主航行器的本体结构研究是研究模块化的基础，水下自主航行器带有的其他系统是整体水下自主航行器模块框架下的子模块，子模块的研究独立于总模块，但同时需要遵循总框架下的标准规格。水下自主航行器结构是支撑子系统的整体结构，研究其本体结构就是研究总模块。

课题研究目的、学术价值或实际应用价值：

完成水下自主航行器的本体结构设计，搭建水下探测传感器的运行平台，进行浅水淡水域水下自主航行器本体结构的通用化、模块化的研究，确定在多种功能要求下的通用水下自主航行器总结构框架的最优设计。

现今水下自主航行器存在的问题大多集中于通讯、能源、控制以及经济性，研究水下自主航行器的本体结构的通用设计，对于水下自航行器的生产成本以及能源问题的解决具有重大意义。

水下自主航行器总体结构的模块研究有利于刺激民用水下自主航行器的发展，使其复杂的系统分解后可以达到平行操作，子模块都能成为一个单独的产品进行研究，最大程度的发挥生产和组织的优势，刺激水下自主航行器商业的发展，进而促进产业整体的发展。

国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献

国内外研究现状、发展动态

水下机器人在军事以及国民经济中发挥重要的作用，国内外对于水下自主航行器的研究与发展给予了高度的重视。水下自航行器（AUV）自二十世纪开始发展，七十年代步入探索阶段，并于八十年代进入原型设计和设计阶段，概念验证原型POC得到开发、检测和应用，这时候的AUV处于早期原始阶段，体型大、效率低、造价高。这种情况持续到九十年代，水下自航行器由原型进入样机阶段，AUV的发展与微电子技术、计算机技术、人工智能技术、小型化导航设备、控制软件等息息相关，九十年代众多技术为AUV的研究提供了可行性，水下自航行器走向成熟。国内外水下自航行器在国家的支持下持续发展。

美国的AUV技术发展起始于Rebikoff的SEA SPOOK和美国华盛顿大学SPURV，同时这也是世界AUV的起始。美国存在年度的大学AUV竞赛，也有年度海上“Demonstration”AUV盛会，全国十余所AUV研究前沿机构参会。国内拥有WHOI、MBARI、MIT、MPS、APL、FAU等多所知名AUV研究机构。产品包括在伊拉克战争中大放异彩的REMUS（图2-1）系列、科考用的ABE（图2-2）型号、高性能小型AUV-BPAUV（图2-3）等。并且在国家层面具有“海军无人潜航器计划”等战略计划，北约也有M020XX无人水下航行器发展计划。

日本作为岛国一直重视海洋的开发，是深海AUV开发的强国，1995年“海沟”作为当年的世界纪录保持者，下潜深度达到10911m，其他AUV拥有如在海洋调查方面的R1Robot、Twin-Burgerl&2、PTEROA150&250（图2-4）等型号AUV，总体偏向民用深海开发，拥有三菱重工业公司等领军公司机构；英国较著名的有BAE系统公司的Talisman（图2-5）军用多用途AUV；韩国拥有科研用AUVOKPO-6000、VORAM.SAUV、KRISO等；俄罗斯也自二十世纪60年代开始研发，拥有如军用MT-88号、MIR1、MIR2（图2-6）等多个型号的AUV；挪威拥有自身的军用AUV发展计划，并且拥有HUGIN（图2-7）系列等AUV；加拿大的大型“Thesues”AUV在执行北冰洋海底光缆铺设时大放异彩，同时拥有RAY、Sunfish等AUV；澳大利亚拥有“海龟”用以水下研究以及“瓦亚巴”等AUV。

中国AUV的发展围绕两核心，一是中科院沈阳自动化研究所、中船重工702所、中科院声学院、哈尔滨工程大学共同研发的探索者号，以及中国大洋矿产资源开发研究协会支持的中科院沈阳自动化研究所以及俄罗斯合作的“CR-01”（图2-8）和“CR-02”AUV；二是以哈尔滨工程大学、702所、709所、华中理工大学合作的“智水”系列。同时国家层面具有“863”计划。

AUV目前向着深海远航、导航通讯一体化、隐蔽性、小型化、智能化、灵活的机动性以及多使命的重构性、多AUV协同方向发展。军用AUV的发展是国家国防力量的重要保证，目前主要在九个方面重点发展：情报/监视/侦察能力（ISR）、水雷对抗能力（MCM）、反潜战能力（ASW）、检测/识别能力（ID）、海洋学能力、通信/导航网络节点能力（CN3）、有效载荷发送能力、信息战能力（IO）、时敏打击能力（TCS）。

图 2- 1 REMUS                    图 2- 2 ABE

图 2- 3 BPAUV                       图 2- 4 PTEROA150

图 2- 5 Talisman                      图 2- 6 MIR2

图 2- 7 HUGIN

图 2- 8 CR-01

查阅的主要文献

[1] 马伟峰，胡震. AUV的研究现状与发展趋势. 中国船舶科学研究中心.2008,6.

