运用数值模拟方法并基于流体力学（CFD）对不同长径比与轮廓曲率的外形方案进行流体动力学分析，通过模拟水下运动时的流场分布、压力梯度及涡流特性，定量评估并迭代优化外形设计，最终确定了以圆碟型为核心的机器人外观。 在确定整体外形后，对本设计采用模块化与分舱理念进行内部架构规划。将系统地按功能划分为动力舱、控制舱、能源舱及载荷舱等独立密封单元。该布局主要为了提高本机的维护性与故障隔离能力，也便于功能扩展与配置调整，增强了整体设计的系统性与适应性。 在材料选择上，为了兼顾水密性、结构强度与加工成本，主要采用PVC管材作为主体承力结构，亚克力板用于观察窗与密封端盖。通过标准化管径与板材规格，结合激光切割与粘接工艺，可实现轻量化、低成本的舱体制造。

        基于上述设计，完成了圆蝶形水下机器人的三维参数化建模，制作出1:1实体样机并通过配平与水密测试，验证结构设计的可行性与装配工艺。图为本机PCB板设计概念图（放大）。

        本机主体结构采用PLA材质制造，通过拓扑优化在保证关键部位强度的前提下实现整体轻量化，大幅降低空气中重量，提升布放与回收的便捷性。 动力系统采用8个推进器呈球状均匀分布的模块化推进单元。此布局设计通过各推进器推力的动态矢量合成，可实现任意方向上的平移、旋转及复合运动，是实现全向机动与精准姿态控制的基础。 上文所提到的各独立密封单元，其间采用高强度铜柱进行连接。这些铜柱兼具双重核心功能：一是作为整机的核心机械支撑骨架，确保结构稳固；二是作为统一的电源与通信母线，在物理连接的同时完成电力分配与信号传输，从而彻底简化了内部线缆布线，显著提升了系统可靠性、装配维护效率，可以进一步降低总体复杂性与成本。图为本机模块化设计示意。

模块化设计

        外壳采用PVC（聚氯乙烯）管材，其具有优良的机械强度与抗冲击性，能够有效承受一定水深的外部静水压力及作业过程中的偶然碰撞。其对海水、微生物及化学物质具备良好的耐受能力，可以确保外壳在长期水下作业中的结构完整性与寿命。 作为市售标准件，PVC管材规格齐全、成本低廉，且支持便捷的切割、粘接与机械加工，极大简化了主体结构的制造与装配流程。内舱分隔使用亚克力板（PMMA），由于其材质密度低，在实现内部分舱隔断的同时，可以控制非承力结构的重量，有助于优化整体浮力与重心分布。 其表面光滑、气密性良好，便于实现可靠的O形圈或密封胶密封。且其材料透明的特性更方便直观检查与故障诊断。

        基于“满足多场景作业需求”这一核心设计目标，本机构建了一套高度灵活、开放可扩展的软硬件协同系统。该系统旨在超越单一功能限制，通过模块化架构与可重构设计，实现从常规作业到特种任务的快速适配。基础功能覆盖水下勘测、采样、监测、拍摄，拓展功能支持水下维修、救援、娱乐，并可灵活挂载机械手、水质抽样管、声呐探测器等模块。

        搭配"地面站+水下机器人"协同体系，地面站支持手柄遥控（六自由度运动）与手机端操作，内置4种工作模式（手动、定深、自稳、GPS巡航），能实时反馈水下图像、姿态、深度等数据。采用"远距离有缆+无线辅助"模式，300米零浮力线缆实现电能与信号同步传输，WiFi模块支持手机端图像显示与遥控，适配不同作业距离需求。

        为实现“基础功能+定制化模块”的灵活组合，本机搭载了标准化、模块化的防水外接接口系统，该系统是实现多功能拓展的物理与电气基础。 其中，每个接口集成了电力传输（24V DC）、高速数据通信（以太网、CAN总线）、以及低压信号通道，并通过多触点冗余密封圈和压力平衡补偿技术，确保在额定水深下的长期可靠连接。 采用盲插自锁式电气连接器与机械快换卡扣相结合的方式，使得在岸上环境中，模块的更换可在数分钟内完成，无需专业工具，可极大提升任务转换效率。 本机还定义了统一的模块识别与通信协议。软件主控系统可自动识别接入模块的类型、型号及所需资源，并自动加载相应的驱动与控制界面，实现“即插即用”。图为本机推进系统。

        针对水下复杂环境，研发适应本机的串级 PID 控制算法，优化了内环姿态角速度和外环姿态角的双闭环控制逻辑。以姿态传感器（MPU6050）反馈的实时角速度与欧拉角为输入，通过高速PID控制器直接调节推进器输出，实现对本机滚转、俯仰、偏航角度的快速、稳定控制。将复杂的空间运动分解为姿态调整与线运动的协同，实现了对前后、左右、浮潜等运动的厘米级精度控制。

        本机搭载意法半导体（ST）的增强型处理器 STM32F103C8T6 芯片，机内集成有GPS定位（水面自主巡航，精度1米）、2.4G和5.8G通信模块通信模块、姿态传感器、深度传感器，结合自适应图像增强技术，提升水下作业精度与环境感知能力。软件方面，本机编有姿态融合算法、自适应水下图像增强程序、基于PID的自主路径规划代码、通信协议（TCP、JSON、485总线）等适应本机硬件系统的设计，保障了数据传输和实际操控的稳定。图以从上到下/从左到右的顺序为：芯片、2.4G通信模块、5.8G通信模块。

        通过流线型外形（CFD流体力学仿真优化）降低水阻并不足以完全解决供电持久问题。为此，本机搭建高效电源管理系统，延长续航时间；作业范围可覆盖100米以下沿岸到浅海，适配工业、消费、救援等多场景应用需求。图为电源管理模块。

电源管理系统