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船舶运动模拟平台控制系统的研究与实现

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摘要

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附表索引

第1章 绪论

1.1 研究背景及实现意义

1.2 船舶运动模拟平台概述

1.2.1 国内外研究现状

1.2.2 发展趋势

1.3 模拟平台驱动方式与控制技术

1.4 主要研究内容

第2章 船舶运动模拟平台的基础理论研究

2.1 串并联机构特点

2.2 并联机构运动学建模

2.2.1 刚体的位姿表示

2.2.2 自由度分析

2.2.3 坐标旋转变换

2.3 并联机构运动学模型解算

2.3.1 位姿正解

2.3.2 位姿反解

2.3.3 速度反解

2.4 船舶运动模拟平台工作空间分析

2.5 船舶运动模拟平台误差分析

2.6 船舶运动模拟平台参数设计

2.7 伺服电机选型

2.8 本章小节

第3章 模拟平台建模与ADAMS仿真分析

3.1 ADAMS软件介绍

3.2 动力学理论分析

3.2.1 模型建立

3.2.2 拉格朗日方程的描述

3.2.3 系统动能K的求解

3.2.4 系统广义坐标的确立

3.2.5 系统势能P

3.3 ADAMS基础理论分析

3.3.1 多刚体系统动力学方程建模

3.3.2 虚拟样机设计流程

3.4 ADAMS仿真实验分析

3.4.1 建立三维模型

3.4.2 模型导入ADAMS

3.4.3 纵摇运动分析

3.4.4 横摇运动分析

3.4.5 升降运动分析

3.5 本章小节

第4章 上位机控制系统软件设计与实现

4.1 上位机软件分析

4.1.1 功能需求分析

4.1.2 软件体系结构

4.1.3 控制软件流程

4.2 软件模块实现

4.2.1 数据采集模块

4.2.2 数据预处理模块

4.2.3 动作函数库模块

4.2.4 可视化仿真模块

4.2.5 串口通信模块

4.3 模块测试与分析

4.4 本章小节

第5章 模拟运动平台控制系统硬件设计与实现

5.1 总体方案设计

5.1.1 系统需求分析

5.1.2 技术方案

5.1.3 系统设计流程

5.2 DSP技术

5.2.1 DSP芯片的特点

5.2.2 DSP系统的构成

5.3 硬件设计与实现

5.3.1 电源电路设计

5.3.2 复位电路设计

5.3.3 JTAG电路设计

5.3.4 SCI串行通信电路设计

5.3.5 PWM波电路设计

5.4 基于CCS软件的下位机开发

5.4.1 CCS开发环境介绍

5.4.2 CCS3.3的环境配置

5.4.3 系统初始化程序设计

5.4.4 串行通信程序设计

5.4.5 S曲线加减算法

5.5 运动平台控制系统实现与测试

5.5.1 系统实现

5.5.2 系统测试

5.6 本章小节

结论

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表论文和参加的项目

致谢

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摘要

船舶运动模拟平台按照使用目的不同,可以分为训练船舶运动模拟平台、工程船舶运动模拟平台、科研船舶运动模拟平台和娱乐船舶运动模拟平台。基于Stewart六自由度并联机构,本文致力于娱乐船舶运动模拟平台及其控制系统方面的研究与实现,该娱乐模拟平台采用被动式模拟运动,需要根据海况提前采集好模拟数据,在顾客体验时再将模拟数据传给控制系统。
  首先,分析了并联与串联机构的特点,建立了并联机构的运动学模型。本文提出了运用并联机构位姿正解的输出参数作为位姿反解计算的输入参数,来验证理论之正确性的方法,并用算法实现。通过Solidworks软件建立三维模型,进行了基于拉格朗日方程的动力学分析,为后面ADAMS动力学仿真提供了理论基础。
  其次,为达到模拟船舶运动的逼真效果,本文采用6路16位高精度数据采集卡和高精度拉杆式位移传感器来采集模拟数据。同时,为消除数据采集过程中的外界干扰信号和噪声信号,还采用了五点三次平滑滤波和移动平均滤波两种方法进行对比分析,实现信号的预处理。本文提出了用曲线拟合的方法,生成模拟运动函数库,可以更方便地模拟船舶在不同海浪作用下的横摇、纵摇和升降等运动。
  然后,基于Visual C++6.0开发了两个人机交互界面软件。一个是运动数据采集系统软件,用来采集和编辑不同海况下船舶运动的模拟数据;另一个是船舶运动控制系统软件,用来读取数据库内的模拟数据和控制整个船舶运动模拟系统。
  最后,以DSP技术为基础,以TMS320F28335芯片为核心,以六自由度并联机构为实验平台,开发出基于DSP的娱乐小型船舶运动模拟平台控制系统。采用电动伺服驱动方式,对模拟平台的伺服系统等硬件进行选型与电路设计,通过控制六个伺服电动缸的长度变化来改变动平台的位姿,从而实现模拟船舶在海浪作用下的各种运动。同时在下位机控制程序中加入S曲线加减法算法,使系统更加稳定可靠,运动轨迹更加平滑,在实物样机上进行大量测试实验,验证了本文所设计的船舶运动模拟平台控制系统的精确度与可靠性。

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