自主水下機器人能源與動力系統(tǒng)設(shè)計.pdf

1、當今世界,隨著科學技術(shù)的發(fā)展,水下機器人在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)不斷擴大,如海洋研究、科學考察、海洋開發(fā)和水下工程、海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋地球科學數(shù)據(jù)采集和海底資源調(diào)查等方面。作為水下運載技術(shù)的重要執(zhí)行載體,自主水下機器人(AUV)已經(jīng)成為當前世界各國的研究熱點。
　　 本文旨在對能源與動力系統(tǒng)的設(shè)計進行研究,首先介紹了系統(tǒng)總的構(gòu)架與各部分模塊功能,說明了能源與動力系統(tǒng)與其他各組成部分的相互聯(lián)系。然后分別對能源與動力系統(tǒng)的進行了設(shè)

2、計,使其可以滿足系統(tǒng)各傳感器、中央控制機與推進器的能源供給與控制,同時通過底層的電路搭建實現(xiàn)水下各方位的運動控制。
　　 對于自主水下機器人來說,能源系統(tǒng)是其重要的組成部分,能源的選擇與設(shè)備電源管理的質(zhì)量將會直接影響到系統(tǒng)的性能和硬件的使用壽命。實時的檢測自主水下機器人的狀態(tài),也為緊急情況處理模塊提供了有利的數(shù)據(jù)參考,在分析了幾種常用的電池后,采用了鋰離子電池作為系統(tǒng)的主要能源供給方式。同時文章探討了一種適用于自主水下機器人的電

3、源管理設(shè)計,采用單片機及外圍電路實時的對機器人中設(shè)備的電壓、電流和溫度等信息進行全程監(jiān)控,在出現(xiàn)故障時可以迅速做出相應(yīng)處理。分析了幾種常用的檢測電池剩余電量的方法,在結(jié)合開路電壓與庫侖計數(shù)法的優(yōu)點的基礎(chǔ)上提出了一種適用于用系統(tǒng)的電池剩余電量檢測方法,提高了測量的精確度。
　　 自主水下機器人動力系統(tǒng)的運動控制,也是水下機器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著水下機器人應(yīng)用范圍的擴大,對其自主性,運動控制的精度和穩(wěn)定性的要求都隨之增加。文章將著

4、重于建立較為完善的自主水下機器人控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),首先對自主水下機器人的運動學和動力學進行分析,并根據(jù)課題的實際情況和控制器設(shè)計的需要對其進行了適當簡化,為后續(xù)控制系統(tǒng)的設(shè)計和研究提供理論依據(jù)及向?qū)ё饔谩Ｆ浯?采用S3C2440處理器搭建底層的控制平臺,對采用無刷直流電機的推進器進行控制,將轉(zhuǎn)速信號輸出為PWM信號,為了全面改善無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能,電機驅(qū)動采用軟硬件雙閉環(huán)設(shè)計,外環(huán)采用無位置傳感器的無刷直流電機控制方案,

5、通過對電機三相電壓過零點的檢測,采用反電動勢法對速度進行調(diào)節(jié)。內(nèi)環(huán)通過電機自帶的傳感器反饋信號作用于硬件電路實現(xiàn)電機的正常啟動與運行,克服了無位置傳感器控制啟動上的缺點,同時對電機電流量的反饋,在電機短路、卡死的情況下迅速關(guān)斷電機,對其進行保護。雙閉環(huán)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。對硬件電路進行了設(shè)計?？刂扑惴ㄉ显诜治隽藗鹘y(tǒng)PID控制與模糊控制的優(yōu)缺點后,采用模糊自整定PID的控制方案,實時改變PID的參數(shù),從而達到一個良好的動態(tài)響應(yīng)效果