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自主水下机器人能源与动力系统设计

作　者: 滕学志
导　师: 魏志强
学　校: 中国海洋大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 自主水下机器人电源管理单片机推进器控制模糊PID
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

当今世界,随着科学技术的发展,水下机器人在世界范围内的应用领域已经不断扩大,如海洋研究、科学考察、海洋开发和水下工程、海洋环境监测、海洋地球科学数据采集和海底资源调查等方面。作为水下运载技术的重要执行载体,自主水下机器人(AUV)已经成为当前世界各国的研究热点。本文旨在对能源与动力系统的设计进行研究,首先介绍了系统总的构架与各部分模块功能,说明了能源与动力系统与其他各组成部分的相互联系。然后分别对能源与动力系统的进行了设计,使其可以满足系统各传感器、中央控制机与推进器的能源供给与控制,同时通过底层的电路搭建实现水下各方位的运动控制。对于自主水下机器人来说,能源系统是其重要的组成部分,能源的选择与设备电源管理的质量将会直接影响到系统的性能和硬件的使用寿命。实时的检测自主水下机器人的状态,也为紧急情况处理模块提供了有利的数据参考,在分析了几种常用的电池后,采用了锂离子电池作为系统的主要能源供给方式。同时文章探讨了一种适用于自主水下机器人的电源管理设计,采用单片机及外围电路实时的对机器人中设备的电压、电流和温度等信息进行全程监控,在出现故障时可以迅速做出相应处理。分析了几种常用的检测电池剩余电量的方法,在结合开路电压与库仑计数法的优点的基础上提出了一种适用于用系统的电池剩余电量检测方法,提高了测量的精确度。自主水下机器人动力系统的运动控制,也是水下机器人的关键技术之一。随着水下机器人应用范围的扩大,对其自主性,运动控制的精度和稳定性的要求都随之增加。文章将着重于建立较为完善的自主水下机器人控制系统体系结构,首先对自主水下机器人的运动学和动力学进行分析,并根据课题的实际情况和控制器设计的需要对其进行了适当简化,为后续控制系统的设计和研究提供理论依据及向导作用。其次,采用S3C2440处理器搭建底层的控制平台,对采用无刷直流电机的推进器进行控制,将转速信号输出为PWM信号,为了全面改善无刷直流电机调速系统的动、静态性能,电机驱动采用软硬件双闭环设计,外环采用无位置传感器的无刷直流电机控制方案,通过对电机三相电压过零点的检测,采用反电动势法对速度进行调节。内环通过电机自带的传感器反馈信号作用于硬件电路实现电机的正常启动与运行,克服了无位置传感器控制启动上的缺点,同时对电机电流量的反馈,在电机短路、卡死的情况下迅速关断电机,对其进行保护。双闭环提高了系统的稳定性和鲁棒性。对硬件电路进行了设计。控制算法上在分析了传统PID控制与模糊控制的优缺点后,采用模糊自整定PID的控制方案,实时改变PID的参数,从而达到一个良好的动态响应效果。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
1 绪论  11-17
  1.1 研究背景  11
  1.2 自主水下机器人研究国内外现状  11-13
  1.3 水下机器人能源与动力研究现状  13-15
    1.3.1 能源系统研究现状  13-14
    1.3.2 动力系统研究现状  14-15
  1.4 课题来源与现实意义  15-16
  1.5 论文的构架  16-17
2 水下机器人系统总体设计  17-21
3 自主水下机器人能源系统设计  21-37
  3.1 AUV能源系统分析  21-24
    3.1.1 电池的选择  21-22
    3.1.2 AUV组成部件电压分配  22-24
  3.2 电源管理系统主要功能  24-25
    3.2.1 主要功能介绍  24
    3.2.2 各部分模块功能介绍  24-25
  3.3 电源管理系统硬件设计  25-30
    3.3.1 电压监测  26-28
    3.3.2 电流监测  28
    3.3.3 温度检测  28-29
    3.3.4 串口通信  29-30
  3.4 电源管理系统软件设计  30-35
    3.4.1 A/D转换子程序  31-33
    3.4.2 电量计算  33-34
    3.4.3 温度采集  34-35
  3.5 小结  35-37
4 自主水下机器人动力系统设计  37-63
  4.1 运动学分析  37-39
    4.1.1 坐标系的选取与参数定义  37-38
      4.1.1.1 坐标系的选取  37-38
      4.1.1.2 参数定义  38
    4.1.2 坐标系的转换  38-39
  4.2 动力学分析  39-43
    4.2.1 一般动力学模型  39-41
    4.2.2 推进器的空间布置  41-42
    4.2.3 推进器推力分析  42
    4.2.4 所受合力和力矩分析  42-43
  4.3 动力系统的整体设计  43-52
    4.3.1 推进器的选择  44
    4.3.2 推进器的控制  44-48
      4.3.2.1 无刷直流电机控制  44-45
      4.3.2.2 无刷直流电机的无传感器控制  45-48
    4.3.3 算法分析  48-52
      4.3.3.1 PID控制器介绍  48-50
      4.3.3.2 模糊控制器介绍  50-51
      4.3.3.3 模糊PID控制器介绍  51-52
  4.4 动力控制系统硬件的设计  52-56
    4.4.1 处理器的选择  52-54
      4.4.1.1 CPU的选取  52-53
      4.4.1.2 S3C2440介绍  53-54
    4.4.2 驱动电路的设计  54-56
    4.4.3 无位置传感器电路设计  56
  4.5 动力控制系统软件的设计  56-62
    4.5.1 PWM产生  56-58
    4.5.2 模糊PID控制设计  58-62
  4.6 小结  62-63
5 总结与展望  63-65
参考文献  65-69
致谢  69-71
个人简历、在校期间发表的学术论文与研究成果  71

自主水下机器人能源与动力系统设计

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