基于矢量推进器的AUV运动控制系统研究

摘要

水下自航行器AUV(Autonomous Underwater Vehicle)是一种与装载母船无连接,依靠自身携带的高容量电池等能源来自主航行的一种全新水下机器人。它不需要庞大的水面辅助系统,活动视野广,自动控制能力强,具有机动性好等优点,在海洋勘测等民用和军事领域具有重要应用价值。
　　为保证AUV在深海中完成既定任务,运动控制系统非常重要,一旦控制不当就会直接影响AUV在水下整体的运行状态,使AUV无法正常进行勘测,从而造成重大损失。针对矢量推进器,本文设计了一套完整的矢量推进控制系统,并进行了整体控制系统联调实验,通过实验证明了该矢量推进控制系统运行良好,可以很好的消除航行中的振荡效果,并且可以控制AUV有效的避开障碍物,满足AUV完成海洋作业的推进要求,达到了预期目标。在矢量推进控制系统设计中,主要包括:
　　首先设计了矢量推进控制系统硬件平台。从控制单元功能需求和控制精度考虑,本AUV设计采用ARM作为主控制器,并对主控制器外围电路,转向、俯仰电机及主推进器控制电路进行了设计。
　　其次创新性的设计了AUV运动控制策略。从航向,定深定高,航速等方面对AUV进行了控制策略的分析并进行常规PID控制方法设计。为解决在传统的航向单闭环方法控制下AUV高速转向时存在航迹跟踪效果差的问题,针对矢量推进器,本文创新性的设计了一种可以大幅度减小AUV转向偏差及转向时间的新型双闭环运动控制算法,从而解决了传统航向 PID控制方法存在的局限性问题,并且通过实验证明了双闭环运动控制算法正确有效,可以在很大程度上改善转向航迹跟踪效果。
　　然后设计了矢量推进控制软件单元,包括网络UDP通讯程序设计,PID算法设计,转向电机、俯仰电机控制程序及主推电机控制程序设计等,程序实现部分为多任务机构,移植操作系统μCOS-Ⅱ来进行调度和管理。

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第一章 绪论

1.1水下自航行器AUV研究背景

1.2水下自航行器AUV国内外发展状况

1.3水下自航行器AUV运动控制技术研究状况

1.4课题来源与意义

1.5本文主要研究内容

第二章 AUV矢量推进控制系统硬件平台设计

2.1硬件平台任务需求分析及选型

2.2主控制器外围电路设计

2.3转向及俯仰电机控制电路设计

2.4主推电机控制电路设计

2.5本章小结

第三章 AUV矢量推进系统运动控制策略和算法研究

3.1基于以太网的AUV多节点控制体系结构

3.2 AUV矢量推进系统运动控制策略

3.3本章小结

第四章 AUV矢量推进控制系统软件设计

4.1开发环境的建立及μCOS-Ⅱ在ARM上的移植

4.2矢量推进单元多任务设计及优先级划分

4.3程序设计

4.4本章小结

第五章 AUV矢量推进系统功能测试

5.1主推电机CAN控制调试实验

5.2 AUV控制系统联调实验

5.3 AUV航向转向时双闭环方法和常规PID方法对比实验验证

5.4 AUV定高定深实验

5.5本章小结

第六章 全文总结

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