海底观测网络次接驳盒硬件设计与实现

深海海底观测网络是针对深海海底探测与研究而提出的课题。在海底观测网中,为了实现对水下各种观测信息的实时采集和水下各种传感设备的控制,设计了一种基于SOC片上系统的海底观测网络次级接驳盒电路控制系统。采用模块化设计思想,构建了包括主控芯片模块、数据采集模块、电能控制模块、视频监控模块的次级接驳盒电路控制系统。试验测试结果表明,该系统能够可靠稳定地运行,为海底观测网络的长期运行提供了保证。     

海底观测网接驳盒技术

利用海缆和接驳盒将布放在海底表面及海洋内的用于科学观测的仪器连成一个网络,并与陆地的因特网和电力网有机连接而组成的可实现长期、连续、实时的原位观测的海底观测网已经成为海洋科学研究的重要平台。研究和介绍海底观测网接驳盒所涉及的关键技术,包括接驳盒的电能供给及变换、高带宽通信与高精度对时、供电故障诊断与隔离、水下封装与设计等。基于所研究技术的接驳盒样机成功地进行水池和高压模拟试验、浅海运行试验、和深海组网试验等系列试验,并验证相关技术:基于直流变换的电能分配和供给方式可应用在海底观测网上;点对点的主干网光纤通信及多级树形结构的通信架构可满足海底观测网需求;独立端口的过电压、过电流和接地故障的诊断和隔离可提高系统的整体可靠性;模块化的封装结构和可维护的分离结构可降低成本并提高了系统的可维护性。     

基于海底观测网的深海化学监测系统的设计

根据海底观测网和海洋科学仪器的特点,设计了能适用于海底观测网的深海原位化学监测系统.该系统由数据采集器以及阴离子分析仪、硝酸盐传感器、叶绿素传感器、溶解氧传感器、甲烷传感器等水下化学监测仪器组成.文中设计的数据采集器,能够与海底观测网科学仪器节点中接驳盒的标准供电和通讯接口进行连接,并能够对不同接口类型的仪器进行集成扩展.通过模拟深海环境试验以及浅海海试的验证,证明了该设计的可行性.     

缆系海底观测网原型系统设计

针对长期、实时和原位观测深海大洋的科学需求,设计了采用10 kV直流输电和100 Mb/s光纤通信的缆系海底观测网原型系统。该系统由海底科学节点、光电复合海缆和海岸控制基站组成,其中海底科学节点包括原位化学分析仪器、动力环境监测仪器和节点接驳盒。用户从数据管理子系统实时获取科学数据,从电能监控子系统远程监控仪器状态,进行海底原位实验。多次压力实验和水池联调后,该系统在中国东海浅海试验和美国蒙特雷湾海底观测网深海并网试验中运行稳定,从海底获取了大量高分辨率的科学数据。试验证明该设计合理可行,并体现缆系海底观测网较传统海洋观测方式有较大优势。     

海底观测网电能管理控制系统研究

海底观测网的电能是由陆地电网通过光电复合缆和接驳盒提供的,为了实现对海底观测设备电能供给状态的在线实时监测和控制,提高海底供电系统的可靠性和用能效率,设计了一套海底观测网电能管理控制系统。系统通过检测各舱体内的温度和漏水情况、电缆绝缘情况以及内外部负载的用电情况,诊断故障并采取保护措施,然后将监测数据通过光纤以太网上传至上位机,实现了岸基站控制台对系统的远程控制和管理。试验表明,该系统能够可靠稳定地运行,为海底观测网长期运行提供了保证。     

基于视觉导引与旋转接驳的自主水下航行器末端入坞研究

基于单目单灯的视觉导引和具有旋转能力的接驳站,自主水下航行器的末端入坞得到了研究。首先对末端导引入坞方案的基本原理包括方案中使用到的各个坐标系进行了描述;自主水下航行器、可旋转的接驳基站和视觉导引系统组成了用以验证末端导引入坞方案的试验平台;该方案采用的导引控制算法包括视觉导引算法、自主水下航行器入坞控制算法和水下接驳基站的旋转控制算法,而视觉导引算法主要包含图像获取、图像二值化、噪声点消除和目标位置估计四个阶段;在固定接驳基站和旋转接驳基站两种情况下,完成了自主水下航行器末端入坞的水池试验,水池试验结果验证了本文提出的末端导引入坞方案。该末端导引入坞方案的优点及需要改进之处在文章的最后进行了介绍。     

