无人船多波束自适应平台的控制研究
发布时间：2021-04-10 02:23
受海面风浪影响,装载多波束探测装置的无人船容易产生较大幅度的偏斜,从而导致数据失真。针对该问题,本文拟研究一种可加载多波束装置的机架结构,根据无人船的偏斜方向和角度,自适应地调整自身运动,使得多波束能够始终垂直向下探测。传统的自适应机架采用方位和高度两轴垂直轴系结构,当无人船受到平行于高度轴方向的风浪时,其方位轴须立即旋转90°,易导致机架的震荡,甚至失控。斜轴式机架结构的方位轴和斜轴之间为45°夹角,其高度方向的运动是由斜轴在两轴的交面上旋转产生,能够有效克服传统结构的震荡问题,为多波束装置的稳定指向控制带来了新的希望。但斜轴式机架的非正交轴系结构,使得沿两轴方向的运动之间存在相互耦合,呈现复杂的非线性结构。因此,须深入分析该类机架结构的动力学原理,提出切实可行的控制方案,进而解决该机架的精准指向问题。针对斜轴式机架的非线性结构,首先分析其动力学特征,通过轨迹规划,建立机架结构受无人船偏斜产生的方向和角度偏差与垂直方向之间的关系;构建仿真模型进一步验证规划结果的正确性。当多波束探测装置发生偏斜时,通过轨迹规划可以确定方位轴和斜轴所需要的旋转角度,从而使得多波束装置能够保持稳定的垂直向...
【文章来源】：南京信息工程大学江苏省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
iTrackUB水声定位系统
第二章平台的轨迹规划112√22，便是本研究采用的斜轴式机架垂直向下运动的轨迹参数方程。为了验证斜轴式机架运动轨迹参数方程的准确性，需要对其运动轨迹参数方程进行仿真验证。由上述运动轨迹方程的分析，对参考点的单条运动轨迹有了一些了解。接着本研究对点的多条运动轨迹进行仿真。斜轴式机架保持方位轴固定，之后将方位轴在旋转360°时，平均选取50个位置，并使斜轴在每个方位轴固定的位置旋转360°。如图2.7所示，便得到斜轴式机架的运动轨迹仿真图。图2.7斜轴式机架运动轨迹仿真图由图中取得五十个轨迹可以看出，其运行的轨迹有重复的点，也就是每个点都可以由两种方式运动来实现，那么将出现最优化的选择问题，然而本设计所控制的无人船多波束自适应平台，都是相对于前一个运动点进行旋转，因此本研究不需要考虑运动轨迹最优化的选择问题。综上所述，分析了斜轴式机架轴系和参数之间的运动关系和运动规律，得到了具体的数学关系表达式，并将斜轴式机架运动轨迹的数学关系式，通过参数方程表示出来。当多波束探测装置偏斜到一个位置时，该关系式能够反映出斜轴和方位轴所需要的旋转角度。运用仿真对斜轴式机架运动轨迹的数学参数方程进行验证，从对多波束探测装置单个运动参考点Ｐ了解到多波束探测装置单条轨迹的局部特性，最后再从单条轨迹的局部特性了解到整体轨迹面的特性[40]。
第二章平台的轨迹规划13{=’=’=√’2’2’2+’2+’2’2（2-5）通过仿真对基点运动轨迹参数方程进行验证，得到其运动轨迹仿真图，如图2.9所示。图2.9基点运动轨迹仿真图为了保证多波束垂直向下不失真的探测，需要对基点偏斜的角度和方向进行数据采集。根据上面分析可以知道，大致将其分成两个方向，其包括无人船的行驶方向和与无人船行驶方向垂直的方向。当多波束探测装置发生偏斜时，可根据基点的轨迹规划，确定多波束探测装置的位置，以及无人船的偏斜角度、方向。2.3平台的轨迹规划通过上两节对斜轴和基点的轨迹规划，本小节是对整个自适应控制平台进行的轨迹规划，从而可以设计仿真中的参数转换器。当多波束探测装置发生偏斜时，基点的轨迹规划可以确定无人船的偏斜角度、方向，从而确定多波束探测装置的偏斜位置，将得到的偏斜位置带到斜轴的轨迹规划中，便可以计算出方位轴和斜轴所需要的旋转角度，从而保证多波束探测装置垂直向下指向，图2.10所示的平台的轨迹规划图。
【参考文献】：
