水下滑翔机器人控制系统设计与实现

本文以水下滑翔机器人为研究对象,首先简要介绍了水下滑翔机器人的总体结构,然后重点研究了其控制系统的设计方案,阐述了控制系统软、硬件的设计与实现,通过水下滑翔机器人湖试验证了控制系统设计合理,运行正确,实现了水下滑翔机器人的基本运动。

载人潜器半物理虚拟仿真系统及其性能分析

为了缩短深海载人潜器控制系统的开发周期,测试系统性能,根据载人潜器的自身特点,构建和实现了载人潜器所有传感器、执行器设备模拟,以及潜器在海底实景的运动状态的半物理虚拟仿真系统。首先,以仿真系统的硬件架构和数据流程为基础,重点介绍了潜器设备模拟的软件体系结构;其次,在仿真平台上测试了各种网络数据的传输延迟,分析了其整体性能;最后,得出了潜器控制器设计的时间约束。现阶段整个系统已经开发成功,并投入运行到潜器控制系统的安装调试中。

载人潜器串口设备转接工业以太网的实时性建模与分析

根据具体的需求,为载人潜器设计了一种基于工业以太网的内部数据通讯和控制系统,其数据通讯的实时性是衡量控制系统的一个重要指标,因此,为了分析串行数据通信系统的实时性能,据其选用的传感器和网络架构的特点,建立了串口数据包传送时间延迟的数学模型;并在潜器平台上,以实测数据试验误差验证了该模型的准确性和普遍性,从而为开发人员对各种串口设备的参数设置提供理论指导;最后用该模型分析了载人潜器串行数据传送的实时性。

Multi-sensors data acquisition and information fusion for manned submersible vehicle

本文介绍了一种用于载人潜水器的导航传感器的数据采集及信息融合技术。航行控制计算机通过基于工业以太网的数据通信系统对各传感器进行数据采集,采用卡尔曼滤波器完成对各传感器数据信息的融合,以便提高数据的精度和控制系统的性能,并将结果送给监控计算机,用于载人潜水器的姿态显示。

载人潜水器信息显控系统

本文介绍了基于工业以太网的载人潜水器的信息综合显控系统。详细地描述了该系统的软件结构及各相关模块的特点,并对系统中各部分所实现的功能进行了详细的介绍。目前,该系统已在实验室进行了实验,实验效果良好。

WAGO750模块与PC机之间的通讯

介绍了一种用于WAGO750-842以太网节点及系列模块与PC机之间的一种通用而又简便的通讯方法,该方法能够使PC机与WAGO750系列模块方便地进行数据交换,从而达到计算机对控制对象进行信息采集和控制输出的目的。该方法已在载人潜水器控制系统中得到成功应用,效果良好。

载人潜水器及其运动控制

介绍了载人潜水器的构成及推进器的布置,在此基础上导出了载人潜水器的推力分配方程。阐述了载人潜水器的运动控制。最后,将运动控制系统在载人潜水器半物理仿真平台上进行了验证,运动控制效果良好。

载人潜水器数据采集与监控系统

介绍了基于工业以太网的载人潜水器的数据采集与监控系统。简要地阐述了载人潜水器的重要性。详细地描述了该系统的硬件结构及各智能节点的特点,并对系统中各层所实现的功能进行了详细的介绍。目前,该系统已在实验室进行了实验,实验效果良好。

线性电位器的非线性传递函数分析

在线性电位器的电路设计中、电路前后级的输出和输入阻抗的影响以及使用与安装不当都可能引入非线性,造成电路和控制系统的精度达不到要求。为此,针对电位器的调节输出电压、限定调节范围、负载等效阻抗、细调等几种典型电路中的传递函数与非线性响应,通过实验给出了线性和非线性输出响应曲线。阐述了实际应用中如何避免和减少非线性的影响。

滑模模糊控制应用于自治水下机器人的实验研究

分析了自治水下机器人 (AUV )的控制特点 ,论述了滑模模糊控制 (SMFC)的基本原理 ,并在6 0 0 0 m自治水下机器人“CR- 0 2”上进行了仿真和水池实验。结果表明 ,滑模模糊控制的性能明显优于PID控制 ,在强干扰时表现出良好的鲁棒性