[2] 高富东. 复杂海况下新型水下航行器设计与关键技术研究. 国防科学技术大学研究生院.2012,3.

[3] 王刚. 基于多传感器的 AUV 控制系统. 哈尔滨工程大学.2013,3.

[4] 宋寿山. 基于多推进器的 AUV建模与控制器设计. 西北工业大学.2006,3.

[5] 杨峻巍. 水下航行器导航及数据融合技术研究. 哈尔滨工程大学.2012,6.

[6] 吴乃龙. 小型 AUV 动力学建模及推力控制研究.中国海洋大学.2012,6.

[7] 温秉权. 小型浅水域水下自航行器系统设计与试验研究.天津大学.2005,6.

[8] 孙丽. 自治水下机器人(AUV)三维结构设计及仿真分析.中国海洋大学.2011,6.

[9] 赵涛，刘明雍，周良荣. 自主水下航行器的研究现状与挑战. 西北工业大学航海学院.2010,6.

[10] S. N. Shome·S. Nandy·D. Pal·S. K.Das·S.R.K.Vadali·Jhankar Basu·Sukamal Ghosh. Development of Modular Shallow Water AUV:Issues & Trial Results. J. Inst. Eng. India Ser. C (July–September 2012) 93(3):217–228

[11] Kana Kawano · Tomoaki Shimozawa · Shinichi Sagara. A master–slave control system for a semi-autonomous underwater vehicle-manipulator system. Artif Life Robotics (2012) 16:465–468

[12] S.K. Das, S.N. Shome, S. Nandy, D. Pal, in Modeling a Hybrid Reactive-Deliberative Architecture Towards Realizing Overall Dynamic Behavior of an AUV. International Conference on Computational Science, Procedia Computer Science, May 2010,vol. 1(1), pp. 259–268

[13] Maheshi H, Yuh J, Lakshmi R (1991) A coordinated control of an underwater vehicle and robotic manipulator. J Robotic Syst 8:339–370

1． 学术构想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术）

学术构想与思路：

本课题研究水下自主航行器的结构，AUV具有多个系统共同工作，包括推进器系统、舵、耐压壳、控制系统、能源系统、导航系统、传感器系统、螺旋桨推进器，各个系统具有多种选择方案，例如推进器系统使用螺旋桨推进器、喷水推进器或者矢量推进器等。对于水下自主航行器以具体功能为单位进行分析，合理安排水下自主航行器内外空间；通过优化设计对不同方案组合选优创建本体结构模块划分与设计。利用相关软件进行强度、刚度校核，浅水淡水域不同区域划分，创建面向不同水域的相应模型。

主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术）：

本课题研究水下自主航行器的结构设计，运用机械学的知识拟采取多种方案取优，并通过ansys等相关软件分析AUV的结构强度。主要设计水下自主航行器的结构，对于水下自主航行器的结构形体设计，研究外部形态设计，多重考虑水压等因素；设计内部空间划分，为水下自主航行器搭载其他系统预留空间；考虑其他水下自主航行器可能遇到的阻碍与困难，总体设计，研究在浅水域AUV中的通用水下自主航行器结构设计。

拟解决的关键问题：

（1）耐压舱壁厚的优化设计。

（2）关键部件的强度校核。

（3）AUV结构的通用化设计。

2．拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析

拟采取的研究方法：

1、首先对水下自主航行器预研，确定主要的研究对象以及拟解决的关键问题；

2、对于预研结果评估，满足要求则对于预研结果研究，反之返回第一步；

3、给出研究结果；

4、评估研究结果，满足要求则进行相关试验，深入研究，反之返回第四步；

5、在目标结果上设计并且实现系统，给出性能评价结果。

拟采用的技术路线和实施方案：

本课题的研究关键在于对于水下自主航行器的分功能模块研究，以及使用优化方法找出最优的普适解，再对于取得的最优解进行相关校核，包括强度、刚度、特殊水域的特殊性能要求校核等。

1、分析现有自主水下航行器现有功能以及相应结构；

2、对于分析的结果分门别类；

3、对于水下自主航行器分类进行穷举，列出不同组合；

4、分析各组合优劣，选择最优方案；

5、利用相关软件对于选出的最优方案进行校核。

起止时间

主要内容

预期目标

20XX.3.9-3.20

20XX.3.21-3.31

20XX.4.1-4.10

20XX.4.11-4.25

20XX.4.26-5.15

20XX.5.16-5.26

分析现有自主水下航行器现有功能以及相应结构并分门别类。

对于水下自主航行器分类进行穷举，列出不同组合。

完成相应二维图纸、三维造型的设计。

整体校核，软件模拟分析，关键部位校核等。

修改完善设计资料，完成论文。

准备论文答辩。

初步确定课题研究方法，完成开题报告

分析找到最优方案

建立三维模型，绘制零件图和装配图

校核分析结果

完成毕业论文

完成答辩PPT