海洋機器人設計 曹建 9787030810649 【台灣高等教育出版社】

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書名：海洋機器人設計
ISBN：9787030810649
出版社：科學
著編譯者：曹建
頁數：168
所在地：中國大陸 *此為代購商品
書號：1745198
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內容簡介
《海洋機器人設計》闡述了海洋機器人總體設計的原理、過程和方法。《海洋機器人設計》共6章，內容包括：海洋機器人的概述、海洋基礎知識、海洋機器人原理、海洋機器人方案設計、海洋機器人結構設計、海洋機器人輔助及支持系統。《海洋機器人設計》在基礎知識、基本原理的基礎上，介紹海洋機器人設計流程，幫助讀者掌握如何針對任務需求完成海洋機器人總體設計。

目錄

目錄

第1章 概述
1 1 海洋機器人基本概念 1
1 2 海洋機器人分類 3
1 3 海洋機器人發展史 4
1 3 1 遙控水下機器人發展史 4
1 3 2 自主水下機器人發展史 5
1 3 3 水面無人艇發展史 6
1 4 海洋機器人特性 7
1 4 1 遙控水下機器人 8
1 4 2 自主水下機器人 9
1 4 3 水面無人艇 10
1 5 新型海洋機器人 11
1 5 1 水下滑翔機 12
1 5 2 波浪滑翔器 13
1 5 3 自主遙控水下機器人 14
1 5 4 兩棲跨介質航行器 15
1 5 5 多航態無人艇 16
1 6 海洋機器人發展趨勢 17
思考題 18
第2章 海洋基礎知識
2 1 海洋的價值 16
2 1 1 海洋的科學價值 16
2 1 2 海洋的經濟價值 18
2 2 海洋環境知識 20
2 2 1 海底地形 21
2 2 2 流體動力環境 22
2 2 3 海洋水文環境 23
2 3 海洋對於中國的重要經濟意義 24
2 4 海洋對於中國的重要軍事意義 25
2 5 海洋機器人應用舉例 26
2 5 1 海洋資源開發 27
2 5 2 海洋科學研究 28
2 5 3 軍事應用 32
思考題 32
第3章 海洋機器人原理 33
3 1 水面無人艇原理 33
3 1 1 水面無人艇幾何特徵 33
3 1 2 水面無人艇浮性 36
3 1 3 水面無人艇穩性 40
3 1 4 水面無人艇阻力 45
3 2 水下機器人原理 57
3 2 1 水下機器人主要技術指標參數 57
3 2 2 水下機器人浮性 59
3 2 3 水下機器人穩性 62
3 2 4 水下機器人重量特徵 63
3 2 5 水下機器人相對比重量 65
3 2 6 水下機器人浮力特徵 74
3 2 7 水下機器人阻力 78
3 2 8 水下機器人推進 89
思考題 92
第4章 海洋機器人方案設計 93
4 1 水面無人艇方案設計 93
4 1 1 系統組成 93
4 1 2 艇體主尺度的確定 95
4 1 3 艇型選擇 98
4 1 4 能源與動力 99
4 1 5 推進與操縱 100
4 1 6 總佈置設計 103
4 2 自主水下機器人方案設計 104
4 2 1 系統組成 105
4 2 2 艇型選擇 106
4 2 3 排水量及主尺度估算 108
4 2 4 能源與動力 109
4 2 5 推進與操縱 113
4 2 6 總佈置設計 119
4 3 海洋機器人性能估算 120
4 3 1 有效馬力估算 120
4 3 2 續航力估算 121
思考題 124
第5章 海洋機器人結構設計 125
5 1 水面無人艇結構設計 125
5 1 1 結構材料 125
5 1 2 結構形式 125
5 1 3 結構設計 126
5 2 水下機器人結構劃分與組成 127
5 3 水下機器人耐壓艙設計 129
5 3 1 耐壓艙設計過程 129
5 3 2 圓柱形耐壓殼設計 133
5 3 3 球形耐壓殼設計 144
5 4 水下機器人非耐壓結構 146
5 4 1 外形與結構形式 146
5 4 2 材料選擇 147
5 4 3 設計要求 147
5 5 結構防腐蝕設計 148
5 5 1 防腐蝕設計的概念和基本方法 148
5 5 2 塗層保護法 149
5 5 3 電化學保護法 149
5 5 4 減輕腐蝕的結構設計 150
思考題 151
第6章 海洋機器人輔助及支持系統 152
6 1 水下機器人浮性調節 系統 152
6 1 1 重力浮力調節 152
6 1 2 姿態調節 155
6 2 水下機器人無動力潛浮驅動系統 158
6 2 1 無動力潛浮驅動條件 158
6 2 2 可重複驅動方式 158
6 2 3 不可重複驅動方式 160
6 3 自主水下機器人應急系統 160
6 4 海洋機器人海上布放回收 161
6 4 1 水面無人艇布放回收 161
6 4 2 自主水下機器人布放回收 163
思考題 165
思考題參考答案 166
參考文獻 167

