无人潜航器的自动航行系统研究

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浩瀚的海洋蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和各种能源,是人类社会可持续发展的重要财富。随着对海洋资源的进一步探索与开发,作为海洋资源开发的助手,无人潜航器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)的研制引起了各国极大的重视。而各种无人潜航器在完成各种复杂的作业和安全航行时,就必须按要求进行相应的操作,从而运动控制就成为UUV能否完成预定任务的一项关键性技术。无人潜航器的操纵系统是实施最佳航行计划、保持船舶航行在预定航向上、同时根据避碰和避险系统的指令进行相应操船行动的指令执行系统。潜航器借助其操纵装置来改变或保持艇的运动速度、姿态、方向和深度的性能称作潜航器的操纵性。当潜航器具有良好的操纵性时,既能稳定地保持航向、深度和航速,又能迅速改变航向、深度和航速,准确地执行各种操作。不言而喻,良好的操纵性对于无人驾驶潜航器的工作效能、安全性都具有非常重要的意义。本文依托交通部实验室建设项目“水下打捞探测作业平台”,将模糊自适应和PID控制算法引入无人潜航测量器的航向控制系统设计中,从而保证小型无人潜航测量器在水下定深处能够按照预定航线完全自动航行。针对无人潜航器操纵系统智能化的特点,本文首先介绍了国内外无人驾驶潜航器及其运动控制系统的研究现状以及目前智能控制系统的发展情况,然后对模糊控制理论和PID控制原理分别作了介绍,在此基础上设计了简单模糊控制器和模糊PID复合控制器来控制电机,给出了航行控制系统的整个方案设计,最后对两种控制器下的航行系统进行了仿真验证。本文的研究对该项目的顺利实现和海洋开发有一定的现实意义。
摘要第5-6页
Abstract第6-7页
第1章 绪论第10-21页
    1.1 无人潜航器的研究现状第10-13页
    1.2 无人潜航器控制系统的研究和发展第13-16页
    1.3 智能控制系统研究现状第16-18页
    1.4 主要工作第18-21页
第2章 模糊控制理论与PID控制第21-33页
    2.1 引言第21页
    2.2 模糊理论基础知识第21-26页
        2.2.1 模糊集合第22页
        2.2.2 隶属函数的确定第22-23页
        2.2.3 λ-截集第23-24页
        2.2.4 模糊关系、模糊矩阵和模糊变换第24页
        2.2.5 模糊语言第24-25页
        2.2.6 模糊推理第25-26页
    2.3 模糊控制系统与模糊控制器第26-30页
        2.3.1 模糊控制系统的基本结构及控制原理第26-28页
        2.3.2 模糊控制系统的工作原理第28页
        2.3.3 模糊控制器的设计第28-30页
    2.4 PID控制第30-32页
        2.4.1 PID控制原理第30-31页
        2.4.2 数字PID仿真第31-32页
    2.5 本章小结第32-33页
第3章 自动航行系统模糊PID控制器设计第33-43页
    3.1 简单模糊控制器设计第33-37页
        3.1.1 系统框图第33-34页
        3.1.2 模糊控制器的设计第34-37页
    3.2 模糊自适应PID控制器的设计第37-41页
    3.3 模糊自适应PID控制器与临界控制器的合成第41-42页
    3.4 仿真第42页
    3.5 本章小结第42-43页
第4章 硬件简介第43-49页
    4.1 运动控制器总体设计第43-44页
    4.2 DSP概述第44-47页
    4.3 锁存芯片SL74HC573第47-48页
    4.4 本章小结第48-49页
第5章 航向控制系统设计第49-64页
    5.1 航向控制系统方案设计第49-50页
        5.1.1 功能概述第49-50页
        5.1.2 控制方案第50页
    5.2 软件流程设计第50-57页
        5.2.1 主流程图第50-51页
        5.2.2 自动航行系统模块第51-53页
        5.2.3 信息采集模块的形成第53-54页
        5.2.4 电机驱动模块第54-57页
    5.3 航向控制系统的仿真第57-63页
    5.4 本章小结第63-64页
结论第64-65页
参考文献第65-68页
攻读学位期间公开发表论文第68-69页
致谢第69-70页
研究生履历第70页
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