20公斤级便携式自主水下机器人（AUV）设计与实现

论文摘要

AUV(Autonomous Underwater Vehicle)代表了未来水下机器人技术的发展方向,是当前世界各国研究工作的热点。AUV的发展趋势为更深、更远、更小、功能更强大,特别是随着技术的成熟、海上作战等军事需求和近海工业发展等商业需求,小型AUV开始出现,并且在不断地发展和壮大,国际上商业化比较成功的小型AUV有WHOI的REMUS 100和冰岛Hafmynd公司的GAVIA等。本文在总结上述成功AUV的基础上,提出了“低成本便携式小型AUV”的设计思想,即设计一款具有高通用性和便携性,在一定程度上自由配置组合的小型AUV,并重点对其机械结构和电控系统做深入研究,对AUV自主导航算法进行初步探讨,为下一步机械系统和电控系统的改进、自主导航算法的深入探索奠定基础。论文在机械外形设计上采用了鱼雷形流线结构以达到重量轻、外形尺寸小、活动范围大和机动性好的设计目标,同时为了提高AUV水下运动控制的可靠性,采用了双推进器垂直布置的形式,最终设计成型的AUV在壳体耐压、水密连接和流体动力等各方面均达到了设计目标。电控系统设计为多个功能模块电路,如主控电路、参数监测电路、电池管理电路、传感器电路和电机驱动电路等,各个模块通过CAN总线通讯。在此基础上设计了基于GPS/INS(Global Positioning System/Inertial Navigation System)的组合导航算法,AUV在水下潜航时通过INS得到位置信息,上浮至水面后通过GPS对INS的位置信息进行校准以消除累计误差,通过位置信息可以计算得到AUV的航向角信息,从而实现PID闭环控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 水下机器人的分类
• 1.3 小型AUV 国内外的研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 论文的来源和意义
• 1.5 论文主要研究内容
• 1.6 论文章节结构
• 2 水下机器人总体设计
• 2.1 AUV 的性能指标
• 2.2 AUV 水下运动影响因素
• 2.2.1 重力和浮力
• 2.2.2 稳定性
• 2.2.3 流体力
• 2.2.4 静水压力
• 2.2.5 环境因素
• 2.3 AUV 参考模型
• 2.4 运动控制
• 2.5 导航
• 2.5.1 GPS 导航
• 2.5.2 航位推算
• 2.5.3 惯性导航系统
• 2.5.4 控制决策和路径规划
• 2.6 总结
• 3 AUV 机械结构设计
• 3.1 AUV 机械结构总体布置
• 3.2 AUV 机械外形仿真
• 3.3 AUV 机械部件加工设计
• 3.3.1 推进器的数量和布置
• 3.3.2 密封舱体设计
• 3.3.3 AUV 密封设计
• 3.4 总结
• 4 AUV 电控系统设计
• 4.1 主控电路
• 4.2 参数监测电路
• 4.2.1 泄漏检测
• 4.2.2 温湿度检测
• 4.3 电池管理电路
• 4.4 传感器电路
• 4.5 电机驱动电路
• 4.5.1 硬件系统概述
• 4.5.2 电机控制专用芯片dsPIC30F4011 及其外围电路简介
• 4.5.3 功率驱动电路
• 4.5.4 检测电路
• 4.5.5 保护电路
• 4.5.6 硬件可靠性设计
• 4.6 CAN 总线
• 4.7 AUV 软件简介
• 4.8 总结
• 5 基于 GPS/INS 的组合导航算法设计、仿真和实验
• 5.1 算法介绍
• 5.1.1 惯导系统的位置算法
• 5.1.2 位置信息到航向角信息的计算
• 5.2 算法仿真验证
• 5.3 人工湖实验及结果分析
• 5.4 总结
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文