Argo浮标的数采系统与悬停控制技术研究

发布时间：2020-08-13 04:50

【摘要】：近几年来,全球海洋气象灾害频发,人们对全球气候建立长短期预测的需求也越来越迫切,而这些预测在很大程度上依赖海洋观测数据,特别是全球海洋垂直剖面的数据。若想要对其进行准确的预测,一个拥有较高分辨率的全球海洋监测系统必不可少。Argo浮标是一种专门用于采集大洋垂直剖面数据的中性漂流浮标,通过改变自身体积来实现上浮、下潜及悬停。它可搭载各小型海洋观测仪器,实现在大洋中各剖面数据的测量存储,其处于海面时可通过卫星通讯将数据发送至接收站后,可再次进行下一个测量的循环,直至能源耗尽。首先,本文介绍了本课题的背景意义和国内外研究现状,详细介绍了 Argo浮标的工作模式及浮潜原理,并对其机械结构进行了简单介绍。在此基础上,针对Argo浮标的基本工作模式,提出了一种采用铱星数据通讯的Argo浮标低功耗数采系统设计。本课题的硬件设计包括电源电路设计、模数转换电路设计、数据存储电路设计、STM32L476微控制器电路设计、数据采集电路设计等,并对浮标的驱动器和铱星数传终端设计了电源管理。然后,根据其工作模式完成了软件的开发设计,额外添加了下潜超时和电池低压紧急上浮功能,并对铱星的数据通讯添加了握手协议。设计实现了其人机交互软件,其可对浮标进行状态查询、下潜使命设置、数据下载等。其次,本文在完成数采系统的整体设计后,对Argo浮标的悬停控制技术进行了探究:首先,针对本课题浮标进行了浮潜运动分析,建立起数学模型;然后,研究了增量式和位置式PID控制在本课题悬停控制中的应用方式,在此基础上,改进提出了模糊自适应PID控制算法,运用MATLAB对传统PID控制和模糊PID控制进行定深仿真,并对比仿真结果,结果表明模糊PID控制在Argo浮标悬停控制中表现更为优秀。最后,完成对系统软硬件、机械联调等测试后,选择了某水库,对样机进行整体性能测试。测试结果表明,该数采系统满足Argo浮标工作流程的需要,并实现了悬停控制功能,充分表明了本文所研究的Argo浮标数采系统的可靠性。
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP274.2;P715.2
【图文】：

浮标如ＰＲＯＶＯＲ型剖面浮标（法国、加拿大），ＡＰＥＸ型剖面浮标（美国）、ＳＯＬＯ型剖面逡逑浮标（美国）都是以此为基础模型。其中，技术性能最稳定的ＡＰＥＸ浮标尤其受到Ａｒｇｏ各成逡逑员国的青睐。目前，它约占全球Ａｒｇｏ观测网浮标总数的５７％。如图１．２所示，其左边为ＡＰＥＸ逡逑型剖面浮标，右边为ＳＯＬＯ－ＩＩ型剖面浮标。逡逑ｆ邋Ｉ逡逑ＩＩ逡逑图１．２邋ＡＰＥ）（型和ＳＯＬＯ－ＩＩ型剖面浮标逡逑２逡逑

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次进入下潜测量的循环。逡逑最初Ａｒｇｏ浮标主要依靠船只行驶至海洋中进行布放。后来，美国伍兹霍尔海洋研究所逡逑（ＷＨＯＩ）和ＭＲＶ公司联合设计并试验生产了一种空投式剖面浮标如图１．３所示，该型浮标逡逑的重量只有普通Ａｒｇｏ剖面浮标的一半，可以获得０？２０００米水深范围内的剖面资料，采用铱逡逑卫星通讯方式进行数据传输。空投式剖面浮标的研制成功，可以根据需要快速投放至所需海逡逑域，大大提高人们对台风、飓风等海洋灾害的监测能力。逡逑Ｙ逡逑逦疗yU体逡逑逦ｃｐｕ电路板逡逑ｗ逡逑ＳＢ逡逑逦油铱逡逑ａｍ逦液Ｅ活寒逡逑Ｍ逦电地逡逑｜Ｐ逦油羰逡逑图１．３空投式剖面浮标逡逑由于海洋环境的复杂多变及其不确定性，Ａｒｇｏ浮标采集的浅海数据己经越来越不能满足逡逑科学家们研宄的需要，而且某种程度上，更深层海水的观测数据（观测深度大于２０００米）对逡逑全球气候变化更为重要。于是之后国际Ａｒｇｏ组织又启动了邋“深海Ａｒｇｏ（Ｄｅｅｐ－Ａｒｇｏ）观测”计逡逑划，预示着Ａｒｇｏ浮标研制的新发展趋势。逡逑１逡逑？逡逑图１．４深海ＮＩＮＪＡ型剖面浮标逡逑如图１．４所示是日本的ＴＳＫ公司和海洋科技研宄中心于２００９年一起研制的深海ＮＩＮＪＡ逡逑型剖面浮标１３］，其最大剖面观测深度也己可达４０００米。逡逑３逡逑

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逑目前，国际上研发出来的的深海剖面浮标最大下潜深度可达６０００米，主要有美国斯科利逡逑普斯公司开发的深海ＳＯＬＯ型浮标和Ｔｅｌｅｄｙｎｅ邋Ｗｅｂｂ开发的深海ＡＰＥＸ型浮标（如图１．５所逡逑示）。逡逑ｖ逡逑图ｌ．５邋Ｄｅｅｐ邋ＡＰＥＸ型浮标逡逑两者都采用了玻璃球作为耐压壳体的设计。Ｄｅｅｐ邋ＡＰＥＸ型浮标于２０１１年完成了浮标的逡逑基本机械和电子设计，后开展了初步的玻璃材料测试，并确定使用玻璃球体作为浮标外壳。逡逑之后经过不断测试，终于在２０１３年２月２６－２７日，得到了邋６０００米水深的剖面数据。后又逐逡逑渐搭载高度计、浊度仪等传感器进行数据采集，现己推向市场提供商用，但其也存在硬件及逡逑电子元件不稳定现象。逡逑中国的剖面浮标的研制立项于“十五”的８６３海洋监测技术主题上，期间经过不断的努逡逑力研发，终于在２００２年１０月，其科研样机试制成功，并命名为ＣＯＰＥＸ邋（Ｃｈｉｎａ邋ＯｃｅａｎＰｒｏｆｉｌｉｎｇ逡逑Ｅｘｐｌｏｒｅｒ）邋［８］。２００３年，我国自主研发的自动剖面探测浮标ＣＯＰＥＸ成功进行了布放试验。在逡逑此之后，又开发出了多种类型的自持式剖面浮标，使用北斗卫星导航系统进行定位和数据传逡逑输［１１］

【参考文献】