AUV自动驾驶的设计与实现

发布时间：2017-09-21 06:08

  本文关键词：AUV自动驾驶的设计与实现

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【摘要】：自主式水下机器人(AUV,Autonomous Underwater Vehicle)在港口安防、科学考察、水产养殖等领域有着广泛的应用,是当前世界各国研究工作的热点。自动驾驶作为水下机器人的重要组成部分,是确保AUV在水下运行时具有良好可控性和稳定性的关键。未来随着深海工作复杂度的增加,人们对AUV自动驾驶的安全性、稳定性要求也必然会更加的严格。因此,欧美等国已经着手研究更加可靠、高效的AUV自动驾驶方案。本文的目标是对AUV自动驾驶的设计与实现进行初步的研究。论文中首先介绍了当前国内外AUV的研究现状、发展趋势,综述了AUV的自动驾驶技术,以及对其研究的意义。接着从整体上对AUV自动驾驶进行了介绍说明。之后详细的探讨了AUV自动驾驶系统的软件实现、硬件实现和运动控制算法。其中,着重介绍AUV自动驾驶系统的硬件实现。在硬件设计上,采用can总线构成分布式系统,实现多主机间“对等式”通信,增加了信息通讯量,并提供了良好的拓展性。在软件设计上采用抢占式内核uc/os作为嵌入式操作系统,它具有实时性强、可靠性高、可裁剪和移植简单的优势,满足水下机器人的设计需要。此外,还对AUV自动驾驶的相关算法进行了介绍,着重研究了AUV的运动控制算法。目前,AUV的运动控制结构主要有分布式和集中式两种结构,分布式设计具有很好的通用性,非常适用于多自由度的AUV系统。控制算法包括模糊控制、PID控制、自适应控制、滑模变结构控制、神经网络控制等,还有上述方法相结合而产生的新的算法,例如自适应PID,模糊神经网络等等。本文在样机鱼雷型水下机器人的基础上,采用PID运动控制算法,在MATLAB环境下进行了仿真,仿真结果表明PID控制算法设计合理、有效。
【关键词】：自主式水下机器人 自动驾驶 ucos PID 分布式 CAN总线
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-19
• 1.1 水下机器人的特点和分类11-12
• 1.2 AUV的研究现状及发展前景12-17
• 1.2.1 国外水下机器人研究现状12-15
• 1.2.2 国内水下机器人研究现状15-16
• 1.2.3 自主式水下机器人的发展趋势16-17
• 1.3 自动驾驶技术及AUV自动驾驶17
• 1.4 论文来源17
• 1.5 论文主要研究内容17-18
• 1.6 论文章节结构18-19
• 2 AUV自动驾驶的整体设计19-25
• 2.1 鱼雷型水下机器人19-20
• 2.2 AUV整体的内部系统划分20-21
• 2.3 AUV整体内部各系统功能21-22
• 2.3.1 任务层21
• 2.3.2 规划层21-22
• 2.3.3 控制层22
• 2.3.4 执行层22
• 2.3.5 小结22
• 2.4 AUV的自动驾驶及其功能22-25
• 2.4.1 AUV自动驾驶系统的组成23
• 2.4.2 AUV自动驾驶的功能23-25
• 3 AUV自动驾驶的硬件实现25-44
• 3.1 电机控制器25-35
• 3.1.1 电机控制器控制芯片dsPIC401126-27
• 3.1.2 电机控制器的下行电路设计27-28
• 3.1.3 电机控制器的上行电路设计28-35
• 3.2 舵机控制器35-36
• 3.3 泄漏检测控制器36-37
• 3.4 模式选择控制器37
• 3.5 电源及温湿度管理控制器37-38
• 3.6 CAN控制总线38-42
• 3.6.1 CAN总线的特点38
• 3.6.2 CAN总线的优势38-39
• 3.6.3 AUV自动驾驶的CAN总线设计39-42
• 3.7 AUV自动驾驶的硬件测试42-44
• 4 AUV自动驾驶的软件实现44-53
• 4.1 实时操作系统uc/os-Ⅱ及其任务44-45
• 4.1.1 uc/os-Ⅱ的特点44
• 4.1.2 uc/os-Ⅱ任务的存储结构44-45
• 4.1.3 uc/os-Ⅱ任务的状态45
• 4.1.4 uc/os-Ⅱ任务的优先级别45
• 4.2 uc/os-Ⅱ任务的调度和切换45-48
• 4.2.1 OSSched()的任务调度部分46-47
• 4.2.2 OSSched()的任务切换部分47-48
• 4.3 uc/os-Ⅱ在dsPIC4011上的移植48-49
• 4.4 uc/os-Ⅱ在AUV自动驾驶中的应用49-53
• 5 AUV自动驾驶的运动控制方法设计53-62
• 5.1 主要的运动控制方法53-54
• 5.2 数字增量式PID控制算法54-56
• 5.3 AUV自动驾驶的PID运动控制56-57
• 5.3.1 PID控制回路及控制率56
• 5.3.2 AUV自动驾驶的PID运动控制56-57
• 5.4 自动驾驶系统中运动控制系统的仿真设计57-59
• 5.4.1 建立坐标系和定义参数57
• 5.4.2 AUV的运动学模型57-59
• 5.5 PID运动控制算法的仿真研究59-62
• 6 总结与展望62-63
• 参考文献63-67
• 致谢67-68
• 个人简历68-69
• 发表的学术论文69

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本文编号：892802