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蛙人运载器导航与控制系统关键技术研究

作　者: 钟多就
导　师: 高延滨
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 光纤陀螺捷联导航系统控制系统 PID算法 PWM控制
分类号: U666.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

蛙人运载器是实现秘密运输蛙人到指定海域进行作战的一种装置,将在未来局部海战中发挥着重要作用。同时,它还是人们探索海洋、开发海洋的重要工具之一。它具有机动性强、成本低、维修容易等特点,因此,在现阶段,蛙人运载器也更多承担着军事以外的任务,例如：水下救援作业、水下管道铺设、港口探测清淤、船底检查等。而要实施上述活动,装备在蛙人运载器的导航与控制系统便显得尤为重要,这也是实现这些水下活动的基本保证。本文主要就蛙人运载器的导航与控制系统关键技术展开了几方面的研究实验。在导航系统方面,研究实验采用了研究所自行研制的光纤陀螺捷联导航系统作为蛙人运载器导航装置,对惯性测量组件、基于SOPC的嵌入式系统构成、捷联矩阵求解、算法仿真等关键点进行了研究；在控制硬件系统设计方面,则设计了以飞思卡尔公司的HCS12系列芯片为蛙人运载器核心处理器的主控制板和串行通讯模块,实现了光纤陀螺捷联惯导系统、核心控制器、深度传感器三者的通讯功能；还设计了蛙人运载器水中动力装置、驱动模块以及接口模块,其中,动力装置采用自主研制的防水电动机与六叶桨直接连接构成。蛙人运载器的主控制板能够实现导航数据和深度数据与期望值比较,输出控制信号到驱动模块,从而控制防水电动机转动,最终达到控制运载器在水中的状态。在控制软件系统设计方面,研究实验设计了基于μC/OS-II操作系统的控制系统,并利用CodeWarrior4.7应用软件编写程序,实现了PID算法,输出PWM控制信号控制防水电动机。论文还根据实际情况和相关资料,简化了蛙人运载器在水中的运动,建立了运动控制的数学模型,并且利用了MATLAB7.0仿真软件对蛙人运载器在垂直面运动和水平面运动做了适当的仿真。仿真结果表明,所设计的控制系统稳定,可以控制蛙人运载器实现的简单运动。系统经过调试试验,硬件设备之间协调情况良好,能够输出控制信号控制防水电动机良好的转动,基本达到预期效果。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-16
  1.1 引言  10
  1.2 蛙人及蛙人运载器的基本概念介绍  10-11
  1.3 蛙人运载器的国内外发展情况及应用  11-13
  1.4 蛙人运载器导航与控制的关键技术  13-15
    1.4.1 深度、航向、速度及姿态导航参数解算  13
    1.4.2 PID控制技术  13-14
    1.4.3 PWM控制技术  14-15
  1.5 本文研究的主要内容  15-16
第2章蛙人运载器导航系统设计  16-36
  2.1 引言  16-17
  2.2 硬件系统  17-25
    2.2.1 IMU结构以及系统电气构成  17-19
    2.2.2 系统仪表介绍  19-23
      2.2.2.1 光纤陀螺原理及发展  19-22
      2.2.2.2 力反馈摆式加速度计原理及发展  22-23
    2.2.3 基于SOPC的嵌入式系统构成  23-24
    2.2.4 接口模块设计  24-25
  2.3 捷联惯导系统基本原理  25-32
    2.3.1 常用坐标系  26-27
    2.3.2 惯导基本方程  27-28
    2.3.3 捷联矩阵求解  28-30
    2.3.4 捷联惯导系统的导航信息解算  30-32
  2.4 算法仿真实验  32-35
  2.5 水深测量模块  35
  2.6 本章小结  35-36
第3章蛙人运载器控制软硬件系统设计  36-50
  3.1 引言  36
  3.2 核心处理器选择  36-40
    3.2.1 主控芯片选取与设计  37-38
    3.2.2 核心处理器外围电路设计  38-40
  3.3 通讯接口模块  40-41
  3.4 驱动模块  41-42
  3.5 系统软件设计  42-49
    3.5.1 控制系统软件设计  42-44
    3.5.2 基于CodeWarrior4.7开发Freescale应用程序  44-46
    3.5.3 PWM模块  46-47
    3.5.4 控制算法软件设计  47-49
  3.6 本章小结  49-50
第4章蛙人运载器运动控制技术及仿真  50-72
  4.1 引言  50
  4.2 蛙人运载器水下运动模型  50-61
    4.2.1 坐标系以及坐标变换  50-52
    4.2.2 蛙人运载器水下运动方程推导  52-54
    4.2.3 蛙人运载器空间运动受力分析  54-56
    4.2.4 蛙人运载器的重力和浮力设计  56-57
    4.2.5 推进、转向及变深动力设计  57-61
  4.3 蛙人运载器运动控制技术  61-66
    4.3.1 PID控制概述  61
    4.3.2 系统PID算法的数字化  61-64
    4.3.3 脉宽调制技术简述  64-65
    4.3.4 脉宽调制的实现  65-66
  4.4 蛙人运载器的运动控制仿真  66-71
    4.4.1 蛙人运载器运动数学模型  66-69
    4.4.2 推力与防水电机转速  69
    4.4.3 仿真  69-71
  4.5 本章小结  71-72
第5章系统软硬部件调试  72-76
  5.1 引言  72
  5.2 硬件系统调试  72-73
  5.3 软件系统调试  73-75
    5.3.1 串行通讯调试  73
    5.3.2 AD数据采集模块调试  73-74
    5.3.3 PWM信号输出与电机的测试  74-75
  5.4 本章小结  75-76
结论  76-78
参考文献  78-81
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  81-82
致谢  82

蛙人运载器导航与控制系统关键技术研究

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