深海FROV自修复控制系统研究

发布时间：2017-09-09 02:30

  本文关键词：深海FROV自修复控制系统研究

  更多相关文章： 全海深 FROV(Fiber Remotely Operated Vehicle) 生存性 自修复控制系统 故障检诊 自修复策略 优化升级

【摘要】：潜水器由于其工作时间长、作业范围大的特性而日益成为人类进行海洋探索和海洋资源开发的重要工具,在科研、商业及军事等领域得到了广泛应用。然而,由于海洋复杂工作环境的影响,自从人类应用各类潜水器进行海洋探测开发以来,已经出现过多次潜水器丢失事故,如日本JAMSTEC(Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology)万米ROV(Remotely Operated Vehicle)、英国南安普敦大学Autosub2 AUV(Autonomous Underwater Vehicle)以及最近失事的美国伍兹霍尔海洋研究所Nereus万米ROV。作为在这一领域的新兴国家,我国也已经历不止一次的潜水器丢失或损坏事故。这些事故除了造成巨大的经济损失外,对海洋科学技术的发展也有重大打击,潜水器的生存性问题显得尤为突出。深海FROV(Fiber Remotely Operated Vehicle)是上海交通大学水下工程研究所研制的新型全海深无人遥控潜水器,其研发过程中突破了大深度无人潜水器多项关键技术,将使我国具备研制全海深观测取样型ROV的能力。深海FROV采用双体结构,以电池为动力,可工作于ROV或AUV模式,通过光纤与水面进行实时通信。极限工作深度及双工作模式都给深海FROV的生存性提出了更高的要求。综合以上对潜水器生存性技术研究的内外部需求,本文以深海FROV为对象,围绕以提高生存性为目的的深海FROV系统设计和实现展开,主要完成了以下几方面的工作:(1)研究了潜水器的生存性,引入了生存性的定量评估方法和详细评估模型。通过分析生存性评估模型中各概率评价指标的关系,阐述了深海FROV自修复控制系统的概念和主要研究内容。为便于自修复控制系统的研究,建立了深海FROV系统的模型,并应用前述生存性评价方法得到了相应的评价指标。(2)基于当前的深海FROV系统,进行了自修复控制系统的研究,研究重点放在其两个基本环节,即故障检诊系统和自修复策略研究上。·在故障检诊方面,研究了基于层次模型定量推理机制的通用诊断理论,相比传统方法具有更高的检诊效率,同时可进行不同检诊方法的综合设计,检诊范围覆盖整个控制系统。·在自修复策略方面,基于故障检诊系统的信息,为各子系统设计了配套的自修复策略。(3)根据深海FROV的生存性评估结果,结合自修复控制系统的研究,对深海FROV系统进行优化升级,完成系统余度增加和某些硬件余度的省略,并通过生存性评估证明优化升级的效果。(4)最后,通过实验验证了本文所提出的理论和设计的有效性。通过本文的工作,初步实现了深海FROV自修复控制系统的设计和应用,并建立了相应的评估方法,为自修复控制系统在潜水器领域的应用奠定了基础,为进一步的研究工作积累了经验,为潜水器系统的智能化提供了参考。
【关键词】：全海深 FROV(Fiber Remotely Operated Vehicle) 生存性 自修复控制系统 故障检诊 自修复策略 优化升级
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.941
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-7
• 符号说明7-10
• 缩略词表10-18
• 第一章 绪论18-40
• 1.1 课题研究背景18-19
• 1.2 潜水器生存性研究现状19-31
• 1.2.1 生存性的概念及应用19-21
• 1.2.2 研究现状21-30
• 1.2.3 潜水器生存性研究的评述30-31
• 1.3 深海FROV概述31-35
• 1.3.1 国内外极深海潜水器研究现状31-32
• 1.3.2 深海FROV简介32-35
• 1.4 自修复控制系统概述35-37
• 1.4.1 自修复控制系统的研究背景35
• 1.4.2 自修复控制系统的发展史35-36
• 1.4.3 自修复控制系统的关键技术36-37
• 1.5 本文的主要研究内容37-39
• 1.6 本文的创新点39-40
• 第二章 潜水器生存性的基本概念及深海FROV生存性评估40-69
• 2.1 潜水器的生存性的定义和表示40-41
• 2.1.1 生存性的定义40-41
• 2.1.2 生存性的定量表示41
• 2.2 深海FROV自修复控制系统的概念41-42
• 2.3 生存性评估模型的建立42-47
• 2.3.1 元件和子系统42-43
• 2.3.2 子系统的行为与功能43-44
• 2.3.3 子系统的模态及实现的概念44-45
• 2.3.4 生存性评估模型的建立45-47
• 2.4 深海FROV系统模型47-63
• 2.4.1 深海FROV系统结构47-52
• 2.4.2 深海FROV动力学系统52-57
• 2.4.3 深海FROV系统模型57-63
