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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PID314

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