一类多自由度模拟运动平台控制系统的研究

论文摘要

随着我国主要海域的水合物资源勘查逐步进入详查和试开采阶段,探索海底水合物矿体空间分布的准确性要求也越来越高,深拖系统作为探测海底资源的重要工具,对其设计也提出了新的要求。常规弱正浮力型拖体布放与回收过程繁琐,不利于海上作业的开展;而重力型拖体相比弱正浮力型拖体设备操作、维护简单,能够在较复杂的海域工作,但是由于不加装浮力材料,拖体的稳定性较差。因此本文对重力型拖体在近海底运动的稳定性做出分析和试验,由于海底环境过于复杂,所以在不考虑其他干扰因素的情况下,仅针对拖体所受拖缆的影响展开研究,设计并开发出一种多自由度模拟运动平台,用以模拟拖缆的运动,最后通过模拟拖曳过程来测试拖体的各项性能及水下运动的稳定性,为拖体的设计提供帮助。首先建立拖缆的运动模型,分析了拖缆在水下的受力情况,在简化的基础上,用ANSYS对拖缆拖曳点处(拖缆与拖体相连之处)在不同情况下的运动状态进行了仿真。依据对拖缆拖曳点处运动状态仿真结果的分析,设计了以STM32为核心多自由度模拟运动平台控制系统,用此系统来模拟拖缆拖曳点处在不同情况下的运动状态,开发了相关的外围电路,包括通讯模块、供电模块、SWD调试电路、步进电机驱动接口电路、编码器接口电路等。由于拖体本体体积过大,不易实验,故设计了体积比为1:10的拖体模型,该拖体模型与拖体本体在结构和材料方面完全相同,将用于后续模拟实验中。在所设计的硬件电路的基础上,针对模拟拖缆拖曳点处不同运动状态的需求进行了软件开发,综合考虑了嵌入式运动控制系统的特点,用Visual Studio设计了上位机软件,实现了串口参数配置、模拟拖缆拖曳点处不同运动状态时的参数设置及模拟运动平台六个轴的运动状态反馈等功能;用Keil设计了拖缆模拟运动平台控制器软件,实现拖缆模拟运动控制器各个轴的轨迹规划和闭环控制,为了使拖缆模拟运动控制系统各个轴能够平稳精确运行,研究了S型曲线轨迹规划,并采用模糊自适应PID控制算法实现该控制系统六个轴运动的闭环控制。实验结果表明,该模拟运动平台控制系统能够较准确的模拟拖缆拖曳点处不同的的运动状态。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 拖缆运动研究现状
•     1.2.1 国外拖缆运动研究现状
•     1.2.2 国内拖缆运动研究现状
•   1.3 本文研究内容及章节安排
• 第二章 拖缆动力学模型建立
•   2.1 坐标系建立及坐标变换
•   2.2 拖缆的动力平衡方程
•   2.3 拖缆边界条件的确定
•     2.3.1 首端的边界条件
•     2.3.2 尾端的边界条件
•   2.4 ANSYS仿真
•     2.4.1 不同拖曳速度时拖缆拖曳点处的姿态
•     2.4.2 存在扰动时拖缆拖曳点处的姿态
•   2.5 本章小结
• 第三章 拖缆运动模拟平台控制系统硬件设计
•   3.1 模拟运动控制器硬件设计
•     3.1.1 主芯片选型
•     3.1.2 各个模块电路设计
•     3.1.3 电机及驱动器选型
•     3.1.4 模拟运动平台实物连接图
•   3.2 深拖拖体模型设计
•     3.2.1 拖体承重架构的研制
•     3.2.2 深拖拖体整体水动力设计
•   3.3 本章小结
• 第四章 拖缆模拟运动平台控制系统控制算法
•   4.1 轨迹规划方法研究
•     4.1.1 S型曲线轨迹规划原理
•     4.1.2 加减速算法在STM32 中的实现
•   4.2 控制算法
•     4.2.1 PID控制
•     4.2.2 模糊自适应PID控制
•   4.3 本章小结
• 第五章 拖缆模拟运动平台控制系统软件设计
•   5.1 拖缆模拟运动平台控制系统软件架构
•   5.2 拖缆模拟运动控制系统上位机软件设计
•   5.3 拖缆模拟运动控制器软件设计
•     5.3.1 uCOS-III移植
•     5.3.2 外部接口软件设计
•     5.3.3 串口通讯协议
•   5.4 实验结果分析
•   5.5 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录及研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵锡东

导师: 于镭

关键词: 深海探测,深拖系统,仿真,模糊自适应控制

来源: 青岛科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 海洋学,自动化技术

单位: 青岛科技大学

分类号: TP273;P715

总页数: 76

文件大小: 4133K

下载量: 32