AUV主控制系统设计

AUV主控制系统设计ThedesignofAUVmastercontrolunit学科专业：仪器科学与技术研究生：王雪森指导教师：李一博副教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一二年十二月独创性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和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日个人摘要AUV具有无缆绳束缚、自主控制、可搭载多种传感器的特点，是进行海洋资源探测的重要工具和手段。主控制系统是AUV控制系统的核心，其功能的实现和设计的可靠直接关系到整个控制系统的性能。主控制系统的设计包括平台搭建、任务规划等多个方面。本文在总结AUV自主控制技术发展现状的基础上，依托实体AUV，完成对AUV主控制系统的设计。本文主要进行了以下几个方面的工作：(1)分析AUV系统特点，提出一种基于TCP/IP的多节点控制结构，明确主控单元的功能，给出主控制系统节点即主控单元的总体设计。选择基于PC104总线的工控机为主控单元的嵌入式平台，依据需求对PC104模块进行外部扩展，进行平台搭建。(2)详细分析AUV运行过程中主控单元的任务，利用多线程的技术优势，合理规划多个线程，实现多任务并行工作；针对AUV水下作业过程，对航行轨迹进行解耦分析，给出AUV避障控制算法，确定参数取值。(3)分析总结传统的安全性设计方法，提出主动抛载加被动抛载的新思想，设计基于PC104模块和监控子单元的安全冗余结构，实现AUV安全保障的双保险。(4)为验证主控单元的设计，将主控单元和其他节点单元接入半实物仿真系统，设计水面操盘实验、下潜实验、AUV水下避障实验、状态监控实验和安全故障实验，分别完成主控单元基本功能的测试、避障控制算法的检验和系统安全保障功能的测试。实验结果表明主控单元不仅实现了预期的基本功能，而且能有效保障AUV系统的安全性。本文不仅设计实现了主控单元的基本功能，更着重对AUV系统的安全保障功能进行了研究，提出安全保障的新模式，对以后类似课题或设计具有重大参考价值。关键词：AUV主控单元监控子单元安全保障ABSTRACTAUVwhichhasnobondagingrope,controlsautonomouslyandcancarryavarietyofsensorsisoneofthemostimportanttoolsofMarineresourcesdetection.ThemastercontrolunitisthecoreoftheAUVcontrolsystem,whosedesignandfunctionisdirectlyrelatedtotheperformanceofthewholecontrolsystem.ThemastercontrolunitincludsHardwaredesignningandmissionplanning,etc.BasedonthesummarizationofAUVautonomouscontroltechnology,relyingontheentityAUVthearticlehascompletedthedesignofthemastercontrolunit.Severalaspectsfollowingwillhavebeencarriedoutinthearticle:(1)AfteranalyzingAUVsystemcharacteristics,itispresentedthatadesignofmulti-nodecontrolsystemwhichisbasedonTCP/IP.Afterbeingclearaboutthestatusandeffectofthemastercontrolunit,thearticleselectsIPCbasedonPC104fortheembeddedplatformofmastercontrolunitandexpandsforPC104moduleonthebasisofthedemand.(2)BasedondetailedanalysisofthemastercontrolunittasksinAUVoperationprocess,thearticlerealizesmultitaskparallelworkafterplaningultiplethreadsreasonly.AccordingtotheAUVunderwateroperationprocessthenavigationpathisdecoupledanalysed.TheAUVobstacleavoidancecontrolalgorithmisputforwardandtheparameteisdetermined.(3)Basedonanalysisofthetraditionalmethod,theactiveandpassivemodelofload-castingisputforward.TheredundantstructurebasedonthePC104moduleandmonitoringsubelementcanrealizetheAUVdoubleinsuranceofsecurity.(4)Totestandverifythedesignofthemastercontrolunit,themastercontrolunitandothernodeunitwasaccessedintothesemi-physicalsimulationsystem,andtheexperimentsoftheoperationontheseasurface,theAUVunderwaternavigation,theconditionmonitoringandthesystemsafetywereexecuted.Theexperimentalresultsshowthatthemastercontrolunitcannotonlyrealizetheexpectedbasicfunction,butalsoeffectivelyensurethesecurityoftheAUVsystem.Thisarticlehasnotonlydesignedandimplementedthebasicfunctionofthemastercontrolunit,butalsostudiedtheAUVsystemsecurityfunctionwithproposinganewmodeofsecurity.Ithasanimportantreferencevalueforfuturesimilarprojectordesign.KEYWORDS：AUV，mastercontrolunit，monitoringsubelement，securityI目录第一章绪论................................................................................................................11.1引言..................................................................................................................11.2AUV及其自主控制技术的研究现状及趋势.................................................11.3课题来源和主要工作......................................................................................5第二章AUV主控单元的总体设计............................................................................62.1AUV控制系统.................................................................................................62.2主控单元的功能需求......................................................................................92.3主控单元的总体结构....................................................................................122.4本章小结........................................................................................................13第三章主控单元硬件设计........................................................................................143.1嵌入式硬件平台选择....................................................................................143.2主控单元的硬件平台搭建............................................................................163.2.1数据存储...............................................................................................163.2.2数据接口...............................................................................................163.2.3电源管理...............................................................................................173.3本章小结........................................................................................................20第四章主控单元软件设计........................................................................................214.1主控单元开发环境的建立............................................................................214.