波浪能发电海洋航行器控制系统的研究

论文摘要

自主式水下航行器（AUV,Autonomous Underwater Vehicle）由于其良好的操纵性和自主性,在科学勘探、海底管线铺设维修、沉船搜救打捞等海洋相关领域应用广泛,但AUV航程与时长受其自身携带能源限制。海洋中蕴藏丰富的波浪能,且波浪能受天气、区域限制极小。波浪能发电海洋航行器（Wave-powered AUV,WUV）通过在AUV机体两侧安装摆翼捕获波浪能为自身提供动力。针对WUV的实际应用问题,为使其达到通过波浪能发电、自主完成任务并能够与岸基系统通信的要求、设计制作适用于WUV的控制系统。首先,WUV因外加摆翼改变了运动特性。根据对航行器的设计尺寸参数,利用SolidWorks建立了航行器三维模型,通过计算流体力学（CFD）方法,设计不同计算域,获得WUV水动力系数。结合经验公式、动量及动量矩定理建立了航行器的动力学模型。其次,为验证模型可靠性,通过Matlab对航行器进行直航、水平面与垂直面转舵、三维回转运动仿真。仿真证明模型可靠,并表明WUV具备良好的水动力性能和操纵性能。考虑到航行器由于发电需求,常需在近海处或海面航行,以水平面航速、航向控制为研究对象,研究其运动控制策略。建立海洋环境干扰模型,结合动力学模型,得到WUV控制模型。为避免波浪高频信号干扰,并在海浪、流的作用下稳定运行,设计了一种结合积分分离式PID和扩展卡尔曼滤波器的闭环运动控制系统。在Simulink平台进行仿真,仿真结果验证了该系统具备的良好控制效果。最后对WUV控制系统进行设计、制作与测试。设计了基于Arduino的主控系统,采用多线程对导航定位系统、通信系统、运动控制系统等子系统进行任务分配。针对通信系统,设计了串口通信协议用于岸基对WUV的控制监测。根据其发电功能及用电需求,设计了电源管理系统。随后分析WUV发电原理,建立其发电状态下的运动模型,设计了一套无水实验系统进行发电测试并验证电源管理系统的有效性。实验结果表明,WUV具备良好的发电性能,在稳定波况下无零点功率输出,电源管理系统能够有效处理并存储电能。最终完成运动控制系统设计,进行水池运动测试。在实验中WUV能够基本按照设定航向航行。实验表明其控制系统运行效果良好,但还需进行性能优化并增加更多功能。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 自主水下航行器研究现状
•       1.2.1.1 国外研究现状
•       1.2.1.2 国内研究现状
•     1.2.2 自主水下航行器海洋充能研究现状
•     1.2.3 自主水下航行器控制系统研究现状
•   1.3 研究中存在的问题
•   1.4 课题来源及主要研究内容
•     1.4.1 课题来源
•     1.4.2 主要研究内容
• 第2章 波浪能发电海洋航行器动力学建模
•   2.1 WUV系统结构
•   2.2 WUV运动学模型
•     2.2.1 坐标系建立与运动参数表示
•     2.2.2 坐标系变换关系
•   2.3 WUV动力学模型
•     2.3.1 WUV简化运动方程
•     2.3.2 WUV运动过程作用力与力矩
•       2.3.2.1 静力
•       2.3.2.2 水动力
•       2.3.2.3 推进力
•     2.3.3 WUV动力学方程
•   2.4 WUV动力参数计算
•     2.4.1 惯性水动力参数
•     2.4.2 粘性水动力参数
•       2.4.2.1 模型选取与参数分类
•       2.4.2.2 方形水域参数计算
•       2.4.2.3 环形水域参数计算
•     2.4.3 推进系统参数
•     2.4.4 计算结果对比验证
•   2.5 本章小结
• 第3章 波浪能发电海洋航行器运动特性与控制
•   3.1 WUV运动仿真
•     3.1.1 水平面动力学仿真
•     3.1.2 垂直面动力学仿真
•     3.1.3 空间螺旋运动仿真
•     3.1.4 WUV运动耦合特性分析
•   3.2 WUV运动控制模型
•     3.2.1 环境干扰力模型
•     3.2.2 运动控制系统模型
•   3.3 WUV运动控制系统设计
•     3.3.1 状态估计卡尔曼滤波器设计
•       3.3.1.1 卡尔曼滤波
•       3.3.1.2 扩展卡尔曼滤波器在WUV的应用
•     3.3.2 运动控制器设计
•       3.3.2.1 PID运动控制算法
•       3.3.2.2 控制算法在WUV的应用
•   3.4 WUV运动控制系统仿真测试
•     3.4.1 仿真实验设计
•     3.4.2 仿真实验结果与分析
•   3.5 本章小结
• 第4章 波浪能发电海洋航行器控制系统设计
•   4.1 WUV控制系统结构
•     4.1.1 WUV控制系统整体结构
•     4.1.2 WUV主控系统
•   4.2 WUV导航通信系统设计
•     4.2.1 WUV导航定位系统
•       4.2.1.1 GPS数据处理
•       4.2.1.2 IMU数据处理
•     4.2.2 WUV通信系统
•       4.2.2.1 请求指令
•       4.2.2.2 回复指令
•   4.3 电源管理系统
•     4.3.1 电源管理系统设计
•     4.3.2 WUV发电测试
•       4.3.2.1 WUV发电原理
•       4.3.2.2 WUV发电实验设计
•       4.3.2.3 实验系统功能与结构
•       4.3.2.4 实验结果分析
•   4.4 运动控制系统
•     4.4.1 运动控制系统设计
•     4.4.2控制系统水池实验
•   4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及参加的科研项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王宇宫

导师: 赵江滨

关键词: 自主水下航行器,波浪能发电,动力学模型,运动控制,无水实验

来源: 武汉理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 海洋学,船舶工业,新能源,自动化技术

单位: 武汉理工大学

基金: 国家自然科学基金项目“小型海洋航行器波浪能随体发电技术研究”(项目编号:51579197)

分类号: P743.2;U664.82

DOI: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.000324

总页数: 93

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