期刊论文
[1]广义最小方差自校正重置PID控制器及其在压力系统中的应用研究[J]. 贺建军,吴高亮,喻寿益. 计算技术与自动化. 2013(01)
[2]国际海洋观测技术发展趋势与中国深海台站建设实践[J]. 李健,陈荣裕,王盛安,毛华斌,何云开,隋丹丹,谢强,施平,杨跃忠,王东晓. 热带海洋学报. 2012(02)
[3]一种面向多任务应用的无人水面艇[J]. 熊亚洲,张晓杰,冯海涛,王建华. 船舶工程. 2012(01)
[4]大型天文光学望远镜机架驱动高阶滑模控制仿真[J]. 周旺平,徐欣圻. 系统仿真学报. 2008(13)
[5]天文光学望远镜轴系驱动方式发展概述[J]. 王国民. 天文学进展. 2007(04)
[6]天基光电望远镜极限星等探测能力研究[J]. 彭华峰,陈鲸,张彬. 光电工程. 2007(08)
[7]一种基于神经网络的盲波束形成算法[J]. 田丹,汪晋宽,薛桂芹. 仪器仪表学报. 2005(S2)
[8]区间比例积分微分控制器理论在制导炸弹控制系统设计中的应用[J]. 李银伢,盛安冬,郭治. 兵工学报. 2005(01)
[9]自主式水下潜器分层递阶控制系统[J]. 丁福光,付明玉,夏国清,施小成. 船舶工程. 1996(02)
博士论文
[1]基于永磁同步电机的大型望远镜低速伺服系统研究[D]. 刘京.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]运动平台中惯性稳定控制技术研究[D]. 夏运霞.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
硕士论文
[1]斜轴式望远镜机架运动建模与控制[D]. 王雅.南京信息工程大学 2017
[2]无人驾驶水样采集船关键技术研究[D]. 李峰.山东大学 2016
[3]无人船控制系统设计与实现[D]. 孙东平.中国海洋大学 2015
[4]无人监测船远程控制系统的研究[D]. 王魏.浙江大学 2014
[5]基于大型望远镜的双电机齿轮传动系统研究[D]. 刘新玮.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2012
[6]广义最小方差自校正重置PID控制方法及其在压力系统中的应用[D]. 吴高亮.中南大学 2012
[7]高效高精小功率DC-DC电力变换器设计与实现[D]. 屈阳.哈尔滨工程大学 2012
本文编号：3128767
【文章来源】：南京信息工程大学江苏省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
iTrackUB水声定位系统
第二章平台的轨迹规划112√22，便是本研究采用的斜轴式机架垂直向下运动的轨迹参数方程。为了验证斜轴式机架运动轨迹参数方程的准确性，需要对其运动轨迹参数方程进行仿真验证。由上述运动轨迹方程的分析，对参考点的单条运动轨迹有了一些了解。接着本研究对点的多条运动轨迹进行仿真。斜轴式机架保持方位轴固定，之后将方位轴在旋转360°时，平均选取50个位置，并使斜轴在每个方位轴固定的位置旋转360°。如图2.7所示，便得到斜轴式机架的运动轨迹仿真图。图2.7斜轴式机架运动轨迹仿真图由图中取得五十个轨迹可以看出，其运行的轨迹有重复的点，也就是每个点都可以由两种方式运动来实现，那么将出现最优化的选择问题，然而本设计所控制的无人船多波束自适应平台，都是相对于前一个运动点进行旋转，因此本研究不需要考虑运动轨迹最优化的选择问题。综上所述，分析了斜轴式机架轴系和参数之间的运动关系和运动规律，得到了具体的数学关系表达式，并将斜轴式机架运动轨迹的数学关系式，通过参数方程表示出来。当多波束探测装置偏斜到一个位置时，该关系式能够反映出斜轴和方位轴所需要的旋转角度。运用仿真对斜轴式机架运动轨迹的数学参数方程进行验证，从对多波束探测装置单个运动参考点Ｐ了解到多波束探测装置单条轨迹的局部特性，最后再从单条轨迹的局部特性了解到整体轨迹面的特性[40]。
