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嵌入式ARM在基于以太网的AUV运动控制单元中的应用研究

作　者: 蒋辰
导　师: 靳世久
学　校: 天津大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 水下自主航行器运动控制 ARM μC/OS-Ⅱ 以太网
分类号: U664.82
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

深水油气资源通常位于复杂地质结构海域,这给勘探与生产过程带来很大困难,具有自动控制能力并搭载相关仪器的水下自主航行器能够很好地完成该勘察任务。本文以深水AUV为依托,通过运动学方程和动力学方程研究了系统的动力学模型,总结了在系统平衡态下通过求扰动方程并线性化以求取状态方程和传递函数的一般方法。在提出本AUV航行控制策略并给定系统典型传递函数的基础上,对其控制回路进行了时频域分析,并在此基础上应用Ziegler-Nichols方法设计了PID控制器。针对PID控制器参数整定问题的局限性,设计了改进的模糊自适应PID控制器,达到了很好的仿真效果。最后提出了本AUV的避障方案。提出了一种基于星型以太网拓扑的AUV多节点控制系统结构,并应用ARM7设计了其中的运动控制单元,并移植了实时操作系统μC/OS-Ⅱ。编写了该单元RS232、RS485串行通讯以及TCP、UDP网络通讯的程序。对相关控制算法进行了软件实现,并在ARM上构建了该单元的嵌入式WEB服务器。在此基础上,运用多任务程序设计的方法,对运动控制单元的总体软件进行了规划和设计。对所设计的运动控制单元的各通讯功能模块进行了测试,并将该单元接入整体控制系统中,通过模拟实验,进行了长时间的联合通讯可靠性测试。良好的实验结果不仅验证了运动控制单元具备所需满足的通讯功能,同时也验证了本AUV整体控制系统方案的可行性和数据传输的可靠性。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-14
  1.1 引言  8-9
  1.2 水下自主航行器发展状况及趋势  9-11
  1.3 水下自主航行器控制技术研究状况及趋势  11-13
  1.4 课题来源和意义  13
  1.5 本文主要研究内容  13-14
第二章水下自主航行器动力学模型  14-20
  2.1 坐标系与坐标变换  14-15
    2.1.1 坐标系的选取  14
    2.1.2 坐标系转换  14-15
  2.2 水下自航行器系统数学模型  15-17
    2.2.1 水下自主航行器运动参数  15
    2.2.2 运动学方程  15-16
    2.2.3 动力学方程  16
    2.2.4 水下航行器一般运动方程  16-17
  2.3 一般运动模型的解耦与简化  17-18
  2.4 扰动方程及传递函数的求解方法  18-19
  2.5 本章小结  19-20
第三章水下自主航行器运动控制策略与算法  20-41
  3.1 水下自主航行器航行控制策略  20-23
    3.1.1 航向控制策略  20-21
    3.1.2 深度高度控制策略  21-22
    3.1.3 航速控制策略  22-23
  3.2 水下自主航行器运动的时频域分析  23-26
  3.3 PID 控制算法  26-30
    3.3.1 PID 控制器的基本原理  27
    3.3.2 PID 控制器各校正环节对于控制效果的影响  27-28
    3.3.3 数字PID 控制方法  28-29
    3.3.4 Ziegle-Nichols 方法PID 控制参数整定  29-30
  3.4 模糊自适应整定PID 控制算法  30-38
    3.4.1 模糊控制的基本原理  30-32
    3.4.2 模糊自适应PID 控制器的设计  32-37
    3.4.3 模糊自适应PID 控制效果  37-38
  3.5 避障控制策略  38-40
  3.6 本章小结  40-41
第四章基于以太网的AUV 运动控制单元设计  41-65
  4.1 基于星型以太网拓扑的AUV 多节点控制系统体系结构  41-44
  4.2 AUV 运动控制单元整体结构  44-47
    4.2.1 运动控制单元功能需求分析  44-45
    4.2.2 运动控制单元软硬件平台的确立  45-46
    4.2.3 运动控制单元总体结构  46-47
  4.3 嵌入式实时操作系统μCOS-Ⅱ及其在ARM 上的移植  47-53
    4.3.1 嵌入式实时操作系统μCOS-Ⅱ  47-48
    4.3.2 μCOS-Ⅱ实时操作系统在LPC2292 上的移植  48-53
  4.4 运动控制单元硬件设计  53-55
    4.4.1 RS232 串行通讯接口  53
    4.4.2 RS485 串行通讯接口  53-54
    4.4.3 以太网控制器CS8900A  54-55
  4.5 运动控制单元软件设计  55-64
    4.5.1 串行通讯软件设计  55-56
    4.5.2 TCP、UDP 网络通讯软件设计  56-58
    4.5.3 嵌入式WEB 服务器  58-59
    4.5.4 闭环控制算法程序设计  59-61
    4.5.5 运动控制单元多任务软件设计  61-64
  4.6 本章小结  64-65
第五章 AUV 运动控制单元的测试  65-77
  5.1 ARM 串口功能测试  65-66
  5.2 ARM TCP 通讯功能测试  66-67
  5.3 ARM UDP 广播接收与点对点发送功能验证  67-69
  5.4 ARM 与PC104 网络通讯联合测试与数据传输可靠性验证  69-72
  5.5 ARM RS485 功能测试  72-73
  5.6 ARM 与PC104 网络及RS485 联合通讯测试与数据可靠性验证  73-76
  5.7 本章小结  76-77
第六章总结与展望  77-79
  6.1 全文总结  77-78
  6.2 工作展望  78-79
参考文献  79-84
发表论文和科研情况说明  84-85
致谢  85

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