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下潜平台运动建模与控制系统研究

作　者: 陈中祥
导　师: 阎祥安；王刚
学　校: 天津大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 运动建模 PID控制 仿真 水声通信 卷积编码 正交频分复用 水声定位与导航
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 84次
引　用: 3次
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内容摘要


随着人们对海洋资源的日益重视,水下机器人作为海洋勘探和深海作业的工具被越来越频繁的使用。在恶劣的海况和特殊的工作环境下,如何安全、高效、经济地释放与回收水下机器人已经成为必须解决的难题。本文的研究对象——下潜平台,就是在这种背景下出现的。本文旨在研制安全、高效、经济的下潜平台,主要研究下潜平台的控制系统,并对此作四个方面的工作。第一个方面,提出使用七个推进器实现下潜平台空间六自由度运动的构想,并以此建立平台运动模型,进而运用PID控制来改善平台的运动性能。第二个方面,使用水声通信代替现行缆控通信,极大地改善平台的运动空间,同时在水声通信系统中使用卷积编码解码和正交频分复用技术来提高通信质量。第三方面,在水声通信的基础上使用短基线定位系统对下潜平台进行定位与导航。第四部分,将下潜平台整个控制系统合理划分成水面控制系统和水下控制系统,同时对这两部分控制系统进行分工和软硬件设计。水面控制系统使用VB 6.0编写人机交互的可视化、模块化应用控制程序;水下控制系统选用了MSP430单片机,单片机使用C语言编程。为了验证理论与设计的正确性,使用MATLAB软件对PID控制部分进行了仿真;对控制系统进行了测试。仿真和测试结果表明控制系统设计思路和设计方案正确可行,达到了最初设计要求。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-12
  1.1 引言  7
  1.2 下潜平台的发展概况  7-9
  1.3 下潜平台控制系统研究概述  9-11
    1.3.1 下潜平台的控制技术  9
    1.3.2 下潜平台的控制系统  9-11
  1.4 下潜平台控制系统存在的问题  11
  1.5 本文的研究内容  11-12
第二章 下潜平台的运动建模与控制仿真  12-40
  2.1 下潜平台运动分析基础  12-17
    2.1.1 坐标系定义  12-13
    2.1.2 推进器的分布  13-14
    2.1.3 坐标变换  14-16
    2.1.4 运动规划  16-17
  2.2 下潜平台的力学分析  17-25
    2.2.1 推进器  18-19
    2.2.2 水动力  19-23
      2.2.2.1 粘性水动力  19-21
      2.2.2.2 惯性水动力  21-23
    2.2.3 合力与和合力矩  23-25
  2.3 合力作用下的运动方程  25-27
  2.4 下潜平台的运动模型  27-30
  2.5 下潜平台的PID控制及其仿真  30-40
    2.5.1 水平面内直航  30-32
    2.5.2 水平面内调整航向角  32-34
    2.5.3 垂面内潜浮  34-36
    2.5.4 oxz面内纵倾  36-38
    2.5.5 oyz面内横倾  38-40
第三章 水声通信  40-50
  3.1 水声通信简介  40-45
    3.1.1 水声通信的由来  40-41
    3.1.2 水声通信的特点  41-42
    3.1.3 水声通信的性能评价  42-43
    3.1.4 水声通信的发展  43-45
  3.2 水声通信原理  45
  3.3 卷积编码与解码  45-47
  3.4 正交频分复用  47-50
第四章 下潜平台的定位与导航  50-56
  4.1 水声定位  50-53
    4.1.1 水声定位简介  50-52
    4.1.2 水声定位原理  52-53
  4.2 水声导航  53-56
第五章 下潜平台的整体控制  56-65
  5.1 水面控制系统  56-57
  5.2 水面应用控制软件  57-59
  5.3 水下控制系统  59-61
  5.4 水下控制软件  61-63
  5.5 控制系统测试  63-65
第六章 总结与展望  65-67
  6.1 总结  65-66
  6.2 展望  66-67
附录  67-71
  附录一：下潜平台参数确定  67-68
  附录二：水动力参数估计  68-71
    一 粘性水动力系数的估计  68-69
    二 惯性质量的估计  69-70
    三 水动力系数估计结果  70-71
参考文献  71-74
作者在攻读硕士期间参加科研和发表论文  74-75
致谢  75

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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