基于ARM的自主水下航行器舵机控制系统的设计

摘要

新型自主水下航行器融合机械学、动力学、电子学、控制学、水声学、流体学、通讯学等多种学科知识，是一种非常复杂的多门类学科技术。该航行器装有垂向和侧向辅助推进器、避碰声纳等装置，采用CAN总线为基础的分布式控制系统。 其中，舵机控制系统是自主水下航行器中重要的执行机构，它的性能好坏直接决定着航行器的实时操舵性能。论文分析了目前国内外对于舵机控制系统的研究情况，从提升系统的性能和扩展能力的角度出发，采用了基于ARM嵌入式微处理器的舵机控制系统。控制系统主要分为CAN通信单元、舵机驱动单元、A/D采样单元和中断保护单元四个部分。论文的主要研究工作如下： 首先，分析了舵机控制系统的设计要求，制定了以ARM微处理器为核心的设计方案。根据水下航行器对于通信的速率及可靠性的要求，自动驾驶仪和各节点间的通信采用CAN Bus现场总线。 其次，论文重点阐述了舵机控制系统的软硬件设计原理，主要包括以ARM7嵌入式微处理器为核心的各控制模块的设计。论文对于器件的选型、各单元电路的设计、控制原理以及控制算法都进行了详尽的说明。并在软件设计的基础上，使用嵌入式实时操作系统作为扩展应用，使得系统的实时性得到了保证。 最后，设计了基于PC的系统测试平台，在力矩模拟负载器上进行了系统的测试实验，使舵机系统的性能得到了很好的验证。 论文的创新点在于将ARM嵌入式微处理器作为舵机的控制核心结构简单、可靠易行。相对于传统舵机，该系统采用全数字式控制方式，极大地提高了系统的实时性能及抗干扰性。同时，RTOS在系统中的移植，进一步提高了系统的性能及可扩展性。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2水下航行器概述

1.3基于ARM的舵机控制系统

1.3.1嵌入式系统简介

1.3.2 ARM微处理器

1.3.3基于ARM的自主水下航行器舵机控制系统

1.4本文的主要工作及主要内容

第二章CAN现场总线的应用

2.1现场总线简介

2.1.1现场总线的定义与发展

2.1.2现场总线的结构特点

2.1.3几种现场总线

2.2 CAN总线技术特点

2.3 CAN总线设置

2.4本章小结

第三章控制系统的硬件设计

3.1处理器单元

3.1.1微处理器的选型

3.1.2 ARM的最小系统电路设计

3.2舵机驱动单元

3.2.1 PWM脉宽调制原理

3.2.2光电隔离单元

3.2.3功率驱动单元

3.2.4功率放大输出单元

3.2.5死区延时电路

3.3 CAN通信模块

3.4 A/D采样模块

3.5其它保护功能的设计

3.6电磁兼容EMC

3.7本章小结

第四章控制系统的软件设计

4.1 LPC2119体系结构

4.1.1结构概述

4.1.2片内存储器

4.1.3存储器映射和操作模式

4.1.4预取指中止和数据中止异常

4.2软件编译环境

4.3主程序结构

4.4其它部分的软件设计

4.4.1初始化模块

4.4.2 CAN通信模块

4.4.3舵机驱动模块

4.4.4 A/D采样模块

4.5控制系统的扩展应用

4.5.1 RTOS简介

4.5.2在LPC2119上移植RTOS

4.5.3基于μC/OS-Ⅱ的任务设计

4.6本章小结

第五章控制系统的测试

5.1力矩模拟负载器

5.2系统测试

5.3本章小结

第六章全文总结与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢

西北工业大学业学位论文知识产权声明书及西北工业大学学位论文原创性声明