基于μC/OS-Ⅱ操作系统的深海机器人推进系统控制与混沌检测

论文摘要

随着人类探索海洋的不断深入,更恶劣、复杂的工作环境对于深海机器人推进装置控制系统的要求也越来越高。因此作为深海机器人主要推进装置的无刷直流电动机来讲,通常的控制系统是不能满足要求的,尤其体现在实时性差和智能化水平低两个方面,因此,根据其特性设计一套深海机器人推进装置控制系统的研究有着非常重要的工程应用和理论意义。本课题选题于辽宁省科学技术基金资助项目（20031023）和辽宁省科技计划重点项目（2005216010）,设计了一款以DSP微控制器为硬件核心、实时操作系统μC/OS-Ⅱ为软件平台的无刷直流电动机的嵌入式控制系统,并且在此基础上实现了对其动力推进系统中混沌现象的实时检测,课题实践工作主要从以下三个方面展开:首先,硬件设计上引用了TI公司TMS320LF2407A芯片作为主控单元,DSP具有集成度高、运算速度快等优点,由其构成的控制系统所需外围电路更少、程序运算速度更快,是提高控制系统可靠性与高效性的物质保证。其次,软件设计上采用嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ作为底层硬件和上层应用程序的接口平台,μC/OS-Ⅱ通过将用户程序分割为多个任务并根据条件实现对不同任务的调度与管理。嵌入式控制系统可以根据海洋机器人工作环境的变化来调度相应的任务以实现对外界环境变化的实时反应,相比传统控制程序的顺序结构,该控制系统具有更强的实时处理能力和智能水平。最后,工作于水下千米的深海机器人,其推进装置中的混沌状态很可能在瞬间给整个机器人带来无法挽回的后果,所以,具有对混沌现象检测功能是完善深海机器人控制系统不可或缺的组成部分。本课题利用Takens定理进行重构、Wolf计算其Lyapunov指数的方法编写混沌检测程序,并将检测程序嵌入到系统时钟内部使其在与系统同步运行过程中实现了对混沌现象的实时检测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题提出的依据及意义
• 1.2 无刷直流电机控制系统的发展
• 1.2.1 模拟控制器向数字控制器的发展
• 1.2.2 单片机控制向数字信号处理器控制的发展
• 1.2.3 嵌入式控制技术的发展
• 1.3 海洋机器人推进电机中的混沌现象
• 1.4 本课题主要工作
• 1.4.1 硬件电路设计与控制策略的选择
• 1.4.2 构建嵌入式操作系统平台及应用软件程序的编写
• 1.4.3 混沌检测程序的编写以及实现
• 第二章 控制系统的硬件结构与实现
• 2.1 无刷直流电动机的基本组成
• 2.1.1 电动机本体
• 2.1.2 电动机逆变器
• 2.1.3 转子位置传感器
• 2.2 无刷直流电动机的工作及控制原理
• 2.2.1 无刷直流电动机的工作原理
• 2.2.2 无刷直流电动机的控制原理
• 2.3 系统控制算法的选择
• 2.3.1 模糊控制
• 2.3.2 自适应模糊 PID控制
• 2.4 控制方案的设计
• 2.4.1 转子位置检测
• 2.4.2 电动机相电流的检测
• 2.4.3 参考速度的输入和实际速度的测量
• 2.4.4 功率管的换相与驱动
• 2.5 控制系统硬件电路的设计与实现
• 2.5.1 时钟电路设计
• 2.5.2 通信接口设计
• 2.5.3 逆变器模块及其驱动单元
• 2.6 本章小节
• 第三章 μC/OS-Ⅱ操作系统的移植及应用程序的设计
• 3.1 嵌入式操作系统概述
• 3.2 嵌入式实时多任务操作系统μC/OS-Ⅱ的内核分析
• 3.2.1 任务的状态与结构
• 3.2.2 任务的创建与调度
• 3.2.3 任务的同步和通信
• 3.2.4 系统时钟
• 3.3 μC/OS-Ⅱ在 TMS320LF2407A上的移植与测试
• 3.3.1 移植分析
• 3.3.2 移植的具体实现
• 3.3.3 移植测试
• 3.4 用户应用程序的设计
• 3.5 无刷直流电机控制系统的实验结果
• 3.5.1 位置反馈信号波形检测
• 3.5.2 电机运行测试
• 3.6 本章小结
• 第四章 深海机器人推进电机中的混沌现象及其实时检测
• 4.1 混沌现象及其概述
• 4.1.1 混沌概述
• 4.1.2 混沌特性
• 4.1.3 混沌运动的分析方法
• 4.1.4 深海机器人推进电机中的混沌现象
• 4.2 混沌检测程序的编写
• 4.2.1 一维序列的重构
• 4.2.2 Lyapunov指数计算
• 4.3 嵌入式系统中混沌现象实时检测的实现
• 4.3.1 混沌检测硬件结构
• 4.3.2 混沌检测软件结构
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 5.1 本文结论
• 5.2 课题展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