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深潜救生艇作业过程虚拟控制系统研究

作　者: 张晓棠
导　师: 夏国清
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 深潜救生艇模糊PID控制虚拟仿真 Vega Prime Creator
分类号: U674.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

人类正在步入海洋时代。人们对海洋的开发和探索的范围也越来越广泛。许多国家相继进行了载人潜水器的研制工作,而深潜救生艇是艇底设有专门与失事潜艇舱口对接转裙的载人潜器。当潜艇失事后,需要深潜救生艇前去援救,在深潜救生过程中最主要的技术难题是控制深潜救生艇与失事潜艇进行水下对接。本文就是在此背景下应用虚拟仿真技术和自动控制理论建立一个虚拟操控系统,用以研究驾驶人员操控深潜救生艇与失事潜艇的对接过程。本文主要对以下内容分析并研究。本文分析了首先建立四自由度深潜救生艇运动学模型、推进器数学模型和环境干扰数学模型,应用四阶龙格—库塔法求解其微分方程组。并针对深潜救生艇的运动特性,设计了模糊控制与PID相结合的混合控制器,用Visual C++语言编制仿真程序。通过分析比较两种控制器的仿真结果验证了模糊PID控制比PID控制器的超调量更小稳定性更好,模糊PID控制器比PID控制器能达到较好的控制效果然后用Multigen Creator软件建立了深潜救生艇作业过程中所要用到的深潜救生艇、失事潜艇、海底地形等三维模型,并添加了DOF技术和LOD层次细节技术。建立了基于Vega Prime的三维视景仿真系统并开发人机交互应用程序,设计四个视点以便交互的观察救生艇的作业过程。深潜救生艇具有自动控制的功能,但还没有达到脱离人的控制完全自主工作的程度。尤其是在一些复杂的环境中,对其的操作技术很大程度上依赖于驾驶人员的熟练程度。本文将深潜救生艇操控系统与三维视景系统相结合,建立深潜救生艇作业过程的虚拟控制系统,用以研究驾驶人员操控深潜救生艇与失事潜艇的对接过程,同时利用虚拟现实技术验证了虚拟操控深潜救生艇的可实现性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-17
  1.1 论文选题背景及其意义  10-11
  1.2 国内外深潜救生技术的发展状况  11-12
  1.3 国内外虚拟现实技术的发展现状  12-15
    1.3.1 国内外研究概述  12-14
    1.3.2 虚拟仿真技术的应用  14-15
  1.4 论文主要的研究内容  15-17
第2章深潜救生艇四自由度运动学模型  17-28
  2.1 引言  17
  2.2 深潜救生艇四自由度数学模型  17-25
    2.2.1 建立救生艇的固定坐标系和运动坐标系  17-20
    2.2.2 救生艇艇体特点  20-21
    2.2.3 深潜救生艇动力学模型  21-22
    2.2.4 深潜救生艇水动力模型  22-23
    2.2.5 救生艇静力分析  23-24
    2.2.6 环境干扰模型(海流)  24
    2.2.7 深潜救生艇运动数学模型  24-25
  2.3 深潜救生艇推进器  25-26
    2.3.1 主推进器系统  25-26
    2.3.2 槽道推进器系统  26
  2.4 推力分配原则  26-27
  2.5 本章小结  27-28
第3章深潜救生艇四自由度控制方法研究  28-42
  3.1 引言  28
  3.2 PID控制原理  28-29
  3.3 模糊控制原理  29-31
    3.3.1 模糊控制理论  29-30
    3.3.2 模糊控制的基本原理  30-31
  3.4 深潜救生艇位置和艏向控制器设计  31-36
    3.4.1 模糊控制器的设计  31-34
    3.4.2 混合型模糊PID控制器设计  34-35
    3.4.3 深潜救生艇的位置和艏向控制系统设计  35-36
  3.5 深潜救生艇位置和艏向控制仿真结果  36-41
    3.5.1 无海流无测量噪声干扰的仿真结果  36-38
    3.5.2 有海流无测量噪声干扰的仿真结果  38-39
    3.5.3 有海流有测量噪声干扰的仿真结果  39-41
  3.6 本章小结  41-42
第4章虚拟控制系统应用的关键技术  42-57
  4.1 引言  42
  4.2 创建仿真系统三维模型  42-50
    4.2.1 Multigen Creator建模软件  42-43
    4.2.2 模型创建  43-46
    4.2.3 高级建模技术  46-50
  4.3 救生艇视景驱动的开发  50-55
    4.3.1 Vega prime软件  50-52
    4.3.2 生成ACF文件  52-54
    4.3.3 对接检测  54-55
  4.4 本章小结  55-57
第5章深潜救生艇虚拟控制系统设计与实现  57-70
  5.1 引言  57
  5.2 虚拟控制系统设计  57-62
    5.2.1 虚拟控制系统的设计思路  57-59
    5.2.2 仿真程序的建立  59-62
  5.3 虚拟控制系统的仿真结果  62-69
    5.3.1 对接检测功能的实现  62-63
    5.3.2 救生艇作业过程仿真结果  63-69
  5.4 本章小结  69-70
结论  70-71
参考文献  71-75
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  75-76
致谢  76

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