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原文传递水面无人船控制系统设计与研究

论文题名：	水面无人船控制系统设计与研究
关键词：	水面无人船;控制系统;数据采集卡;双闭环斩波调速;路径跟踪
摘要：	水面无人船（USV）是具有自主航行能力，并且可自主实现环境感知、目标探测等任务的智能化、无人化水面平台，其最主要的特征便是欠驱动性，即利用2个独立的输入端同时控制3个自由度的运动。　　欠驱动系统能够通过较少的驱动器来完成复杂的控制任务，这不仅能够降低成本，简化控制系统结构，同时也能提高系统的可靠性与易维护性等。欠驱动控制可为与其对应的完全驱动系统，提供一种应急措施，即如果全驱动系统发生故障无法正常工作时，即可采用欠驱动控制策略，利用仍在工作的控制器继续对系统进行必要控制，如此可极大提升设备发生故障时，系统的可靠性。另一方面USV在军用和民用上都具有重要意义，在民用上，USV能够进行港口监控、水质采样、水文勘察、海事搜救等；在军用上，USV可承担情报收集、监视侦查、扫雷、反潜、精确打击、搜捕、反恐等功能。　　本文针对一种双直流电机驱动的USV控制系统，基于MATLAB/Simulink，对其欠驱动性进行研究，并以工控机和数据采集卡为核心，设计它的控制系统。　　首先采用直流双闭环斩波调速以此解决直流电机的调速问题。具体方法是在得出直流电机的数学模型基础之上，设计出直流电机模块、桥式可逆斩波电路、PWM驱动信号发生电路、转速调节器和电流调节器，从而通过这些电路模块，组合而成直流双闭环斩波调速系统的模型，并且通过仿真验证，表明了直流电机的起动过程平稳，并且无论电机负载转矩如何变化，电机的转速都能保持稳定。　　其次通过建立USV运动方程、粘性水动力方程、螺旋桨推力方程、USV转向方程等，从而得出USV的三自由度运动控制系统状态方程。并将此状态方程与直流双闭环斩波调速系统相结合，从而得出USV模型，并且成功对此USV模型进行了直线实验和回转实验的仿真。直线实验仿真中，USV能够在各种干扰下，保持双电机相同转速，从而使USV保持直线前行。在回转实验仿真中，可得知USV的回转方向与回转的角度取决于双电机的转速差，转速差越大，回转的角度就越大。所以通过仿真实验的成功可说明此USV模型的正确性，从而为USV欠驱动控制的研究奠定了基础。　　针对双直流电机驱动的USV欠驱动控制，主要是设计出一种基于模糊控制的直线路径跟踪方式，以此研究欠驱动控制中的路径跟踪。模糊控制器采用双输入双输出的控制结构，通过USV的实际航向角与目标直线路径角度的差值，以及USV与目标直线路径的距离差值作为输入，以此确定USV的当前状态，通过模糊推理实时调整双直流电机的转速变化，以此作为输出，从而改变USV当前的运动状态，实现直线路径跟踪，并且通过仿真表明，此模糊控制器能够根据USV的当前状态，利用模糊规则实时调整USV的运动状态，从而响应速度快，能够平稳、准确地跟踪目标路径。　　最后本文设计一种以工控机和数据采集卡为核心的USV控制系统。USV控制系统主要分为硬件和软件两方面，硬件系统主要由USV船体、岸基监控系统和无线传输系统组成，USV船体核心为工控机及PCI8602数据采集卡，它是通过数据采集卡控制直流电机和采集各类传感器数据，GPS差分定位系统通过RS232串口与工控机相连，岸基监控系统由 PC机组成，无线传输系统通过 RS232串口与工控机、PC机相连，实现数据无线传输。软件方面用Visual Basic编写，主要需要编写 PCI8602驱动程序、无线传输程序和主控程序，无需编写各层之间复杂的通信协议，各子系统之间易集成。　　此控制系统的优点在于硬件方面，系统中没有复杂的电子电路，无需关心硬件设备的控制细节，硬件结构简易；软件方面无需编写各层之间复杂的通信协议，降低了编程难度，USV各子系统之间易集成，所以本文的USV控制系统，其中各子系统易于趋向模块化，可根据任务的不同要求，组装各模块，执行多种任务，具有极强的可行性。最终对USV控制系统样机成功在水面上进行了Z型实验和回转实验，实验的成功说明了USV控制系统已能够实施采集和发送相应测量数据，并且能够对USV实现远程控制，所以此控制系统具有极强的可行性。
作者：	石祥
专业：	机械工程
导师：	刘璇;许哲
授予学位：	硕士
授予学位单位：	上海海洋大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文