自主移动式水下环境监测搭载平台控制系统设计和研究

摘要

本论文主要介绍了自主移动式水下环境监测搭载平台控制系统的硬件设计和软件设计，并通过试验对整个控制系统进行了检验。本论文基于国内外水下运载器控制系统设计已有的成功经验，并根据水下环境监测搭载平台在实用性和经济性上的要求建立了整个控制系统的结构框图，确定了由PC机和C8051单片机组成的上、下位机二级结构。对整个单片机控制系统进行了详细的说明，包括对各个功能模块的硬件设计和软件设计、整体软件流程设计、主要功能调试等。整个控制系统的成功研制为小型化经济性水下运载器的控制系统的设计提供了参考。 本论文对自主移动式水下环境监测搭载平台所采用的导航系统进行了分析，运用已有成熟的惯性导航分析理论，根据已有传感器的情况，对现有的自主移动式水下环境监测搭载平台导航系统进行一定的分析，并通过卡尔曼滤波器使导航精度有所提高，为低价导航系统的设计提供理论参考。 全文共分六章： 第一章首先引入运载器的背景知识，然后分析了水下运载器在国内外的研究现状以及水下运载器所应用的一些控制技术，最后提出了课题研究的目的、意义和主要内容。 第二章通过对自主移动式水下环境监测搭载平台控制系统的功能要求分析，从经济性、实用性等方面考虑确定了整个控制系统的二级结构框图。选用了C8051F023MCU作为控制MCU，并根据该MCU的特性，重点设计了经济性较好的单片机控制系统硬件电路。 第三章介绍了惯性导航及相关理论，运用现有分析理论对自主移动式水下环境监测搭载平台导航系统进行理论分析和仿真，为低价导航系统的设计提供理论参考。 第四章根据自主移动式水下环境监测搭载平台控制系统在实时性和多任务上的要求，采用“事件驱动机制”和“时间片轮转”结合的设计思想，设计了整个控制系统的软件流程图，制定了通讯协议，运用C51语言编写了详细的程序。 第五章介绍了自主移动式水下环境监测搭载平台控制系统的联合调试过程与实验研究，给出了实验方法、过程和结果分析。 第六章总结全文，阐述本论文的研究成果，并提出了下一步的研究方向。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2水下运载器发展现状

1.2.1国外发展现状

1.2.2国内发展状况

1.3自治式水下运载器应用技术综述

1.3.1 AUV控制技术

1.3.2 AUV导航定位技术研究

1.3.3 AUV动力推进技术研究

1.3.4 AUV数据通信技术研究

1.4论文背景、主要内容和意义

1.4.1课题背景

1.4.2论文主要内容和意义

第二章自主移动式水下环境监测搭载平台硬件设计

2.1引言

2.2总体结构

2.3单片机最小系统

2.3.1单片机的选择

2.3.2最小系统构成

2.3.3 JTAG调试和边界扫描

2.4串行通讯

2.4.1串行口

2.4.2串行口工作方式

2.4.3电平转换

2.4.4多机通讯

2.5主控部分

2.5.1主控功能要求

2.5.2 DA转换

2.5.3运放电路

2.5.4开关控制电路

2.6传感器接收部分

2.6.1功能要求

2.6.2串口扩展

2.6.3运放电路

2.7电机驱动部分

2.7.1PWM调速

2.7.2基极驱动

2.8电源部分

2.9本章小结

第三章自主移动式水下环境监测搭载平台惯性导航系统研究

3.1引言

3.2捷联式惯性导航系统

3.3卡尔曼滤波

3.4自主移动式水下环境监测搭载平台导航系统

3.5自主移动式水下环境监测搭载平台惯性导航系统分析

3.5.1姿态解算

3.5.2组合导航误差分析

3.6本章小结

第四章自主移动式水下环境监测搭载平台软件设计

4.1引言

4.2 PC机软件

4.3单片机系统软件

4.3.1 Cygnal IDE开发环境

4.3.2软件设计思想

4.3.3流程图

4.3.4功能模块

4.4本章小结

第五章自主移动式水下环境监测搭载平台调试和试验

5.1引言

5.2试验样机概况

5.3串口调试

5.4传感器数据读取试验

5.5电机性能试验

5.6耐压试验

5.7室内水池试验

5.7室外水池试验

第六章论文总结和展望

6.1论文总结

6.2论文展望

参考文献

附录

致谢