北极冰下自主/遥控机器人控制系统设计与实现

自主/遥控水下机器人是近年来出现的一种新型水下机器人，其自带能源，通过微光缆与水面支持系统相连接，既具有自治水下机器人大范围自主航行的能力，又具有遥控水下机器人定点操作能力，提高了自治水下机器人实时获取数据的能力，扩大了遥控水下机器人的作业范围。由于自主/遥控水下机器人工作方式的灵活性和多样性，其必将会在海洋监测、军事等方面有越来越广泛的应用。 北极是反映全球气候变化的敏感地区，目前世界各国对北极的考察规模越来越大，对极地海洋的探索力度也大幅度增加。由于自主/遥控水下机器人具有灵活的工作方式，将其应用到北极冰下海洋环境监测中，便于满足北极科考的需求。本论文以科考需求为背景，将自主/遥控水下机器人应用到北极海洋环境监测中，为搭载的测量设备提供一个基本的运动平台。 本论文以实现自主/遥控水下机器人控制系统功能为目的，在深入研究已有水下机器人控制系统结构的基础上，开展自主/遥控水下机器人的控制系统软件和硬件设计与实现工作。将CAN总线与PC/104总线应用到自主/遥控水下机器人控制系统中，实现了一种分布式与集中式相结合的控制系统体系结构，将控制系统的可扩展性、实时性、可靠性等结合在一起。 以作者的实际工作为基础，介绍了自主/遥控水下机器人控制系统软、硬件的设计与实现。采用基于CAN总线技术的分布式控制系统体系结构；采用基于PC104嵌入式计算机的数字控制方案进行航行控制系统硬件设计与系统配置；采用嵌入式单片机做为分系统的控制器；在QNX操作系统下用C语言编写水下控制系统软件，采用模块化和标准化的设计思想，将水下控制系统软件分化多个功能模块，每个模块由不同的进程来实现。 实际实验结果表明，本文所设计的控制系统能够达到预期目标；所设计底层硬件系统和底层驱动软件能够给机器人的上层控制软件提供一个稳定基础。

轮桨腿一体化两栖机器人控制系统研究与设计

轮桨腿一体化两栖机器人是一种既可以在陆地、滩涂、海底爬行，又可以在极浅水海域浮游的特种机器人。其研究与开发，对海洋环境调查、滩涂沼泽研究取样、军事两栖探雷与灭雷以及水下传感网络等都具有重要意义。这种新型两栖机器人作业环境复杂、运动模式多样，其运行机理、控制策略和建模方法等关键技术与传统的陆地或水下机器人有所不同。轮桨腿一体化两栖机器人控制系统的研究与设计，对轮桨腿一体化两栖机器人样机的实现及各项关键技术的进一步研究具有重要意义。 本文以轮桨腿一体化两栖机器人样机功能实现为目的，针对机器人载体具有的模块化、可重构和可扩展等特性，采用开放式设计思想，对控制系统软、硬件进行开放式设计。硬件上，采用基于CAN总线的分布式控制系统，便于实现功能节点的扩展，并且采用片内集成CAN控制器的ARM处理器，便于实现与CAN总线接口且具有较低的功耗。软件上，控制软件建立在μC/OS-II嵌入式实时操作系统之上，采用分层和模块化结构，以实现软件系统的开放性。同时，针对机器人载体空间狭小、难以布置下外购电机驱动器的特点，自行设计了体积较小且驱动能力较强的专用电机驱动电路。 第1章简要介绍研究的目的和意义后，分别对两栖机器人和机器人控制系统的国内外研究现状进行了综述。第2章介绍了轮桨腿一体化两栖机器人的系统组成，包括外形结构、硬件系统结构和软件系统结构，并结合两栖机器人自身特点，介绍了其运动控制方式。第3章对轮桨腿一体化两栖机器人的硬件系统进行了研究和设计，包括节点处理器选择、主控制节点设计、CAN数据总线接口电路设计、电机驱动节点设计、故障诊断及传感器节点设计、系统电源管理方案设计六个部分。第4章针对轮桨腿一体化两栖机器人的特殊需求，制定了CAN总线应用层协议，并采用嵌入式实时操作系统进行了通信软件和电机驱动软件的设计。第5章设计了控制系统在系统编程(ISP)方案。第6章对所设计的控制系统进行了实验验证。 实验平台的测试表明，本文设计的控制系统能够可靠、稳定工作；控制系统和控制方法的设计与实现是正确并且有效的。控制系统软硬件的设计对轮桨腿一体化两栖机器人样机的实现和各项关键技术的研究奠定了良好的基础。

