自主水下机器人能源与动力系统设计.pdf

㈣删㈣㈣ 。自主水下机器人能源与动力系统设计学位论文完成日期指导教师签字答辩委员会成员签字三蘩独创声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果, 也不包含未获得≤注;垫遗查墓熊置塞挂别壹明的:奎拦亘窒2或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我~同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名:蛾签字日期:)口,口年;月杉日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,并同意以下事项: 1、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。 2、学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权清华大学”中国学术期刊(光盘版)电子杂志社,,KI《中国知识资源总库》, 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》。(保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名:蠛· 导师粹弛签字日期:】o归年f月≯归签字日期:)咖年f月’y日自主水下机器人能源与动力系统设计摘要当今世界,随着科学技术的发展,水下机器人在世界范围内的应用领域已经不断扩大,如海洋研究、科学考察、海洋开发和水下工程、海洋环境监测、海洋地球科学数据采集和海底资源调查等方面。作为水下运载技术的重要执行载体, 自主水下机器人(AIⅣ)已经成为当前世界各国的研究热点。本文旨在对能源与动力系统的设计进行研究,首先介绍了系统总的构架与各部分模块功能,说明了能源与动力系统与其他各组成部分的相互联系。然后分别对能源与动力系统的进行了设计,使其可以满足系统各传感器、中央控制机与推进器的能源供给与控制,同时通过底层的电路搭建实现水下各方位的运动控制。对于自主水下机器人来说,能源系统是其重要的组成部分,能源的选择与设备电源管理的质量将会直接影响到系统的性能和硬件的使用寿命。实时的检测自主水下机器人的状态,也为紧急情况处理模块提供了有利的数据参考,在分析了几种常用的电池后,采用了锂离子电池作为系统的主要能源供给方式。同时文章探讨了一种适用于自主水下机器人的电源管理设计,采用单片机及外围电路实时的对机器人中设备的电压、电流和温度等信息进行全程监控,在出现故障时可以迅速做出相应处理。分析了几种常用的检测电池剩余电量的方法,在结合开路电压与库仑计数法的优点的基础上提出了一种适用于用系统的电池剩余电量检测方法,提高了测量的精确度。自主水下机器人动力系统的运动控制,也是水下机器人的关键技术之一。随着水下机器人应用范围的扩大,对其自主性,运动控制的精度和稳定性的要求都随之增加。文章将着重于建立较为完善的自主水下机器人控制系统体系结构,首先对自主水下机器入的运动学和动力学进行分析,并根据课题的实际情况和控制器设计的需要对其进行了适当简化,为后续控制系统的设计和研究提供理论依据及向导作用。其次,采用$3C2440处理器搭建底层的控制平台,对采用无刷直流电机的推进器进行控制,将转速信号输出为PWM信号,为了全面改善无刷直流电机调速系统的动、静态性能,电机驱动采用软硬件双闭环设计,外环采用无位置传感器的无刷直流电机控制方案,通过对电机三相电压过零点的检测,采用反电动势法对速度进行调节。内环通过电机自带的传感器反馈信号作用于硬件电路实现电机的正常启动与运行,克服了无位置传感器控制启动上的缺点,同时对电机电流量的反馈,在电机短路、卡死的情况下迅速关断电机,对其进行保护。双闭环提高了系统的稳定性和鲁棒性。对硬件电路进行了设计。控制算法上在分析了传统PID控制与模糊控制的优缺点后,采用模糊自整定PID的控制方案, 实时改变PID的参数,从而达到一个良好的动态响应效果。关键词:自主水下机器人;电源管理;单片机;推进器控制;‘模糊PID Des gn on Energy and Power System for Autonomous Underwater Veh c e Abst ract Nowadays,wim thedevelopment ofscienceandtechnology,the applications of underwater robotsalreadyexpanded inworldwide,such as sea research,scientific investigation,Ocearl development andunderwaterengineering,lllarille environment monitor,spa geosc