水面无人船航行控制器开发研究

摘要

在当今的海洋战略格局中,水面无人船扮演的角色越来重要,它集智能控制,远程通信,探测侦查,排除海上障碍等多种功能于一身,在一些复杂和高危险的作业环境中它的优越性尤为突出。水面无人船最核心的部分就是其航行控制器系统,它性能的好坏,智能化程度的高地直接关系着水面无人船完成任务的成功与否。为了发挥水面无人船在实际作业环境中的作用,进一步研制具有高性能的航行控制器,基于多方面的问题对水面无人船航行控制器进行了开发与研究。
　　该水面无人船航行控制器的开发与研究主要基于DSP技术、PLC技术、无线通信技术和PWM控制技术,其航行控制器系统主要由两部分构成:无人船载系统和上位机监控系统。无人船载系统的开发与研究是以DSP与PLC为核心,周围集成了无线通信模块、速度采集模块、姿态采集系统和电机驱动系统,上位机监控系统由PC机和无线通信模块构成,这样就实现了对水面无人船的远程控制和实时监测的功能。根据航行控制器系统的需要本文主要进行了以下研究工作:
　　首先对无人船航行控制器进行了系统构建和运动模型分析,建立其三自由度下的数学模型,并对模型进行了仿真验证。
　　其次以DSP为运算控制器核心设计了DSP的电源电路、JTAG接口电路、串口通信电路和AD采样电路以及对应的程序;以PLC为执行控制器核心,设计了其485接口电路、输入输出模块和频率转电压模块以及对应的程序。并对驱动控制系统、姿态采集系统、速度检测系统和通讯系统做了研究选型。
　　第三以组态王软件设计了航行控制器的上位机监控界面;并以MODBUS协议为基础设计了DSP与PLC之间的通信程序。通过将所有设备连接后进行了上位机与下位机之间的系统通信测试,以此验证了上位机监控软件、DSP与PLC和无线通信模块三者之间通信的可行性。
　　最后研究模糊PID算法,制定控制器的规则,并把航行控制器系统的输出按照制定的规则进行模糊化处理和模糊推理,然后对模糊推理产生的结果进行反模糊化处理;再依据PID控制器原理,设置模糊控制器。并构建航行控制器系统的半实物仿真平台。通过PC机和航行控制器实物,在PC机上运行三自由度数学模型,把航行控制器的输出作为仿真模型的输入,再把仿真平台的输出和航行控制器输入进行对比,通过对PID参数进行调整,以此得到最适合系统的PID参数。通过半实物仿真验证了所设计的航行控制器系统符合整体设计的要求。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 国内外发展现状

1.3 论文研究内容

1.4 论文的结构

第2章 航行控制器的系统构建及运动模型分析

2.1 引言

2.2 系统总体方案设计

2.3 无人船的运动模型

2.4 无人船模型的建立

2.5 船舶模型的验证

2.6 本章小结

第3章 无人船航行控制器的硬件开发

3.1引言

3.2航行控制系统的总体组成

3.3 DSP控制器的介绍

3.4 PLC控制器的介绍

3.5驱动系统的介绍

3.6姿态采集系统的介绍

3.7速度检测系统的介绍

3.8通讯系统的介绍

3.9本章小结

第4章 航行控制器系统上位机软件设计

4.1 引言

4.2 组态软件介绍

4.3 航行控制器上位机软件设计

4.4上位机与下位机之间的通讯调试

4.5 DSP与PLC之间的通信方案设计

4.6本章小结

第5章 航行控制器的模糊PID控制与仿真

5.1. 模糊概念的定义

5.2 模糊控制系统的组成

5.3 模糊控制器的组成

5.4 航行模糊控制器的设计

5.5 无人船航行模糊PID控制器的设计

5.6 航行控制器的仿真试验

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