两栖机器人控制系统研究与实现

轮桨腿一体化两栖机器人是一种既可以在陆地、滩涂、海底爬行，又可以在 极浅水海域浮游的特种机器人。它巧妙地将水下机器人常用的螺旋桨推进器与陆 地爬行机器人的驱动轮结合为一体、将水下方向舵与陆地爬行腿结合为一体，实 现在水下浮游与陆地爬行运动模式之间自动的切换，从而能够在普通陆地爬行机 器人和水下浮游机器人无法进入的极浅水、碎浪带和海滩区域进行考察作业。 这种新型两栖机器人作业环境复杂、运动模式多样，其运行机理、控制策略 和建模方法等关键技术与传统的陆地或水下机器人有所不同。本文对轮桨腿一体 化两栖机器人控制系统进行研究，针对机器人具有的模块化、可重构和可扩展等 特性，采用开放式设计思想，完成了具有混合体系结构特点的控制系统设计，并 从硬件和软件两个方面对控制系统的实现进行了阐述。 在体系结构设计上，整个控制系统分为三层：慎思层、序列层和行为层。其 中慎思层负责基于推理的计算与决策，实现两栖机器人高层智能性；行为层负责 两栖机器人基于反应的反馈控制，其包容结构实现了两栖机器人对动态环境的快 速响应能力和适应能力；连接慎思层和行为层的序列层根据两栖机器人自身状态， 将慎思层的决策结果转化为行为层的执行序列。 在硬件设计上，控制系统由水面控制台子系统和载体控制子系统组成。水面 控制台子系统接收人的使命指令，分解成任务序列，通过CAN 总线或无线电下载 到载体控制子系统，实现慎思层的功能。载体控制子系统是由嵌入式主控计算机 节点、6 个驱动装置控制器节点、故障诊断与应急处理节点构成的基于高速CAN 总线的分布式控制系统，它根据接受到的任务目标，以及环境状态和机器人内部 状态，完成对机器人的实时控制，实现了整个系统序列层和行为层的功能。 在软件设计上，使用ANSI C 语言完成了各种硬件驱动设计、部分功能模块设 计工作。分布式控制系统各嵌入式节点在μC/OS-II 嵌入式实时操作系统的基础上 完成软件设计，并实现与其他节点之间的CAN 通信。 实验表明，本文设计的控制系统能够可靠、稳定工作，并具有良好的模块化 结构和开放性，为轮桨腿一体化两栖机器人样机的实现和各项关键技术的研究奠 定了良好的基础。

深海微型ROV耐压控制系统研究与实现

微型ROV能够搭载在7000米载人潜水器上，与载人潜水器组成子母式系统，配合载人潜水器完成较为复杂的任务。它自带能源，运动灵活，携带摄像机及多种传感器，可以在载人潜水器不能或不便进入的狭小复杂区域开展工作，有效扩展了载人潜水器的工作范围；紧急情况下，微型ROV还能够触发载人潜水器应急抛载装置，帮助潜水器脱离险境，最大限度保证水下人员安全。 传统技术上，为防止海水的腐蚀和压力的破坏作用，构成水下机器人控制系统的电子设备均被安装在高强度的耐压壳体中。然而，随着水下机器人工作深度的加大，耐压壳体的体积和重量都将大幅增加，壳体的加工、装配和密封难度也会显著上升，严重影响了整个系统的稳定性和可靠性。为避免上述弊端，微型ROV将采用耐压电子技术来搭建控制系统，并将整个系统置于油液补偿的薄壁电子舱中。电子舱内外几乎没有压差，外界压力完全由舱内电子设备来承担。 为实现上述耐压控制系统，唯一的方法就是进行大量的相关试验，筛选出能够耐压的元件、模块和系统；对于不能耐压而又无可替代的个别元件，设计一套方案，对其单独进行耐压处理。 本文在充分研究微型ROV控制系统特性的前提下，提出了一套从重要元件、功能模块到试验系统，循序渐进的试验方案，其可行性在实践中得到了验证。以该方案为指导，一系列压力试验陆续展开。试验对象包括电阻、电容、电感和二极管等重要元件，锂离子电池和电压调节电路等功能模块，以及C8051F040单片机最小系统和载体控制系统核心板等试验系统。 试验结果表明：绝大多数常用元件、模块和系统在压力环境下工作正常，参数变化量没有超出允许的范围；只有晶振等少数薄壁空腔结构的元件不能耐压，需要经过特殊处理才能使用。对于这样的元件，本文设计了行之有效的处理方案，排除了若干技术障碍，取得了良好的实际效果。 压力试验和耐压处理有效解决了微型ROV电子设备的耐压问题，为耐压控制系统的设计和实现奠定了基础，具有一定的借鉴意义和较高的实用价值。

基于CAN总线的分布式数据采集与控制系统

本文给出了一种基于 CAN总线的分布式数据采集与控制系统的设计与应用，介绍了 CAN总线的硬件接口电路设计，并对系统的整体结构、硬件配置、软件功能及各节点功能分别作了详细说明。实验表明，该系统具有结构简单、可靠性高、性能价格比高等特点，有广阔的应用前景。