作品名稱：智清潛躍——智能科技引領水下清潔革新者
學校名稱：蘭州職業(yè)技術學院
參賽隊伍：凈水無痕
隊伍編號：207398
參賽學生：王琛 葉青鵬 王逸菲
指導老師：趙勇成 馬明月
投票日期：2024年10月08日 00:00->2024年12月05日 15:00
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一、開發(fā)背景
隨著全球水資源問題的日益嚴峻，湖泊與水庫的水質監(jiān)測和環(huán)境治理需求迫切。本作品旨在通過水下機器人技術，提供高效、智能的解決方案，以支持水資源的可持續(xù)管理。
作品市場與作品服務面向全球水利管理、環(huán)保監(jiān)測、科研教育和旅游休閑產業(yè)，提供定制化的水下機器人產品。我們的產品和服務包括水質監(jiān)測、水下結構檢查、生態(tài)調查等，通過集成先進傳感器和自主導航系統(tǒng)，實現數據的實時收集與分析。目前該作品已成功申請技術專利，滿足不同應用場景的需求。作品在技術創(chuàng)新上表現突出，水下機器人的智能化升級和數據分析能力的提升，為客戶提供了前所未有的決策支持。
二、結構說明
關鍵技術研發(fā)：包括水下定位技術、視覺傳感技術、通信技術以及機械臂對于固態(tài)污染物的夾取和清理等。
模塊化設計：確保水下機器人的傳感器和工具可以根據任務需求快速更換或升級。
①水下定位技術：基于GPS的定位系統(tǒng)，水下GPS定位系統(tǒng)結合了GPS定位浮標、差分GPS基準站、水下機器人身上的收發(fā)機等組件。這種系統(tǒng)可以實現對水下機器人的精確位置標定，并且能夠實時、在線地顯示水下機器人的位置坐標。
②水下3D視覺感知：水下3D視覺感知技術在水下目標的3D位置測量和水下感興趣場景的數字重建等方面應用廣泛。這包括水下相機標定、基于結構光的水下3D數據獲取以及水下視覺SLAM（同時定位與建圖）。
③通信技術：由于水下環(huán)境的特殊性，電磁波在水中的傳輸速率很低，不能用于水下機器人的控制和通信。電磁波信號在海水中0.2米范圍內的最大傳輸速率為10-100 Mbps，當距離增加到200米時，傳輸速率低至50–100 bps。
④機械臂對于固態(tài)污染物的夾取和清理：在垃圾夾取能力方面，新型水下垃圾打撈機器人設計中提到了執(zhí)行模塊包括機械延伸臂和機械夾，能夠快速高效地執(zhí)行水下作業(yè)，包括垃圾的識別和打撈。這表明機械臂和機械夾的設計不僅要求有足夠的力量和靈活性來夾取垃圾，還需要能夠識別垃圾，這可能涉及到機器視覺和智能控制技術的應用。為了提高機械臂的性能，我們還進行了結構優(yōu)化。運動學和動力學分析為了確保機械臂能夠有效地夾取垃圾，對其運動學和動力學進行分析是必要的。通過直伸展和收縮，建立水下機械臂的運動學模型，使用牛頓-歐拉法建立出水下機械臂動力學模型。這些分析有助于確定機械臂的運動范圍、速度、加速度等參數，從而優(yōu)化夾取垃圾的效率和準確性。控制系統(tǒng)，機械臂的精確控制對于垃圾夾取至關重要。控制系統(tǒng)需要能夠根據傳感器反饋的信息（如視覺傳感器識別的垃圾位置）來調整機械臂的動作。
三、功能與使用說明
固態(tài)污染物清理：對河道、水庫、湖泊和海洋進行污染物清理。水質監(jiān)測：定期對水庫、湖泊和海洋進行水質取樣和分析。
基礎設施檢查：對水下管道、大壩、橋梁等基礎設施進行定期檢查和維護。水下生態(tài)保護：監(jiān)測水下生物多樣性，評估人類活動對水下生態(tài)的影響。應急響應：在水下泄漏、溢油等緊急情況下快速部署，進行現場評估和干預。
技術研發(fā)與測試：開發(fā)和測試水下機器人原型，確保技術成熟度和可靠性。人員培訓：對操作人員進行專業(yè)培訓，確保他們能夠熟練操控水下機器人并處理數據。現場部署：在實際水環(huán)境中部署水下機器人，進行監(jiān)測和維護任務。數據管理和分析：建立數據管理系統(tǒng)，對收集的數據進行分析，為水資源保護與治理提供科學依據。
四、作品特色
1.提高效率與安全性：機器人可以在人類難以到達或對人類健康有風險的環(huán)境中工作，如深水、有毒或放射性環(huán)境。它們可以執(zhí)行水下監(jiān)測、污染物治理、水質采樣、水下結構檢查和維護等任務，提高作業(yè)效率并降低人員安全風險。
2.數據收集與監(jiān)測：機器人配備的先進傳感器可以實時監(jiān)測水質、水下生態(tài)和基礎設施狀況，提供更準確和全面的數據。新型智能水下機器人可以24小時無人值守自主完成指定水域的監(jiān)測巡航，并實時采集水資源相關數據和視頻圖像。
3.降低成本：雖然初期投資可能較高，但長期來看，機器人可以減少人力成本和維護成本。它們可以自動化執(zhí)行重復性任務，減少對專業(yè)人員的需求。
4.環(huán)境適應性：機器人可以適應各種惡劣環(huán)境，無論是極端天氣條件還是復雜的水下地形，都能穩(wěn)定工作。
5.技術集成：現代機器人技術集成了人工智能、機器學習、自動導航與定位等技術，使其在水資源管理中更加智能化和自動化。
6.政策支持：許多國家和地區(qū)的政府都在推動水資源保護與治理的技術創(chuàng)新，提供了政策和資金支持。例如，中國政府在《“十四五”機器人產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中明確提出了機器人產業(yè)規(guī)劃的目標，推動了智能機器人技術的發(fā)展。
7.市場潛力：隨著技術的成熟和市場的認可，機器人在水資源保護與治理領域的應用前景廣闊。預計到2029年，中國工業(yè)機器人行業(yè)市場規(guī)模有望超過800億元。
8.環(huán)境友好：機器人的使用有助于減少對環(huán)境的干擾，特別是在生態(tài)敏感區(qū)域進行水資源監(jiān)測和治理時。
9.應急響應：在水下泄漏、溢油等緊急情況下，機器人可以快速部署，進行現場評估和干預，減少對環(huán)境的影響。
