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水下航行器控制系统的研究与设计

吴志峰  
【摘要】:AUV作为一种无人驾驶的无缆水下航行器,具有独立的动力源和控制系统,能自主执行复杂海洋环境中的航行任务。与遥控式水下航行器ROV相比,AUV具有成本低、噪声小、下潜深、活动范围大、隐身性能好,突击能力强等优点。因此,从民用方面的水下调查、海洋资源开发、海底工程施工、水下搜救到军用方面的反水雷、水下侦察、水下通讯等方面都有独特的优势和广阔的应用前景。近些年来,随着微电子技术、计算机技术、人工智能技术、小型化导航设备以及控制软硬件技术日新月异,微小型水下航行器已成为各发达国家的海洋技术研究前沿,正朝着系统化、智能化、多功能化、集群化的方向快速发展。基于当前微小型水下航行器的研究现状和水下机器人的运动控制理论,设计了一种新的四旋翼结构的微小型水下航行器,实现了以下功能:(1)航行速度可调;(2)水下航行器能够实现路径追踪;(3)无线信号同步传输。主要完成了以下研究内容:1)基于水下航行器结构设计理论和三维建模软件,完成了AUV的结构建模、装配及布线工作,其结构组成主要包括:4组推进器、丝杠滑台重心调节模块、无线数据传输模块、配重模块、密封舱耐压壳体、球形头部密封端盖、后端盖、刀锋状结构翼片、载体框架模块、装配结构模块、单片机、驱动器、无线数据传输模块、航空防水插头、锂电池等通过模块集成为新的四旋翼水下航行器。2)控制系统采取模块化的设计方法,主要包括:控制模块,中央控制系统;运动控制系统;信息测量系统。主要控制AUV的航行深度、航行速度、偏航角、滑台移动速度。主控电路包括无线和有线两套电路,负责完成数据采集、控制与通信任务,其中有线主控电路起到调试作用。信息测量系统包括AUV内部状态信息测量和外部参数信息测量,主要完成“OI-1”号舱内各项参数的监测。3)建立AUV的动力学模型,基于MATLAB/Simulink建立动力学仿真模型,计算并分析航行器的运动规律,并与水下试验结果对比分析。在此基础上,基于模糊控制算法和PID算法,设定水动力学参数,通过MATLAB仿真实验,用来验证两种算法控制器的准确性。4)对AUV进行水下试验研究,对整体机械结构的可靠性进行验证;对AUV进行两种算法控制器的实际运动验证,通过圆周运动、直线水下实验,验证算法可靠性。同时,各个传感器通过数据采集卡集成数据显示在上位机界面,用来验证切换人工控制和自主航行的功能。通过GPS定位坐标验证两种算法航行的稳定性以及准确性,通过两种算法的均值处理实现路径规划。上述整体设计以及实验结果表明,本文AUV的结构设计合理,通过仿真实验,验证AUV的运动模型正确性。最后基于模糊控制和PID控制实现路径规划,能够完成指定动作,水下航行器能够达到预期要求。


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