作品名稱：蛙人伙伴
學校名稱：中國人民解放軍空軍勤務學院
參賽隊伍：蛙人伙伴
參賽學生：石煜 王晨陽 龔一凱
指導老師：郭鵬偉 張勇明
1、設計背景
當今世界，海洋是一個巨大的資源寶庫，開發藍色國土，拓展生存和發展空間，“人類重返海洋”將成為全球經濟發展的大趨勢。世界沿海國家和地區正在進入全面開發利用海洋的新時期，美、俄、中、英、法、日、加拿大、韓、印度以及東盟諸國等140多個國家相繼制定海洋科技發展和海洋開發計劃，采取具體措施加快搶占海洋科技的制高點，海洋開發已成為全球產業進步的重要標志，海洋經濟已成為全球經濟發展的重要增長點。海洋是強國之本，誰掌握了海洋，誰就掌握了經濟發展的未來。沒有強大的海洋科技事業，就沒有強大的現代海洋經濟，就不可能成為真正的經濟強國。我國是海洋大國，但不是強國，人均占有陸地面積和資源量都遠遠低于世界平均水平，研究開發利用海洋是順應世界海洋開發大潮。為了推動海洋經濟持續快速的發展，科技部、國家計委、國家海洋局、農業部聯合推出了“科技興海”計劃。《中國海洋21世紀議程》把“科技興海”作為海洋經濟可持續發展的重大意義的戰略選擇。海洋經濟的開放性和帶動性，強滲透力、寬輻射，可以拓展新的經濟增長空間，優化經濟結構，建立開放型特色經濟，促進我國更快走向世界，對實現中華民族的偉大復興具有重要政治經濟意義。
21世紀是人類向海洋進軍的世紀。深海作為人類尚未開發的寶地和高技術領域之一，已經成為各國的重要戰略目標，也是近幾年國際上激烈競爭的焦點之一。但是在海洋資源的開發及運輸過程中不可避免發生一些安全事故，輕則船體或者飛機等運輸工具損壞造成財物損失，重則人員傷亡，白白損失許多資源，據可靠數據顯示平均每天都有4000多航班的飛機在天上來去和2000多次的輪船在海上運輸 然而在這過程中由于環境以及人為各種各樣的原因導致在這過程中存在重大的安全隱患。從MH370失事到東方之星號客船失事，都造成了重大人員傷亡和財產損失，還有在海邊、水庫、江河、湖泊中游泳溺亡的事故不斷發生，在這種情況下短時間內無法展開大型搜救裝置進行救援工作，一般只能由潛水員進行水下搜救，但是如果存在快速小巧的水下搜救裝置可很大程度減少人員以及物資的損失。而在現在國內外所有搜救裝置中普遍都是大型搜救裝置，而且大型搜救裝置不便于使用，不能在第一時間內趕到事發現場開展救援工作，浪費大量時間及人力，錯過最佳救援時機。在結合實際過程中，本研究小組設計一款輔助潛水人員進行水下搜救的裝置。這款裝置彌補了各個大型搜救裝置的大部分缺點。
2、研究現狀
現在我國使用的水下搜救裝置基本情況如下:
第一，基本利用有線信號傳輸，而在無線方面的研究幾乎為零，有線傳輸距離易受限制，不便于廣泛使用；
第二，在裝置大小方面，現在使用的裝置體積較大，不利于運輸攜帶不利于運輸、搜救，小型的搜救裝置可以更靈活的搜索各個位置，便于行動；
第三，在裝置價位上，以往的搜救裝置都在萬元以上，不能在許多地點做到多點布控，不能很好對事故現場在最短時間內做到最大范圍的搜救；
第四，在使用上，現在使用的裝置需培訓后專人操作，而且需要定期保養修復，而這次設計的裝置僅要手機便可控制，僅需要給設置充電即可。
水下機器人是一種具有人的一部分或大部分功能，能夠在海洋環境下代替人進行某種作業的自動控制裝置。通常是依靠電纜提供的動力(有纜水下機器人)或自身攜帶的能源(無纜水下機器人)驅動載體上裝有的推進器在水下作三維運動，并可裝設照明、攝像、聲納等觀測設備，多種傳感器及用來完成某種作業的機械手和作業工具。