• 2.5 深海FROV生存性评估63-68
• 2.5.1 深海FROV状态转变的假设63-64
• 2.5.2 深海FROV生存性的评估64-68
• 2.6 本章小结68-69
• 第三章 深海FROV故障检诊系统的设计69-112
• 3.1 深海FROV故障检诊的基本理论69-71
• 3.1.1 深海FROV故障检诊的特点分析69-70
• 3.1.2 元件模态转变的假设70
• 3.1.3 深海FROV的故障检诊策略70-71
• 3.2 故障检诊模型的建立71-76
• 3.2.1 复杂系统的功能基础层次模型及其构造方法71-72
• 3.2.2 深海FROV系统的功能基础层次模型72-75
• 3.2.3 功能基础层次模型中的故障检诊75-76
• 3.3 同一模型中的故障诊断76-89
• 3.3.1 基本诊断机制76-80
• 3.3.2 引入故障模态知识80-83
• 3.3.3 故障诊断策略83-84
• 3.3.4 引入概率知识84-87
• 3.3.5 重点诊断策略87-89
• 3.4 全局检诊策略89-90
• 3.4.1 层次递进机制89-90
• 3.4.2 故障检测机制90
• 3.5 局部检诊系统的设计90-92
• 3.5.1 引入局部检诊90-91
• 3.5.2 全局检诊与局部检诊的信息交互分析91-92
• 3.6 推理环境的选择92-94
• 3.7 用于动力学系统执行器与传感器故障检诊的推理机设计94-102
• 3.7.1 扩展卡尔曼滤波原理94-97
• 3.7.2 推理机设计97-99
• 3.7.3 推理机决策机制99-100
• 3.7.4 推理机概率分布100-102
• 3.8 深海FROV的全局检诊系统102-111
• 3.8.1 传感器的局部检诊及余度管理102-103
• 3.8.2 传感器的交叉推理机及解析余度103-104
• 3.8.3 推进器的局部检诊104-105
• 3.8.4 DYN全局检诊系统推理机105-109
• 3.8.5 电源系统的硬件检测电路109-111
• 3.9 本章小结111-112
• 第四章 深海FROV自修复策略研究112-130
• 4.1 通信系统修复策略112-115
• 4.1.1 水面控制单元与深海FROV本体通信策略112-113
• 4.1.2 通信系统的冗余管理策略113-115
• 4.2 计算机系统修复策略115-119
• 4.2.1 双CAN总线硬件结构115-116
• 4.2.2 双CAN总线冗余管理116-119
• 4.3 航行动力学系统修复策略119-123
• 4.3.1 传感器硬件及解析余度管理119-121
• 4.3.2 执行器控制余度开发121-123
• 4.4 电源系统修复策略123-124
• 4.5 引入自修复控制系统以后深海FROV的生存性评估124-129
• 4.6 本章小结129-130
• 第五章 深海FROV系统优化设计130-150
• 5.1 系统优化设计130-142
• 5.1.1 CAN总线冗余设计130-131
• 5.1.2 位姿传感器在各舱室的重新分配131
• 5.1.3 推进器冗余配置131-133
• 5.1.4 电源系统冗余设计133-134
• 5.1.5 基于定性仿真的二次电源故障诊断方法134-139
• 5.1.6 优化升级后系统结构139-142
• 5.2 优化升级后系统生存性评估142-148
• 5.3 不同深海FROV系统的对比分析148-149
• 5.4 本章小结149-150
• 第六章 深海FROV自修复控制系统实验验证150-205
• 6.1 通信系统故障修复实验152-159
• 6.1.1 水面光纤通信故障152-154
• 6.1.2 水面无线通信故障154-156
• 6.1.3 水下光纤通信故障156-158
• 6.1.4 水下水声通信故障158-159
• 6.1.5 实验结论159
• 6.2 计算机系统故障修复实验159-162
• 6.2.1 实验过程159-161
• 6.2.2 实验结论161-162
• 6.3 航行动力学系统故障修复实验162-194
• 6.3.1 仿真实验162-185
• 6.3.2 水池实验185-193
• 6.3.3 仿真实验与水池实验对比分析193-194
• 6.4 电源系统故障修复实验194-203
• 6.4.1 110V1电池故障修复实验194-196
• 6.4.2 110V2电池故障修复实验196-199
• 6.4.3 24V舱内应急电池故障修复实验199-200
• 6.4.4 二次电源故障修复实验200-203
• 6.4.5 实验结论203
• 6.5 本章小结203-205
• 第七章 总结与展望205-208
• 7.1 全文总结205-206
• 7.2 本文主要结论206
• 7.3 展望206-208
• 参考文献208-219
• 致谢219-220
• 攻读博士期间所取得的学术成果220-223

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本文编号：817776