Argo浮标的数采系统与悬停控制技术研究

论文摘要

近几年来,全球海洋气象灾害频发,人们对全球气候建立长短期预测的需求也越来越迫切,而这些预测在很大程度上依赖海洋观测数据,特别是全球海洋垂直剖面的数据。若想要对其进行准确的预测,一个拥有较高分辨率的全球海洋监测系统必不可少。Argo浮标是一种专门用于采集大洋垂直剖面数据的中性漂流浮标,通过改变自身体积来实现上浮、下潜及悬停。它可搭载各小型海洋观测仪器,实现在大洋中各剖面数据的测量存储,其处于海面时可通过卫星通讯将数据发送至接收站后,可再次进行下一个测量的循环,直至能源耗尽。首先,本文介绍了本课题的背景意义和国内外研究现状,详细介绍了 Argo浮标的工作模式及浮潜原理,并对其机械结构进行了简单介绍。在此基础上,针对Argo浮标的基本工作模式,提出了一种采用铱星数据通讯的Argo浮标低功耗数采系统设计。本课题的硬件设计包括电源电路设计、模数转换电路设计、数据存储电路设计、STM32L476微控制器电路设计、数据采集电路设计等,并对浮标的驱动器和铱星数传终端设计了电源管理。然后,根据其工作模式完成了软件的开发设计,额外添加了下潜超时和电池低压紧急上浮功能,并对铱星的数据通讯添加了握手协议。设计实现了其人机交互软件,其可对浮标进行状态查询、下潜使命设置、数据下载等。其次,本文在完成数采系统的整体设计后,对Argo浮标的悬停控制技术进行了探究:首先,针对本课题浮标进行了浮潜运动分析,建立起数学模型;然后,研究了增量式和位置式PID控制在本课题悬停控制中的应用方式,在此基础上,改进提出了模糊自适应PID控制算法,运用MATLAB对传统PID控制和模糊PID控制进行定深仿真,并对比仿真结果,结果表明模糊PID控制在Argo浮标悬停控制中表现更为优秀。最后,完成对系统软硬件、机械联调等测试后,选择了某水库,对样机进行整体性能测试。测试结果表明,该数采系统满足Argo浮标工作流程的需要,并实现了悬停控制功能,充分表明了本文所研究的Argo浮标数采系统的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状及发展趋势
•   1.3 课题研究内容
•   1.4 本章小结
• 第2章 Argo浮标总体设计
•   2.1 Argo浮标工作模式
•   2.2 Argo浮标浮潜控制原理
•   2.3 机械设计方案
•   2.4 数采系统设计
•     2.4.1 硬件框架设计
•     2.4.2 软件框架设计
•   2.5 本章小结
• 第3章 数采系统设计与实现
•   3.1 系统硬件设计
•     3.1.1 主要器件选型概述
•     3.1.2 电源电路设计
•     3.1.3 模/数转换电路设计
•     3.1.4 数据存储电路设计
•     3.1.5 RTC时钟电路设计
•     3.1.6 继电器控制电路设计
•     3.1.7 油箱位移、浮标深度等采集电路设计
•     3.1.8 微控制器电路设计
•     3.1.9 PCB电路板绘制
•   3.2 系统软件设计与实现
•     3.2.1 嵌入式软件整体框图
•     3.2.2 嵌入式系统资源初始化
•     3.2.3 数据采集单元软件实现
•     3.2.4 数据存储单元软件实现
•     3.2.5 浮潜控制单元软件实现
•     3.2.6 铱星通讯软件实现
•   3.3 人机交互软件系统设计与实现
•   3.4 本章小结
• 第4章 悬停方法与仿真
•   4.1 浮潜运动分析
•   4.2 传统PID控制
•     4.2.1 模拟PID控制原理
•     4.2.2 数字式PID控制实现
•     4.2.3 PID控制仿真
•   4.3 模糊PID控制
•     4.3.1 模糊控制原理
•     4.3.2 模糊PID控制实现
•     4.3.3 模糊PID控制仿真
•   4.4 本章小结
• 第5章 系统调试
•   5.1 实验室调试
•   5.2 铱星通讯调试
•   5.3 水库现场测试
•   5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 夏小懂

导师: 章雪挺

关键词: 浮标,数据采集,模糊,浮力调节

来源: 杭州电子科技大学

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: 杭州电子科技大学

分类号: TP274.2;P715.2

总页数: 76

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