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有缆遥控水下机器人(ROV)在水下探索、水产养殖、水下打捞等领域具有非常广阔的前景,其中浅水观察级ROV的研发对于我国浅水水域水产养殖、设备检测、资源探索等具有十分重要的意义。本课题来源于陕西省科技统筹创新工程计划项目“水下双目视觉机器人关键技术及其应用”,目的在于设计并研制出具有自主知识产权、应用于浅水水域的水产养殖及水下探索的小型模块化ROV系统。本文在研究现有框架式ROV的基础上,根据设计指标和工作环境等因素,设计了一款框架式浅水观察级ROV。1.完成了框架式水下机器人总体设计。确定了ROV系统是由水密耐压舱体、动力推进模块、电源模块、观测和照明模块、配重与浮力模块、载体框架及辅助配件等八部分组成。其中水密耐压舱体主要是为电子通讯设备、检测仪器和传感器等非承压、非耐水构件提供一个水下密封的工作环境;动力推进模块分为四个螺旋桨推进器,四个推进器之间相互配合,保证了水下机器人在水中可以满足进退/偏航/潜浮/横摇四个方向的运动;电源模块是为小型浅水观察级ROV提供电源;观测和照明模块通过摄像机获取水下图像信息;配重与浮力模块用于保证水下机器人的浮力与重力的平衡;载体框架是用来搭载动力推进模块、电源模块以及密封电子舱体等;辅助配件则对整个系统进行补充和优化。2.完成了ROV的本体结构设计。确定各主要功能模块的具体结构型式,主要包括水密耐压壳体的设计、动力系统的设计、电源设计、观测和照明系统设计、水下密封设计、整体平衡设计以及结构的材料选择。对耐压电子舱及电池舱进行了详细设计,利用Solid Works软件完成对ROV的整体装配及结构优化;通过理论计算和静力学分析相互印证的方法,完成了ROV关键部位的强度校核,通过两种方法的结合,证明了选择的材料和设计的结构均满足强度及可靠性的要求。3.对所设计ROV系统进行了运动学和动力学分析。介绍了ROV系统的空间运动在固定坐标系与运动坐标系的转换关系,从运动学和动力学角度分析了ROV建模需要考虑的参数,建立了ROV运动学与动力学数学模型。在理论计算的基础上,本文利用Fluent软件对所设计的ROV进行了水动力仿真,经过133次迭代计算,残差监测曲线,升力、阻力系数曲线均收敛。仿真结果得到了ROV前进过程的阻力及ROV模型的压力云图。通过水动力仿真分析,仿真结果表明ROV在模拟水下前进运动过程中水下阻力的仿真值与理论计算相符合,证明理论模型正确;阻力和压力在正常范围内,证明本文设计的ROV结构设计和动力布局合理。