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混合驱动水下机器人控制系统设计

作　者: 王洪达
导　师: 张连洪
学　校: 天津大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 混合驱动水下机器人 分布式控制系统 CAN总线 控制策略 模糊PID控制器
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


作为一种新型的水下机器人,混合驱动水下机器人具备螺旋桨驱动与浮力驱动两套驱动系统,兼有水下自航行器(Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)和水下滑翔器(Autonomous Underwater Glider,简称AUG)的优点。在螺旋桨驱动模式下,具有航行速度快、机动性好的优点;当以浮力驱动模式航行时,具有航程大,隐蔽性好的优点。与传统的水下机器人相比,混合驱动水下机器人的运动形式更加复杂。因此,其控制系统节点较多,复杂程度较高,工作环境复杂,对可靠性提出更高的要求。本文以自主研发的混合驱动水下机器人PETREL为依托,设计了融合AUV控制和AUG控制的分布式控制系统。本文的主要研究内容及成果如下:1.针对复杂水下环境对通讯的不利影响,本文设计了基于串口和CAN总线的水下机器人复合分布式控制系统,该系统避免了串口和水下机器人内部CAN总线的相互干扰,更加适合多传感器及多末端执行机构的水下机器人。2.混合驱动水下机器人核心控制单元和单元功能模块设计。本文采用ARM7微控制器LPC2292设计了核心控制单元,使整个系统具有可扩展性和互换性。在此基础上,设计了电源管理系统,螺旋桨推进系统,姿态控制系统,变浮力系统等单元功能模块。3.结合模糊PID控制器,对PETREL的航行控制策略进行了研究,包括航行轨迹跟踪策略、姿态保持策略以及意外处理策略。以上策略的应用,大大增强了系统的鲁棒性,改善了动态响应特性,使得PETREL能够有效的完成航行及测量任务。4.对核心控制单元及各基础单元模块进行了详细的单元实验研究,验证了系统的功能。一系列的水域实验验证了本文研究的PETREL控制系统的可行性、可靠性。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-5
目录  5-7
第一章 绪论  7-15
  1.1 引言  7-8
  1.2 水下机器人的发展现状  8-13
    1.2.1 AUV 的发展现状  8-10
    1.2.2 AUG 的发展现状  10-11
    1.2.3 混合驱动水下机器人的发展现状  11-13
  1.3 课题研究意义  13
  1.4 课题主要内容  13-15
第二章 混合驱动水下机器人系统方案设计  15-25
  2.1 PETREL 机械系统设计  15-18
    2.1.1 螺旋桨驱动系统  16-17
    2.1.2 浮力驱动系统  17
    2.1.3 姿态调节系统  17-18
  2.2 PETREL 控制系统体系结构设计  18-24
    2.2.1 PETREL 分布式控制体系设计  18-20
    2.2.2 复合通讯网络设计  20-22
    2.2.3 通讯模块软件设计  22-24
  2.3 本章小结  24-25
第三章 混合驱动水下机器人控制系统总体设计  25-45
  3.1 核心控制单元  25-32
    3.1.1 μC/OS-II 在LPC2292 上的移植  27-30
    3.1.2 在线编程模块  30-31
    3.1.3 数据存储模块设计  31-32
  3.2 电源管理  32-35
    3.2.1 电源监测  32-34
    3.2.2 电源隔离与间歇供电  34-35
  3.3 传感器系统  35-36
  3.4 末端执行机构  36-39
  3.5 控制系统高级控制模块设计  39-44
    3.5.1 主控模块设计  39-42
    3.5.2 AUV 功能模块  42-43
    3.5.3 AUG 功能模块  43
    3.5.4 导航与传感器模块  43-44
    3.5.5 意外处理模块  44
  3.6 本章小结  44-45
第四章 控制算法及策略研究  45-50
  4.1 模糊PID 算法的应用  45-46
  4.2 控制策略研究  46-49
    4.2.1 航行策略  46-47
    4.2.2 意外处理策略  47-49
  4.3 本章小结  49-50
第五章 总体试验研究  50-63
  5.1 单元模块实验  50-57
    5.1.1 TCM3 三维电子罗盘  50-52
    5.1.2 GPS  52-53
    5.1.3 CAN 通讯  53-54
    5.1.4 压力传感器  54
    5.1.5 螺旋桨驱动系统  54-56
    5.1.6 姿态调节系统  56-57
  5.2 整机水域实验  57-61
    5.2.1 机动性测试实验  57-58
    5.2.2 水面直航实验  58-59
    5.2.3 定深航行实验  59-60
    5.2.4 轨迹跟踪航行实验  60-61
    5.2.5 滑翔航行实验  61
  5.3 本章小结  61-63
第六章 全文总结及工作展望  63-65
  6.1 全文总结  63
  6.2 工作展望  63-65
参考文献  65-70
发表论文和参加科研情况说明  70-71
致谢  71

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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 > 机器人技术 > 机器人
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