由于海洋開發所需從事的項目內容非常多，實施的作業也極富多樣性，因此，水下機器人的系統構成、形體、總體布置都不盡相同。雖然有許多國家都在研制和生產水下機器人，但每種水下機器人都沒有進行批量生產，因此，目前還沒有一個完善的設計準則。但在水下機器人結構方面己有一些成功的經驗，可供設計水下機器人結構時作參考。
水下機器人外形結構設計所涉及的因素很多，主要包括以下幾個方面:水下機器人形體的選擇、耐壓殼體的設計、推進器的布置、水密接插件、重心和浮心的計算和整體平衡的考慮。
3、主要部件及結構
因考慮到水壓，以及透光性等原因，決定利用亞克力材料球作為外殼，從而維持內部系統的穩定工作環境，攝像頭的可見度等問題。推進系統由五組發動機及電調組合而成，能夠很好的實現三軸方向的運動，并很好的解決了目前很多潛艇轉向困難的問題，也能夠提供更加充足的動力。潛艇由蓄電池保證能源供給，能夠在盡量縮小空間的前提下更充裕的給多個設備提供電力輸出。由于水體對于電磁波頻率的吸收，無法應用正常的2.4GHz頻率傳輸數據，而有線傳輸又在很大程度上限制了潛艇的運行范圍，在研究查詢后發現，5GHz能夠實現水下的信號傳輸，最終決定運用次頻道進行數據的傳輸。潛艇由中心單片機控制，以進行實時的水下控制。這是水下機器人的核心部分，是其大腦，實時接收并處理水面指令，同時采集潛艇自身環境各種圖像信息和狀態信息進行處理并回送，實現實時遙控。
4、工作原理
考慮到目前的技術水平、經濟因素等限制，本小組絕對使用動態沉浮系統。推進器分為主推進器和輔助推進器，由推進電機、控制器和與之配合的螺旋槳組成。主推進器安裝在潛航體兩側，主要完成前進、后退和回轉運動。輔助推進器則安裝在潛艇的頭部和尾部以及下方，主要用于潛艇下潛、上浮及左右橫向移動。在潛艇的上部安裝一個攝像頭，借此完成圖像的采集以及傳輸，更好的控制潛艇行進，依據實際情況進行調整、控制。通過對單片機的編程，可以同時對多個電機進行控制，調整潛艇的前進方向。
5、應用前景
隨著海洋經濟發展和需求的增加，水下機器人技術日益成熟，水下機器人的發展方向也越來越鮮明。
（一） 水下機器人專業化程度越來越高
這是技術的需求 ，一種形式的水下機器人無法完成多種任務，無論是適合高海況的大型機器人還是小觀察型機器人 它們都只針對某種特殊的需求，配置專用的設備完成特定任務。水下機器人的種類會越來越多，分工會越來越細，專業化程度會越來越高。搜集類型的潛艇機器人將會成為未來的重要安全設施，通過不斷的改進將能夠更好地協助人們完成搜救任務。
（二） 群體機器人將成為現實
協同作業，共同完成復雜任務，將會是機器人技術的發展趨勢，水下機器人將利用智能傳感器的融合和配置技術通過網絡建立大范圍通訊系統，建立機器人相互間及機器人與人之間的通訊，完成群體控制，實現群體作業。水下搜救不是一個潛艇機器即能完成的任務，只有通過多個機器的協同運作才能夠在更短的時間內更好的完成搜救任務，在黃金急救時間幫助更多的人。
（四） 機器人的功能將會更加完善
人們對于海洋的探索范圍也日益擴大，對于安全的需求也越來越高，再保障設施的不斷更新換代，技術革新的同時，我們也要做到防患于未然，搜救機器人不僅僅能在發生事故的時候進行搜救，更能給人們提供水下最真實的情況，水下作業的人可以借此規避風險，保護自身安全。
