大賽作品詳情
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作品名稱：海翼蝠鲼水下機器人
學校名稱：南通理工學院
參賽隊伍：海翼小隊
參賽學生：董蘇德 陳佳威 華煜
指導老師：孟巧 高潔
詳細說明
一、項目背景及選題的意義
隨著世界各國對海洋資源開發的日益重視，水下機器人在海洋勘探、海洋 牧場監測、海洋工程設施檢查等方面的應用越來越廣泛。水下機器人是復雜海 洋環境工作中的重要運載工具，可以幫助人類更好地了解海洋和其他環境問題， 其中自主水下航行器由于其具有良好的運動控制性能和環境感知能力，在各行 各業都取得了顯著成效[1,2]。黨的十八大以來，我國在保護海洋生態環境方面持 續發力，啟動了國家級海洋牧場示范區建設。進入生態文明新階段，海洋牧場的意義早已超過了傳統的耕海牧漁、漁業生產，更因其在海洋生態方面的顯著作用日益受到關注，因此面向海洋漁業的水下機器人發展具有廣闊的前景。
Karimanzira 等在水下機器人上搭載導電率、溶氧等傳感器，并設計了任務規劃及制導系統，實現了大范圍養殖水質監測。Fore 等討論了水下機器人在精準漁業養殖方面的優勢[4]為了高效、精準地進行養殖監測和作業，還需要對養殖區的水質、生物及周邊其他環境進行監測。東華理工大學的賴云波設計一款面向海洋牧場網箱養魚的小型水下機器人，通過改進模塊硬件和軟件設計，可以使機器人較好地自主航行，并且具有良好地人機交互界面。紀培國，李帥帥等針對水產養殖水質監測普遍存在的水質采樣頻率低、效率低，不能及時反饋水質的問題，設計了一款仿生機器魚，可以靈活監測不同區域水質情況。江蘇大學的崔建軍基于窄帶物聯網技術設計了漁業水質智能監測系統，實現了對漁業養殖過程中的水環境參數的實時監測和動態預測預警并能夠對養殖水質自動調節。天津理工大學的魏小敏在其論文中以物聯網技術為基礎以漁業養殖環境為研究對象，設計開發了一套漁業養殖水環境的智能監測系統，該系統集數據采集、自動傳輸、數據處理、遠程手動控制和智能控制決策于一體。目前 在原有國家的水下機器人研究背景下，面向海洋牧場的機器人的發明與研究存在著較大的可行性。因此，研究水下機器人在海洋牧場的應用尤為重要，在保證節能減排的同時也讓海洋養殖業得到較好的發展。
二、支撐作品的現有理論與技術海洋環境監測項目既包括風向、氣溫、氣壓、溫度、光照、降雨量、水位、 流速、流向、風速等常規參數，還包括葉綠素、藍藻、氨氮、高錳酸鹽指數、 全氮指標、磷酸鹽、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、硅酸鹽、重金屬等多個參數。
目前，海洋環境監測方法有兩種途徑：一種是現場測量，即現場利用傳感 器取樣，直接測量水質參數;還有一種方法，也是很有用的方法就是"小型實驗 室"，該方法是將復雜的采樣分析過程更為簡易化，解決了目前陸地實驗室內的 分析方法向水下轉移的問題，并且研制了一種類似于水下小實驗室的特殊儀器， 也就是海水被泵入儀器進行測量。利用水下機器人海洋環境監測系統，可以結 合二者的優點，其內容包括數據采集、數據智能分析、大數據傳輸、大數據中 心云平臺和智慧電源；數據采集主要用于采集影響海洋環境的各種傳感器參數，數據智能分析與數據采集相連，對采集到的大數據進行及時處理，并根據處理
后的大數據對海洋環境進行狀況評價，同時通過數據傳輸將分析結果傳輸到云平臺。云平臺將接收到的數據進行存儲，并向數據分析處理模塊發送設備控制 信號，從而可以及時改變水下機器人的活動狀態，同時保證整個水下機器人系 統的穩定供電。基于水下機器人的海洋環境監測系統的結構簡單、靈活、方便。通過各系統模塊的相互配合，從而實現對海洋環境的智能監測，并將監測分析結果傳送到系統大數據中心，通過以上所有流程保證海洋環境狀況的及時檢測和早期處理。
三、水下機器人應用前景1、未來漁業資源應用
我國有著巨大的市場需求。我國有近 14 億人口，隨著新時代人民對美好生 活的追求和向往，天然健康、安全優質的海洋產品需求量將越來越大，為遠洋 漁業提供了巨大的市場發展空間，海洋特別是遠洋漁業資源仍有較大潛力。國 家也將會不斷加大對漁業機械化的扶持力度，逐步提高海產品生產的集中化和 調整海產品結構，中國海產品機械化步伐將會持續加快。農業生產是國家產業 基礎，國內的經濟發展和社會穩定會受到它的直接影響，借鑒先進國家漁業的 發展經驗，大力發展漁業機器人技術，不斷提到海洋資源利用率及產品生產率，我國將會從一個漁業大國轉變成為漁業強國。
2、海洋資源的研究和開發
近年來，隨著國民經濟的快速發展，越來越多的污染物排放到海洋中，使 我國海洋環境污染日趨嚴重。各類惡性海洋環境污染事故頻發，生態環境日益 失衡。海洋環境監測技術的發展，將為促進海洋資源管理、環境保護、突發災
害監測、海洋生產生活、各種軍事等活動提供更好的信息平臺和預警裝備，為 我國水域經濟的振興和海洋國土的合理開發提供有力保障。海洋環境監測在控制環境污染、保護海洋環境方面具有十分重要的作用。 海洋環境監測是現代海洋社會發展的必然產物，這不僅與海洋經濟發展有關， 而且與海洋環境高質量甲亢發展息息相關。海洋環境監測技術的優勢有很多，比如具有高效性、實時性、連續性等等。這不僅對于海洋保護的經濟成本有正相關作用，也對海洋環境保護起著十分重要的作用。隨著計算機技術和自動化技術的發展，一種能夠攜帶多種監測儀器和工具的水下機器人應運而生。與潛水員水下作業相比，ROV 水下作業具有作業范圍廣、勞動強度高、安全可靠等優點。因此，水下機器人在海洋環境監測中發揮著越來越重要的作用。