精彩書摘
第1章 概述
1 1海洋機器人基本概念
國際標准化組織採納美國機器人工業協會給機器人下的定義，即”一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統”。
由於研究的側重點不同，國際上對於機器人的定義尚沒有明確統一的標準，但對其概念認同逐漸趨近一致：機器人是靠自身動力和控制能力來自動實現各種功能的一種機器裝置，它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據以人工智能技術制定的原則綱領行動。它的任務是協助或取代人類的（部分）工作。
根據這一被人們普遍接受的概念，將海洋機器人定義為，依靠自身動力，通過編程等手段可以在海洋環境中自動完成觀察、測量、取樣、操作等任務，且可重複使用的無人系統。
這一概念中包含以下三個特徵要素。
（1）海洋環境：限定了機器人的運行環境。
（2）有動力：海洋機器人在沒有外力驅動下就能實現移動和動作，且移動和動作是能受機器人自主控制的。
（3）自動/無人：海洋機器人在沒有人員直接操作的前提下，依靠自身搭載的設備就能完成相應工作。按照是否有人直接參與決策，分為兩個層次：
①遙控——接收人直接下達的指令完成相應的動作或工作；
②自主——在沒有人直接參與的情況下，利用在線獲取的環境和狀態信息，按照預先設定的規則或根據人工智能技術制定的原則綱領，*立做出決策並執行。
在此基礎上，參照陸地機器人（unmanned ground vehicle，UGV）和空中機器人（unmanned aerial vehicle，UAV），可以給出海洋機器人的英文全稱：unmanned marine vehicle（簡稱UMV），其中unmanned對應”無人”，marine對應”海洋環境”，vehicle對應”有動力”。
絕大多數海洋機器人通常不是人們想像的具有人形的機器，其外形更多是像魚雷/潛艇（圖1-1），或海洋生物（圖1-2），或水面船（艇）（圖1-3），或飛行器（圖1-4），或陸地車（圖1-5）等。
通常情況下，海洋機器人主要指以下三種。
（1）遙控水下機器人（remotely operated vehicle，ROV），是一種可長期潛入水下、依靠臍帶纜接收能源並與母船交互信息、利用自帶推進器實現水中移動的水下無人航行器，通過配置機械手、水下攝像機等任務載荷，以遙控的方式執行人在回路控制下的水下操作、抵近觀察等作業任務。
（2）自主水下機器人（autonomous underwater vehicle，AUV），是一種具有水下自主導航和控制能力、依靠自帶能源和推進器實現水中移動的水下無人航行器，通過配置相應任務載荷，可潛入水下自主執行任務。
（3）水面無人艇（unmanned surface vehicle，USV），是一種具有自主導航和控制能力、依靠自帶能源和推進器實現水面移動的水面無人航行器，通過配置相應任務載荷，可在水面自主航行並執行任務。
其中，ROV與AUV*主要的區別是ROV上有一根臍帶纜，臍帶纜一端連接ROV本體，另一端與水面支持系統連接。
1 2海洋機器人分類
按工作環境，海洋機器人可分為水下機器人（unmanned underwatervehicle，UUV）、水面無人艇和跨域機器人，如圖1-6所示。其中，跨域機器人又可分為水空跨域機器人、潛空跨域機器人和水陸兩棲機器人，是近年來開始發展的一類新型海洋機器人。
按控制方式，海洋機器人可分為遙控式海洋機器人和自主式海洋機器人。其中，遙控式海洋機器人又可分為有纜遙控（如ROV）和無纜遙控。
海洋機器人還可以按其他方式分類：按所使用的能源類型，可以分為電池能源類、燃料發動機類、環境能類等；按航行驅動方式，可以分為螺旋槳推進、噴水推進、仿生推進、環境能驅動等；按任務類型，可以分為觀察型、探測型、運輸型、攻擊型、作業型等；按結構形式，可以分為單體、雙體、多體等；按排水量，可以分為小型、中型、大型、超大型等。
