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“8留ABSTRACTThe hybrid autonomous underwater vehicle is a new type of autonomousunderwater vehicle which propelled both by buoyancy and propeller.It has therespective advantages of AUV and AUG.In propeller driven model,it has theadvantage of higher maneuverability and velocity.However,in buoyancy-drivenmodel,it has long endurance and low noise.The motion characteristics of hybridautonomous underwater vehicle are more complex than traditional.Thus,the controlsystem is much more complicated which need of higher reliability.Based on independently developed hybrid autonomous underwater vehiclePETREL,this paper designed the distributed control systems of AUV and AUG.Themain research and contributions of this thesis are summarized as follows1.The distributed control system based on serial port and CAN bus are designedwhich call reduce the adverse effects of complex underwater environment.Thiscontrol system avoids the mutual interference of serial port and CAN bus,SO it isappropriate for autonomous underwater vehicle with multiple sensors and cutingagencies.2.The design of cxre control unit and function modules.The COre control unitwith excellent expansibility and interchangeability is designed based on ARM7LPC2292.Then function modules of power management system,propeller system,attitude control system and variable-buoyancy system are designed.3.Based on fuzzy PID controller,the control strategy of PETREL is studied,including trajectory tracking strategy,attitude control strategy and exceptionshandling strategy.It is verified that this control system is robust and can effectivelycomplete navigation and measure missions.4.A series of unit experiments are carried out to validate the function of controlsystem.The lake trials verified the feasibility and reliability of PETREL’S controlsystem.KEY WORDSHybrid Autonomous Underwater Vehicle,Distributed Control Systems,CAN Bus,Control Strategy,Fuzzy PID Controllerk孽鲁目 录目 录;第一章绪论l1.1弓I言..11.2水下机器人的发展现状21.2.1 AUV的发展现状21.2.2 AUG的发展现状41.2.3混合驱动水下机器人的发展现状一51.3课题研究意义7‘1.4课题主要内容...。7第二章混合驱动水下机器人系统方案设计..;.。92.1 PETREL机械系统设计.92.1.1螺旋桨驱动系统。102.1.2浮力驱动系统..112.1.3姿态调节系统。ll2.2 PETREL控制系统体系结构设计。122.2.1 PETREL分布式控制体系设计122.2.2复合通讯网络设计..142.2.3通讯模块软件设计162.3本章小结.1 8第三章混合驱动水下机器人控制系统总体设计193.1、核心控制单元.1 93.1.1¨c/os.II在LPC2292上的移植2 l3.1.2在线编程模块一243.1.3数据存储模块设计253.2电源管理。