浅海四浮囊水下滑翔器控制系统设计

发布时间：2017-08-21 11:33

  本文关键词：浅海四浮囊水下滑翔器控制系统设计

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【摘要】：浅海海洋环境日益恶化,引起人们对海洋生态监测的重视。无人水下滑翔器在海洋开发中获得越来越多的应用。传统水下滑翔器多工作于深海,且机动性和适应性一般。本文在此基础上,首次提出概念并设计了一款针对浅海应用的四浮囊水下滑翔器系统样机,完成控制系统设计。实际试验表明,该样机能够实现控制任务和性能指标,体现较好的应用前景。本文首先提出系统任务要求,分析工作原理,建立控制系统运动学和动力学模型,根据实际运动情形对模型做出垂直剖面的简化,应用最小二乘灰箱辨识法得到俯仰运动控制传递函数,完成参数估计和模型验证。根据模型设计水下滑翔器的结构,分析能耗。根据需求设计控制电路硬件架构,实现以STM32为核心的姿态主控制板和以STC90C516为核心的滑翔控制执行板的硬件平台搭建,配合各类传感器模块,为控制设计打下硬件根基。针对已辨识得到的俯仰运动控制传递函数模型,在MATLAB中进行姿态自适应模糊PID控制器设计和位置模糊控制器设计。仿真结果显示,相比于常规PID控制器,模糊PID控制器具有更好的动态性能和稳态精度。在KEIL MDK5中完成主程序、控制算法程序、执行板程序等的设计。最后完成姿态控制试验和整机运动控制试验的研究,试验结果进一步验证了算法的有效性。控制系统设计合理,能够投入到后续的研究当中。
【关键词】：水下滑翔器 运动建模 系统辨识 自适应模糊PID
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U664.82;TP273
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 引言9
• 1.2 国内外研究综述9-11
• 1.2.1 国外浅海水下滑翔器发展概况9-11
• 1.2.2 国内浅海水下滑翔器发展概况11
• 1.3 浅海四浮囊水下滑翔器概念的提出11-12
• 1.4 论文研究的主要内容12-13
• 第2章 浅海四浮囊水下滑翔器总体设计方案13-20
• 2.1 系统任务要求13-14
• 2.2 系统工作原理14-19
• 2.2.1 四浮囊工作模式14-15
• 2.2.2 单独浮囊垂直剖面简化工作模式15-17
• 2.2.3 控制策略概述17-19
• 2.3 本章小结19-20
• 第3章 浅海四浮囊水下滑翔器控制系统建模20-35
• 3.1 四浮囊水下滑翔器运动建模20-27
• 3.1.1 坐标系定义20-21
• 3.1.2 运动参数分析与坐标转换矩阵21-23
• 3.1.3 运动学建模23-24
• 3.1.4 受力分析与动力学建模24-27
• 3.2 模型的简化分析与传递函数辨识27-34
• 3.2.1 模型的简化分析27-28
• 3.2.2 传递函数辨识28-34
• 3.3 本章小结34-35
• 第4章 浅海四浮囊水下滑翔器控制系统硬件设计35-53
• 4.1 总体结构设计35-38
• 4.1.1 结构框架35-36
• 4.1.2 浮囊结构36
• 4.1.3 主舱体结构36-38
• 4.2 能耗估算38-40
• 4.3 控制电路板设计40-52
• 4.3.1 需求分析与架构设计40-42
• 4.3.2 器件选型42-48
• 4.3.3 硬件电路设计48-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第5章 浅海四浮囊水下滑翔器控制系统软件设计53-73
• 5.1 运动控制器设计与仿真53-63
• 5.1.1 姿态自适应模糊PID控制器设计与仿真53-61
• 5.1.2 位置模糊控制器设计与仿真61-63
• 5.2 软件开发流程与程序设计63-72
• 5.2.1 软件开发平台配置63-66
• 5.2.2 主程序设计66-67
• 5.2.3 控制算法程序设计67-68
• 5.2.4 执行板程序设计68-69
• 5.2.5 外设及传感器程序配置69-72
• 5.3 本章小结72-73
• 第6章 浅海四浮囊水下滑翔器控制试验研究73-79
• 6.1 姿态控制试验研究73-76
• 6.1.1 单独浮囊垂直剖面俯仰运动控制的实际验证73-75
• 6.1.2 相邻浮囊夹角剖面俯仰运动控制的探索75-76
• 6.2 整机运动控制试验76-78
• 6.3 本章小结78-79
• 结论79-80
• 参考文献80-83
• 附录A 姿态主控制板电路原理图83-84
• 附录B 滑翔控制执行板电路原理图84-85
• 致谢85-86
• 作者简介86

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本文编号：712662