1 3海洋機器人發展史
由於ROV、AUV和USV發展*早、技術相對*成熟、應用*廣泛，本書主要介紹這三種海洋機器人的發展歷史。
1 3 1遙控水下機器人發展史
遙控水下機器人（ROV）是人類*早開發和應用的無人潛水器，RBusby R等學者認為第1個ROV很可能是1853年由Dimitri Rebikoff製造的名為POODLE的潛水器（張溴酥等，2023），但其對ROV歷史的影響微乎其微。20世紀50年代，為尋找水下目標、觀察神秘的海底世界，美國研究人員把攝像機密封起來送到海底，這就是現代ROV的雛形。1960年，美國成功研製出了世界上*台現代意義上的ROV——CURV（許競克等，2011）。1966年，CURV與載人潛水器Alvin號配合，在西班牙外海869m深處找到了一顆失落在海底的氫彈，引起了極大轟動，從此，ROV技術開始引起人們重視。由於軍事及海洋油氣資源開發的需求，以及電子、計算機、材料等技術的發展，20世紀70年代到80年代，ROV技術迅猛發展。1975年，世界上第1台商業化ROV——RCV-125問世（黃明泉等，2021）’此後全球範圍內的ROV數量快速增長，從1974年底的20多台快速增加到1982年的500多台，其中90%以上用來為海洋油氣資源開發服務。
20世紀90年代末期，ROV進入了成熟期，全球已經有超過100家的製造商。ROV已經可以在深海中完成很多複雜的作業任務，全球大部分海洋裡都有ROV作業的身影，其中*具代表性的當屬日本研製的全海深ROV”海溝”（KAIKO）號（桑恩方等，2003）。1995年3月，KAIKO號下潛至馬裡亞納海溝10911 4m底部，創造了當時ROV的潛深世界紀錄（桑恩方等，2003）。截至2003年，KAIKO號共進行了超過20次的萬米下潛任務，是當時世界上唯一能下潛到11000m級水底的深海探測器。2003年5月，KAIKO號在日本高知地區Moroto海角東南方向約130km的Nankai峽穀4675m深度完成深海作業任務後，因為中繼器與ROV本體之間連接的二級臍帶纜突然斷裂而丟失。
我國從1979年才開始ROV研製工作。1980年，蔣新松院士提出”結合中國國情，把特殊環境下工作的機器人作為中國機器人技術發展的突破口”，把”智能機器人在海洋中的應用”作為研究重點，選擇”海人一號”ROV作為發展水下機器人的具體目標。1985年12月，由中國科學院瀋陽自動化研究所牽頭，聯合上海交通大學研製的潛深200m的”海人一號”ROV在大連*航成功，其可以連續在水下進行取樣、切割、焊接作業，技術上達到20世紀80年代世界同類產品的水平（梁波等，2022）。
因深海裝備研發投入大、風險高、週期長，直到進入21世紀，我國的ROV技術才有了快速發展，與國際先進水平的差距也開始逐漸縮小。2009年10月，我國研製的3500m潛深的”海龍2號”ROV，在東太平洋海隆2700m深的”鳥巢”黑煙囪區觀察到罕見的巨大”黑煙囪”（高度26m，直徑約4 5m），並用機械手準確抓獲約7kg黑煙囪噴口硫化物樣品，標誌著我國成為國際上少數能使用水下機器人開展洋中脊熱液調查和取樣的國家之一（胡浩，2010）。2014年4月，上海交通大學研製的潛深4500m級的”海馬”號ROV成功完成南海海試。2018年10月，中國科學院瀋陽自動化研究所研製的”海星6000”ROV完成*次科考應用任務，*大下潛深度突破6000m，創造了我國ROV*大下潛與作業深度紀錄（曹宏濤等，2021）。
1 3 2自主水下機器人發展史
1957年，第1台真正意義的AUV——SPURV在美國華盛頓大學研製成功（黃琰等，2020），該AUV設計潛深3000m，主要用於北極水域水文調查（Sanjana，2019）。SPURV的研製成功，標誌著AUV時代的開始。自此之後，越來越多的AUV開始出現。1977年，法國建造了世界上

大陸簡體正版圖書，訂購後正常情形下約兩周可抵台。