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前言 1

作者简介 1

第一编 水下机器人结构 1

第一章 水下机器人的开发和分类 3

第一节 海洋和海洋开发 3

一、海洋生物资源 3

二、海洋矿物资源 4

三、海洋能源 4

四、海洋热能 6

五、海洋空间 6

第二节 水下机器人的分类 12

第三节 水下机器人的现状和展望 17

一、水下通讯问题 18

二、能源问题 30

三、控制问题 30

第四节 水下机器人在海洋开发中的应用 32

第二章 水下机器人的结构 35

第一节 水下机器人的系统结构 35

第二节 水下机器人的总体布置 36

一、水下机器人形体的选择 37

二、推进器的数量和布置 38

三、机械手、电视和照明装置的布置 40

第三节 水下机器人设计要点 48

一、母型设计法 49

二、逐渐近似法 49

三、方案法 50

四、系统法 50

第四节 水下机器人各部分相对比重的分析与确定 52

第五节 水下机器人重心与浮心计算 56

第六节 最佳性能准则 58

第一节 水下机器人推进功率的确定 60

第三章 水下机器人能源与动力 60

第二节 水下机器人动力源 61

一、电力 61

二、电池 66

三、机械换能式热动力装置 72

四、核动力装置 76

第三节 推进器 77

一、电机推进器 82

二、液压推进器 83

三、喷水推进器 83

四、磁流体推进器 83

第四章 水下机器人的密封技术 86

第一节 耐压结构的设计 86

一、耐压壳体形状 86

二、耐压壳体材料 88

三、耐压壳体的计算 91

四、耐压壳体的密封 101

第二节 贯穿件和窗口盖的设计 105

一、开口补强 105

二、观察窗 121

三、水密接插件 131

第三节 动密封 139

一、动密封原理 140

二、动密封的结构 140

三、滑动、旋转、内装、高背压式动密封的设计 144

四、影响动密封寿命的因素 150

第五章 水下机器人常用材料与防腐 156

第一节 常用材料 156

一、碳钢 156

四、铜合金 157

三、不锈钢 157

二、合金钢 157

五、铝合金 158

六、钛及钛合金 158

七、非金属材料 159

第二节 防腐蚀措施 160

一、将被保护表面与侵蚀介质隔绝 160

二、电化学保护 161

三、减轻腐蚀的结构设计 162

第三节 浮力材料 167

第六章 水下机器人液压系统 170

第一节 液压系统的特点 170

第二节 液压系统的组成 172

第三节 液压推进系统 174

第四节 机械手液压系统 176

第五节 吊放系统的液压系统 177

第六节 液压系统的密封 182

第七章 水下机器人的作业系统 185

第一节 水下机械手 186

一、水下机械手的结构 187

二、水下机械手的控制 192

第二节 水下工具包 197

一、救助、打捞专用工具 197

二、水下清洗装置 198

三、液压驱动专用工具组件 199

四、牺牲阳极安装系统 200

第八章 水下机器人吊放回收系统 202

第一节 概述 202

第二节 几种典型的吊放回收系统 203

一、起重吊杆 203

二、A型架 205

三、滑道 206

四、中央井 208

五、下潜平台 210

第三节 吊索负荷的计算 213

一、基本假设 213

二、力学模型的建立 215

第四节 缓冲装置 218

第二编 水下机器人控制原理和方法 223

第一章 绪论 225

第一节 缆控水下机器人 226

第二节 无缆水下机器人 228

第三节 水下机器人的应用 231

第四节 水下机器人的现状和未来 232

第五节 我国的水下机器人研究开发工作 235

第一节 ROV控制技术概况 238

第二章 水下机器人控制技术概况 238

第二节 AUV控制技术概述 241

第三章 水下机器人运动学基础 244

第一节 坐标系及坐标变换 244

一、坐标系 244

二、坐标转换 247

三、变换矩阵的微分 248

四、速度和加速度的坐标变换 248

第二节 水下机器人水平面和垂直面运动 249

一、水平面运动 249

二、垂直面运动 251

第三节 水下机器人在合力作用下的空间运动表达式 252

第四章 水下机器人流体动力学基础 257

第一节 水动力的概念 257

一、液体的特性 257

三、雷诺数 258

四、物体在流体中的运动 258

二、液体的压力 258

第二节 水动力的计算 263

一、与速度有关的水动力导数 265

二、与加速度有关的水动力导数 266

第三节 推力 270

一、推力器的组成 270

二、推力器类型 271

