水上环境监测中的移动平台控制系统设计

摘要

随着海上石油运输业规模的扩大和石油勘测设备的老化，海上溢油污染的发生风险越来越高。实施对海上溢油的监测、识别、报警、处理等成为世界各沿海国家十分重视的研究课题。海上溢油监测一般采用固定监测网络和移动监测网络。本课题主要针对水面移动监测中监测设备的搭载移动平台进行研究。主要工作涉及:硬件控制系统设计、移动平台运动模型分析和控制算法设计。
　　本文对移动平台进行了理论分析:基于刚体动力学建立了移动平台的数学模型。通过泰勒展开保留一阶小量等方法得到移动平台的线性化数学模型;并设计滑模控制器实现移动平台的路径跟踪控制;设计模糊控制器实现避碰控制。
　　本课题选用船型搭载平台，并根据应用需求设计硬件控制系统。硬件系统主要包括:运动控制模块实现船体主驱动电机控制和舵机控制;运动参数检测模块实现对舵角、电机转速、船体姿态的数据采集控制;无线通信模块实现运动参数以及控制信号的传输;避碰模块实现超声波对移动平台前方障碍物距离的检测，并通过改变舵角，实现避碰功能;显示模块实现在线数据实时显示;GPS定位模块实现移动平台的位置信息测量。设计遥控器切换功能的PCB电路板，实现遥控器控制与主控制器控制的切换，增加移动平台系统的安全性。控制系统的控制器核心采用STM32F103，实现了对以上各功能模块协调统一控制。
　　本文在应用需求分析的基础上，从整体上设计了硬件控制系统，并完成了电路的设计及PCB制作，编程实现了各模块的功能，满足了水上移动监测平台的应用需求。利用MATLAB及Simulink对上述算法进行仿真，验证了相应控制器算法的正确性与有效性。以上工作为今后进一步深入研究水上移动监测平台奠定了硬件和理论基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 应用现状

1．2．2 相关理论研究现状

1．3 主要研究内容

第2章 系统建模

2．1 移动平台运动学描述

2．2 移动平台三自由度线性模型

2．3 本章小结

第3章 控制器设计

3．1 移动平台路径跟踪控制器设计

3．2 移动平台避碰控制器设计

3．3 仿真及结果分析

3．3．1 路径跟踪算法MATLAB仿真及结果分析

3．3．2 模糊避碰算法MATLAB仿真及结果分析

3．4 本章小结

第4章 硬件系统设计

4．1 水上移动平台应用需求及总体方案设计

4．2 器件选型

4．3 传感器接口设计

4．3．1 超声波传感器接口设计

4．3．2 GPS接口设计

4．3．3 无线通信接口设计

4．3．4 姿态传感器接口设计

4．4 姿态传感器数据处理

4．4．1 姿态信息采集与数据预处理

4．4．2 姿态传感器数据融合

4．4．3 互补滤波算法应用

4．4．4 滤波结果分析

4．5 遥控器切换电路设计

4．6 本章小结

第5章 移动平台实验

5．1 模型参数辨识

5．2 驱动测试实验

5．3 移动平台水上实验

5．4 实验结论

第6章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