第二章平台的轨迹规划13{=’=’=√’2’2’2+’2+’2’2（2-5）通过仿真对基点运动轨迹参数方程进行验证，得到其运动轨迹仿真图，如图2.9所示。图2.9基点运动轨迹仿真图为了保证多波束垂直向下不失真的探测，需要对基点偏斜的角度和方向进行数据采集。根据上面分析可以知道，大致将其分成两个方向，其包括无人船的行驶方向和与无人船行驶方向垂直的方向。当多波束探测装置发生偏斜时，可根据基点的轨迹规划，确定多波束探测装置的位置，以及无人船的偏斜角度、方向。2.3平台的轨迹规划通过上两节对斜轴和基点的轨迹规划，本小节是对整个自适应控制平台进行的轨迹规划，从而可以设计仿真中的参数转换器。当多波束探测装置发生偏斜时，基点的轨迹规划可以确定无人船的偏斜角度、方向，从而确定多波束探测装置的偏斜位置，将得到的偏斜位置带到斜轴的轨迹规划中，便可以计算出方位轴和斜轴所需要的旋转角度，从而保证多波束探测装置垂直向下指向，图2.10所示的平台的轨迹规划图。
【参考文献】：
期刊论文
[1]广义最小方差自校正重置PID控制器及其在压力系统中的应用研究[J]. 贺建军,吴高亮,喻寿益. 计算技术与自动化. 2013(01)
[2]国际海洋观测技术发展趋势与中国深海台站建设实践[J]. 李健,陈荣裕,王盛安,毛华斌,何云开,隋丹丹,谢强,施平,杨跃忠,王东晓. 热带海洋学报. 2012(02)
[3]一种面向多任务应用的无人水面艇[J]. 熊亚洲,张晓杰,冯海涛,王建华. 船舶工程. 2012(01)
[4]大型天文光学望远镜机架驱动高阶滑模控制仿真[J]. 周旺平,徐欣圻. 系统仿真学报. 2008(13)
[5]天文光学望远镜轴系驱动方式发展概述[J]. 王国民. 天文学进展. 2007(04)
[6]天基光电望远镜极限星等探测能力研究[J]. 彭华峰,陈鲸,张彬. 光电工程. 2007(08)
[7]一种基于神经网络的盲波束形成算法[J]. 田丹,汪晋宽,薛桂芹. 仪器仪表学报. 2005(S2)
[8]区间比例积分微分控制器理论在制导炸弹控制系统设计中的应用[J]. 李银伢,盛安冬,郭治. 兵工学报. 2005(01)
[9]自主式水下潜器分层递阶控制系统[J]. 丁福光,付明玉,夏国清,施小成. 船舶工程. 1996(02)
博士论文
[1]基于永磁同步电机的大型望远镜低速伺服系统研究[D]. 刘京.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]运动平台中惯性稳定控制技术研究[D]. 夏运霞.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
硕士论文
[1]斜轴式望远镜机架运动建模与控制[D]. 王雅.南京信息工程大学 2017
[2]无人驾驶水样采集船关键技术研究[D]. 李峰.山东大学 2016
[3]无人船控制系统设计与实现[D]. 孙东平.中国海洋大学 2015
[4]无人监测船远程控制系统的研究[D]. 王魏.浙江大学 2014
[5]基于大型望远镜的双电机齿轮传动系统研究[D]. 刘新玮.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2012
[6]广义最小方差自校正重置PID控制方法及其在压力系统中的应用[D]. 吴高亮.中南大学 2012
[7]高效高精小功率DC-DC电力变换器设计与实现[D]. 屈阳.哈尔滨工程大学 2012
本文编号：3128767
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