三、推力器的性能 271

四、推力器的简化模型 273

五、推力的另一种简化表达式 274

第五章 水下机器人推力器布置及推力计算 276

第一节 水下机器人与推力器 276

一、推力器的数量 276

二、推力器布置要求 277

一、单推力器布置 279

第二节 几种常见的推力器布置及推力计算 279

二、双推力器平行布置 280

三、双推力器交叉布置 280

四、四推力器环行布置 281

五、锥形布置 282

第三节 几个实例 283

一、“海人一号”水下机器人的推力器布置 283

二、“瑞康-IV” 水下机器人的推力器布置 284

三、“金鱼二号” 水下机器人的推力器布置 285

四、“斯普林特101” 水下机器人的推力器布置 286

第六章 水下机器人的静力和电缆力 287

第一节 水下机器人的浮力和重力 287

第二节 电缆力的计算 289

第一节 水下机器人空间运动方程 292

一、水下机器人在水中所受到的合外力 292

第七章 水下机器人空间运动方程 292

二、空间运动方程 293

第二节 有海流时的空间运动方程 297

一、离心力和流体惯性力 297

二、加速度和角加速度引起的惯性力 299

三、非惯性水动力 300

四、重力和浮力 300

五、矩阵方程 301

第八章 水下机器人的底层控制 304

第一节 航行控制系统的基本控制回路 307

一、航行控制系统的基本控制回路 307

二、控制回路的精度和分辨率 308

三、航行闭环控制回路的结构 309

第二节 水下机器人闭环控制算法 314

一、数字PID 314

二、自适应控制算法 317

三、模糊控制 319

四、滑动控制 324

五、人工神经网络法 326

六、模糊系统和神经网络的结合 328

第九章 水下机器人的体系结构 330

第一节 时空分解体系结构 332

一、H模块（任务分解） 334

二、M模块（环境模型） 336

三、G模块（感知处理） 337

四、全局数据库 337

五、分层说明 338

第二节 情景评价体系结构 341

一、监控模块 343

二、情景评价模块 345

三、数据评价模块 349

一、组织层 351

第三节 递阶智能控制体系结构 351

二、协调层 352

三、执行层 352

第四节 其他体系结构 353

一、行为响应体系结构 353

二、行为分层体系结构 354

三、基于网络的体系结构 356

第五节 计算机总线和操作系统 357

第十章 ROV控制系统 360

第一节 ROV控制系统概述 360

第二节 ROV的航行控制系统 365

一、静力与压载 366

二、阻力与推力 367

三、ROV水下载体的操纵性 369

四、控制对象数学模型 371

五、航行控制系统结构图 374

第三节 ROV系统的信息和信息交换系统 376

一、概述 376

二、信息流 378

三、上行和下行信息的传送方法 379

第四节 导航与定位 382

一、视觉导航 383

二、仪表导航 385

三、定位系统 388

第五节 “海人一号”和“金鱼”号控制系统 394

一、“海人一号” 394

二、“金鱼”号水下机器人的控制系统 399

第六节“海人一号”航行控制系统 401

一、“海人一号”ROV航行控制的基本要求与控制方式 401

二、驱动方案的选择 402

三、“海人一号”的阻力 402

四、推力器特性 403

五、关于控制对象的数学模型 404

六、“海人一号”航行控制系统的控制算法 406

第七节“海人一号”的信息和信息交换系统 407

一、信息表 407

二、“海人一号”的信息交换系统 409

第八节“海人一号”主从机械手系统 412

一、概述 412

二、双向反馈主从机械手控制系统 414

第十一章 AUV控制系统 422

第一节 概述 422

一、当前AUV研究工作的特点 422

二、AUV的分类 424

三、AUV的特点及其应用前景 426

第二节AUV控制系统的构成 431

一、预编程AUV应具备的基本功能 431

二、预编程AUV控制系统的一般结构 434

第三节AUV的动力学基础 436

一、坐标系及坐标变换 437

二、AUV载体水动力合力与合力矩 439

三、流体动力及力矩的旋转导数 441

四、AUV的非定常流体动力 444

第四节AUV的零升阻力、升力、侧力及力矩 445

一、零升阻力 445

二、载体升力、侧力 446

三、俯仰力矩和偏航力矩 446

四、AUV运动方程 447

第五节 预编程AUV的航线 452

一、使命层 454

二、基本航线层 455

三、基本运动及设备控制层 459

四、预编程AUV专用语言 460

参考文献 462