263.2.1电源监测一263.2.2电源隔离与间歇供电283.3传感器系统293.4末端执行机构~303.5控制系统高级控制模块设计33;;;6......17;718;8}91940404 l4344..445.1.1 TCM3三维电子罗盘.j..445.1.2 GPS..j465.1.3 CAN通讯。..475.1.4压力传感器485.1.5螺旋桨驱动系统..485.1.6姿态调节系统..._..505.2整机水域实验.5 l5.2.1机动性测试实验。5 15.2.2水面直航实验525.2.3定深航行实验..535.2.4轨迹跟踪航行实验545.2.5滑翔航行实验..555.3本章小结..55第六章全文总结及工作展望。576.1全文总结.576.2工作展望57参考文献59发表论文和参加科研情况说明“致{射.65Lq第一章绪论1.1引言第一章绪论随着现代社会的发展,人类对于资源、空间的要求越来越高,陆地已经不能满足人类社会发展的需求。地球上海洋的总面积为3.62亿平方公里,占地球总面积71%,平均深度达到3800米。同时,在广阔的海洋中蕴藏有各种丰富的海洋生物资源、海洋矿产资源和海洋能源。作为海洋大国,我国拥有广阔的海岸线及管辖海域。开发海洋资源、保护海洋环境、维护海洋权益、海洋科考及预报,对我国的经济发展与国防安全都有重大意义。水下机器人也称无人潜水器Unmanned Underwater Vehicle,简称UUv,其作为探索海洋资源及海洋空间的重要工具已经得至IJ了世界各国的高度重视。通过对水下机器人的使用,人类可以更加直接、清楚地感知未知的海洋世界。目前,世界上各海洋强国已经在水下机器人技术上投入了大量人力物力,如美、英、俄、日、法、加拿大等国。我国自上世纪70年代末开始开展水下机器人的研究工作,在30年的发展历程中取得了丰硕的成果,但较上述各国仍有差距。截至目前,水下机器人主要可以分为AUVAutonomous UnderwaterVehicle,水下自航行器、AUGAutonomous Underwater Glider,水下滑翔器、ROVRemotely Operated Vehicle,远程操纵潜水器。从发展历程上看,AUV最早出现于19世纪60年代,时隔一个多世纪以后,到了20世纪60年代以后出现了ROV和AUG。随着科技的发展以及探测任务的更高要求,21世纪以来,国际上逐渐出现了混合驱动水下机器人,即以上几种水下机器人在设计及功能优点上的融合。针对大航程、高机动性的要求,AUV与AUG混合驱动水下机器人的研究开发便有了必要性。L~第一章绪论1.2水下机器人的发展现状1.2.1 AUV的发展现状. AUV主要通过螺旋桨推进器驱动,其姿态操纵机构有几种不同的形式,包括舵螺旋桨推进器、全向推进器、矢量推进器,此外还可以通过布置多个槽道式螺旋桨推进器实现姿态控制。在海洋资源开发需求的牵引下,各国所开发的AUV种类增加很快,AUV的使用范围也扩大了。早期,主要用于海洋数据采集,现在AUV的应用已经很广泛。军事上,AUV除可作为攻击性武器外,还可以完成武器运输、侦查、扫雷、布雷等军事任务。民用方面,AUV可以完成海洋资源勘探、海洋调查等较复杂任务I卜引。世界上第一台“AUV“可以认为是19世纪60年代由英国工程师设计开发的世界上第一台自推进鱼雷一一“白头鱼雷一。2000年前后,英国开发出AUTOSUB系列AUV用于海洋科学研究,其中AUTOSUB6000完成了对加勒比海6000米以下深海域火山的探测任务14J。美国的AUV技术最为先进,拥有世界上最多的AUV,总数达到全球总量的半数以上【5】。1992年,佛罗里达大西洋大学开发了用于海洋地形探测OceanVoyager AUV,它主要利用海底对光的反射和吸收完成探测任务【6】。麻省理工学院MIT的AUV项目组先后研制开发出Odyssey AUV,及改进型Odyssey IIAUV,用于海冰下的探测和图形绘制【7】。随后,MIT又开发出AOSNAutonomous Ocean Sampling Network,自主式海洋采样网络,对北大西洋奇怪天气现象和环球海流进行观察和研究。研发人员通过分析从AOSN传回的数据,规划和设计采样方案【91。由伍兹霍尔海洋研究所WHOI研制的REMUSAUV是一种用于近海浅水探测和采样的AUV[10-12]。军事方面,REMUS还被应用于伊拉克战争,完成在海洋探雷任务【13】。日本先后研发出R2D4、Twin.Burgerl2、Tantan、Tri.dogl、TUNA.SAND[14-18]等多种AUV。由三菱重工为日本海洋科学技术中心建造的原型机AUV.EXl,是一种用于探测北冰洋广阔海域的AUV,其最大工作深度可达到3500米【l川。挪威在AUV技术方面同样较为发达。由挪威国防研究所和KongsbergMaritimeAS公司共同研制成功的HUGIN系列AUV在实际应用方面得到了很好的验证。其中HUGINl 000在2001年的军事演习中很好的完成了扫雷任务任务[20-23]。由丹麦研发的MARIDAN系列AUV也已经达到了实用水平【2睨51。2第一章绪论我国对AUV技术的研究起步较晚,从80年代开始开展相应的研制工作。