水下机器人舵机控制系统设计

论文摘要

水下机器人融合机械学、动力学、电子学、控制学、水声学、流体学、通讯学等多种学科知识,是一种非常复杂的多门类学科技术。该水下机器人装有垂向辅助推进器、避碰声纳等装置。舵机控制系统是水下机器人中重要的执行机构,它的性能好坏直接决定着水下机器人的实时操舵性能。论文分析了目前国内外对于舵机控制系统的研究情况,从提升系统的性能和扩展能力的角度出发,采用了基于FPGA控制器的舵机控制系统。控制系统主要分为总线接口单元、脉冲输出单元、位置反馈单元和数字IO单元四个部分。论文的主要研究工作如下:首先,分析了舵机控制系统的设计要求,制定了以FPGA控制器为核心的设计方案。根据水下机器人对于通信的速率及可靠性的要求,工控机和各板卡间的通信采用PC/104总线。其次,论文重点阐述了舵机控制系统的软硬件设计原理,主要包括以FPGA控制器为核心的各控制模块的设计。论文对于器件的选型、各单元电路的设计、控制原理以及控制算法都进行了详尽的说明。系统采用一种软件硬化的设计思路,应用了Verilog HDL硬件语言,该语言较容易理解,使得系统的实时性得到了保证。最后,通过Quartus和Protel DXP等电子设计自动化开发工具完成嵌入式软硬件系统的设计及仿真验证;本系统设计采用FPGA+Verilog HDL+EDA工具构成的数字系统现场集成技术,该技术具有操作灵活、利用广泛以及价廉等特点。整个系统设计采用了全数字化的控制方案,使系统更加紧凑、更加合理以及经济节约。由于系统的全数字化,使得整个系统运行变得十分可靠,极大地提高了系统的实时性能及抗干扰性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 水下机器人的发展概况
• 1.2 舵机控制系统发展概述
• 1.2.1 步进电动机的发展现状
• 1.2.2 舵机减速器的发展现状
• 1.2.3 舵机运动控制器的发展现状
• 1.3 论文的主要内容
• 第2章 步进电动机工作原理
• 2.1 伺服控制基本概念
• 2.1.1 伺服系统的定义
• 2.1.2 伺服系统性能的基本要求
• 2.1.3 伺服系统的组成
• 2.2 步进电动机的特性与模型
• 2.2.1 三相混合式步进电动机的基本结构
• 2.2.2 三相混合式步进电动机的工作原理
• 2.2.3 步进电动机的运行特性
• 2.2.4 步进电动机的矩频特性
• 2.2.5 三相步进电动机的数学模型
• 2.3 步进电动机的驱动技术
• 2.3.1 恒相流驱动
• 2.3.2 恒总流驱动
• 2.3.3 升频升压驱动
• 2.3.4 微步驱动
• 2.4 本章小结
• 第3章 舵机控制系统硬件电路设计
• 3.1 控制系统体系结构
• 3.2 舵机控制系统需求分析
• 3.2.1 功能需求
• 3.2.2 性能需求
• 3.3 舵机控制系统框架的构建
• 3.4 PC/104 工控机
• 3.5 舵机脉冲输出卡硬件电路设计
• 3.5.1 FPGA 芯片的选择
• 3.5.2 FPGA 外围电路
• 3.5.3 PC/104 总线接口电路
• 3.5.4 地址译码电路
• 3.5.5 舵机的脉冲输出接口电路
• 3.5.6 数字量输入输出电路
• 3.5.7 PCB 的设计
• 3.6 舵机A/D 转换卡
• 3.7 本章小结
• 第4章 系统软件模块设计
• 4.1 PC/104 总线及数字I/O 模块设计
• 4.2 脉冲发生器模块设计
• 4.2.1 时序发生模块
• 4.2.2 加减速定位控制模块
• 4.2.3 总脉冲输出控制模块
• 4.3 FPGA 管脚分配
• 4.4 本章小结
• 第5章 舵机位置控制器的设计
• 5.1 数字PID 控制器
• 5.2 模糊控制系统概述
• 5.2.1 主要特点
• 5.2.2 模糊控制器原理
• 5.3 位置模糊PID 控制器
• 5.3.1 位置模糊PID 控制器结构
• 5.3.2 模糊控制规则
• 5.4 系统仿真
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