深海装备的着陆控制技术研究

摘要

海洋资源的勘探与开发能力，是衡量国家海洋技术水平的重要标志。深海装备技术是海洋技术领域的重要分支，是我国在“海洋强国”战略中的一个重要发展方向，其在国防安全、水下工程、海洋资源勘探、海洋科学调查、渔业等多个领域有着广泛的应用前景。
　　针对需要坐底作业的深海装备在不平整的海底易倾覆、工作效率低等问题，本文提出了一种应用于深海装备的着陆控制技术。该技术主要运用自适应调平原理，能够在深海装备下降和落地两个阶段根据海底环境进行着陆支腿的调节，实现深海装备快速平稳地降落到海底进行高效的作业。根据该技术的实现原理，设计了一个以微处理器为核心，结合高度计、倾角传感器、压力传感器及步进电机，通过采用距离调平和角度调平相结合的“二次调平”机制，运用负反馈原理和PID控制算法，可独立搭载到需要坐底作业的深海装备上的着陆控制系统，并完成了原理样机的制作。
　　该原理样机的硬件设计由嵌入式硬件设计和机械结构设计两个部分构成。嵌入式硬件方面，采用了意法半导体公司的STM32处理器作为系统的处理控制中心，结合电源管理电路、传感器数据采集电路和电机驱动电路，构成了嵌入式硬件系统。机械结构方面，设计并制作了搭载嵌入式硬件系统的耐压密封舱、由步进电机驱动的伸缩支腿、作为原理样机骨架的不锈钢防护支架和各类水密接插件。
　　该原理样机的软件设计包括嵌入式软件和上位机监控软件两个部分。嵌入式软件设计主要包括各个传感器数据采集、解算，“二次调平”机制算法的软件实现，支腿动作的控制和下位机系统实时数据的上传。上位机监控软件主要实现下位机状态数据的采集、解算和显示，同时在初始化时对系统进行配置。
　　最后在实验室水池中搭建一个底部不平整的“海底环境”，该原理样机通过滑轮下降的方式模拟深海装备着陆的过程，从而实现对原理样机的各项功能及各个指标进行测试和验证。实验结果证明，该原理样机能够快速、平稳地着陆在实验室的模拟环境中，充分验证了本课题所研究的深海装备着陆控制技术的可行性。

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第1章 绪论

1.1课题来源

1.2 课题的研究背景及意义

1.3 相关技术发展现状和趋势

1.4 课题主要研究内容

1.5 主要功能和技术指标

1.6 本章小结

第2章 控制原理及总体方案设计

2.1 系统控制原理

2.2 系统总体方案设计分析

2.3 本章小结

第3章 系统硬件设计

3.1 嵌入式系统硬件设计

3.2 机械结构设计

3.3 本章小结

第4章 自适应调平控制算法设计

4.1 概述

4.2 “二次调平”机制

4.3 支腿控制算法研究

4.4 “虚腿”问题

4.5本章小结

第5章 嵌入式软件实现

5.1 软件任务需求规划

5.2 嵌入式系统开发软件介绍

5.3 传感器数据采集系统设计

5.4 数据解算处理程序设计

5.5 支腿控制程序

5.6 其他模块程序设计

5.7 本章小结

第6章 上位机监控软件实现

6.1 上位机开发语言介绍

6.2 监控软件整体架构设计

6.3 监控软件界面布局设计

6.4 监控软件上位机程序设计

6.5 本章小结

第7章 系统调试

7.1 主要模块调试

7.2 联合调试

第8章 总结与展望

8.1 总结

8.2 展望

致谢

参考文献

附录