在中国科学院沈阳自动化研究所、中国船舶科学研究中心、中国科学院声学研究所、天津大学、国家海洋技术中心、哈尔滨工程大学、上海交通大学等单位的共同努力下,我国的AUV研制取得了重大突破。其典型代表是“探索者”号1000mAUV、“CR-01”6000m AUV和改进型的“CR-02“。由天津大学与国家海洋技术中心共同研制开发的具有着陆坐底功能的AUV,可实现长达三个月的高隐蔽性海底测型2∞81。以下是部分国内外开发的AUV。图1-1美国REMUSAUV 图1-2挪威HUGINl000AUV图1.3中国CR一02 AUV图1.5丹麦图1.4英国AUTOSUB AUV图1-7天津大学VBSAUV-dogl AUVk~第一章绪论1.2.2 AUG的发展现状AUG在水中的航行是通过改变自身在水中的浮力及姿态实现的,其驱动力主要由自身的净浮力提供,因此AUG可以实现噪音低、大航程的航行。目前国际上比较先进的AUG有SLOCUM、Seaglider、Spray、Deepglider和ALBAC。SLOCUM系列AUG是在美国海军科技办公室的支持下,由DougWebb等人研制开发的,包括电驱动和温差能驱动两种。电驱动SLOCUM和温差能驱动SLOCUM分别于1 991年和2000年在Seneca Lake进行了多次试验129-311。目前电驱动SLOCUM已经实现了商业化生产。与此同时,在1999年,美国还推出了现在已经投入使用的两种滑翔器,分别为由Washington大学Eriksen等人研制的Seagfidert32】、美国Scripps海洋研究所和Woods Hole海洋研究所共同研制成功的Spray[33】。2006年,美国华盛顿大学开始研发一种目标潜深6000米的水下滑翔器Deepglider。至2007年3月,Deepglider已经可完成工作深度2700米的航行【341。1992年日本东京大学开发了ALBAC滑翔器[35】。ALBAC每次只能完成_个滑翔运动,向下滑翔由重物驱动,到达预定深度后抛掉重物在正浮力的作用下向上滑翔至水面。我国于21世纪初期开始对AUG的技术研究。天津大学自2003年开始研究温差能水下滑翔器,并于2005年在千岛湖成功进行样机试验【蜘38】。中国科学院沈阳自动化研究所也开展了水下滑翔器的技术研究【39-40],在2005年lo月进行了样机的水域试验。此外,中国船舶重工集团公司第702研究所、浙江大学、上海交通大学、西北工业大学也对水下滑翔器进行了相关的研究【4卜431。以下是部分国内外开发的AUG。a电驱动SLOC切vI b温差能驱动SLoC切垤图I-8美国SLOCUM4~.‘毛第一章绪论图1-9美国Seaglider 图l-10美国S pray图1.11日本ALBAC 图1.12沈阳自动化所AUG样机图1.13天津大学温差能水下滑翔器1.2.3混合驱动水下机器人的发展现状目前国际上对混合型水下机器人的研究还很少,仍然处于初期研究阶段。美国普林斯顿大学机械与航空工程系的Naomi Ehrich Leonard教授提出了加有螺旋桨的滑翔器的概念设计图,如图1.14所示;Webb研发公司在电驱动滑翔器SLOCUM的尾部增加了螺旋桨推进器,从而形成了混合型水下滑翔器,该滑翔器有10%的工作时间处于AUV工作模式下51。k~图l-14混合水下机器人概念设计 图1.15 SLOCUM AUV法国DTN实验室正在进行混合型滑翔器STERNE的开剔钒“7】。该混合型滑翔器为军事用途水下机器人,用于执行海床边任务。其安装有螺旋桨推进器及固定机翼,设计航程为120千米,滑翔速度为2.5节,当螺旋桨驱动时航行速度为3.5节。2005年,STERNE已开始了1/3模型设计及相应试验。图1.16 STERNE混合型滑翔器日本Kyushu大学和日本海洋.地球科学技术中心合作开展了混合驱动水下机器人的研究工作H81。其工作方式为航行器在压载水舱注水后,由负浮力的作用向下滑翔,然后再通过螺旋桨推回水面,其航行距离是一般AUV的2倍。图1.1 7日本的混合驱动水下机器人6第一章绪论我国在混合型水下机器人方面也有相应研究。中国科学院沈阳自动化研究所自主研发出AUV和ROV的混合型水下机器人SARV.A、SARV.R和PolarARV。图l-18 SARV.A、SARV.R 图1.19 Polar ARV1.3课题研究意义●●本文设计开发出我国第一台AUV与AUG的混合型水下机器人PETREL,其具有航程远、机动性高的特点,能够完成工作时间长、隐蔽性要求高、定位精度高的测量任务。本文同时考虑了AUV和AUG的特点,以组合的方式将AUV和AUG的控制系统融合起来,设计出了适用于混合驱动水下机器人的控制系统。1.4课题主要内容本文以混合驱动水下机器人PETREL为研究对象,设计了适用于混合驱动水下机器人的控制系统,并完成了相应的单元试验及水域试验。全文内容安排如下第一章绪论。本章综述国内外水下自航行器、水下滑翔器及混合驱动水下机器人的发展现状。介绍课题的研究意义及主要内容。第二章混合驱动水下机器人系统方案设计。本章介绍混合驱动水下机器人系统的总体机械系统方案和控制系统的体系结构方案及其通讯网络。第三章混合驱动水下机器人控制系统总体设计。本章在第二章的基础上,设计了PETREL的软件器。具体包括核心控制单元设计、电源管理设计、传感器与执行机构选取、高级控制模块设计。
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