水下机械臂运动空间分析与轨迹跟踪算法优化

针对水下机械臂动力学模型不确定和未知外界干扰问题,采用基于HJI理论的径向基函数神经网络自适应控制算法对水下机械臂进行控制。首先,以水下六自由度机械臂为例,基于D-H法则对水下机械臂的运动学进行分析,通过仿真验证该方法的正确性;接着,基于蒙特卡洛法构建水下六自由度机械臂的运动空间云图,真实反映水下机械臂的运动空间;然后,以二自由度水下机械臂为例,设计基于HJI理论的RBF神经网络自适应控制器,利用神经网络的万能逼近原理逼近不确定干扰项,考虑到神经网络逼近存在误差,将逼近误差看作外界干扰项并通过HJI理论对逼近误差在线评价,评价系统对干扰项的抑制能力,并采用自适应算法在线估计网络权值,加快系统收敛;最后,通过仿真可知,该机械臂能较好地完成轨迹跟踪。     

小型球形水底观测机器人设计分析与实现

面向水底信息获取和环境观测需求,基于球状壳体抵抗水压能力强,转动水阻力小,便于姿态控制特点,提出球形水底观测机器人构型,由螺旋桨推进、姿态调节和复合滚动装置组成欠驱动六自由度水下移动平台,球壳作为密闭舱保护内部电子器件,结合重摆以滚动形式实现水底滚动。通过对机器人流体力学仿真计算出水动力系数并建立水下动力学方程,进一步对机器人的螺旋桨推进、飞轮转向和球壳滚动进行分析,得出球壳优化尺寸以及飞轮匹配惯量和球壳滚动特性。基于球形机器人水下移动平台和地面监控软件的水底观测系统架构,研制出球形水底观测机器人原理样机,结合机器人的构型和运动特点制定出降落、滚动和调姿三段式水底运动观测策略,水池试验表明设计的球形水底观测机器人水中推进速度可达到1.4m/s,水底移动速度可达到0.5m/s,姿态调节速度可达到30°/s,能够实现水底图像采集,辅助岸上科研人员执行水底观测任务。     

海底观测网接驳盒电源散热机理研究

散热性能是影响海底观测网接驳盒供电电源长期运行的关键因素。根据热传导理论,分析金属耐压密封腔体内部电气热源的热耗散机理,推导出影响其热耗散性能的主要因素,得出腔内灌充绝缘导热油可大幅度改善散热效果,并利用Fluent分别对灌充气体、液体导热介质的腔体模型进行仿真验证。同时提出在油液内部留存一定体积气体的气液体结合的方式来缓解由于液体介质受热膨胀引起的压强升高问题,并进行1%、2%、5%、10%等4种不同空气体积率下的变压器油液因温升而导致压强升高的试验。得出结论:灌充绝缘导热油介质可改善水下密封腔的散热效果,但存在油液压强上升问题;气液结合方式可解决压强上升过高的问题,对于国产25#变压器油,大于8.8%的空气体积率可实现温升50℃时压强上升幅度低于0.1MPa。将该方法应用到海底观测网系统样机的2 kW电能变换器中,其试验测试结果与理论分析一致。     

基于干扰观测器的电动助力转向系统动态面滑模控制

通过建立电动助力转向系统与汽车二自由度模型。考虑系统摩擦干扰、道路颠簸以及系统建模不完全等因素建立电动助力转向系统模型,并提出一种基于干扰观测器的电动助力转向系统动态面滑模控制。将系统的外界干扰、系统建模不完全等因素看作是一个广义的外干扰系统,对系统可观测干扰进行观测,通过参数的设计使观测误差指数收敛。对引入干扰观测器后的系统,利用Lyapunov稳定性原理逐步反演设计出动态面滑模变结构控制器,避免积分膨胀。考虑道路颠簸等随机干扰的影响,针对包含有汽车二自由度模型的电动助力转向系统进行仿真研究。仿真结果表明,该控制器对方向盘输出转矩在干扰作用下的输出稳定性很好,鲁棒性很强,同时在一定程度上也提高了系统的轻便性。     

模块化CC/CV变换器及其控制策略

为实现长期深海观测,并充分利用恒流输电海底观测网抵抗输电缆短路故障能力强,可靠性高,鲁棒性好等优点,设计并实现了海底观测网多模块恒流变换器。综合考虑系统体积、电能变换效率、可靠性以及输入输出电压和功率等级等多方面因素,提出采用推挽拓扑和输入串联输出并联的多模块堆叠结构的恒流转恒压电能变换系统(CC/CV)。针对恒流输电系统稳定性特性问题,分析设计用于功率补偿作用的功率平衡器,并对基于共占空比的功率平衡器控制策略进行研究。设计出在低频段具有高增益,在中频段具有足够相位裕量,在高频段能有效抑制高频干扰功能的补偿控制器以获得更佳的控制效果。在实验室环境下验证了CC/CV电能变换技术,测试结果验证了各模块间的兼容性和系统整体的可靠性,为今后研究和建设长期实用型的多节点恒流输电缆系海底观测网提供了理论依据和技术支持。     

模块化水下电动机械手设计与运动学分析

为了满足水下作业的多样性需求并提高水下机械手的通用性,对水下电动机械手进行模块化设计,机械手模块分为具有俯仰和腕转两个自由度的基本运动驱动模块和手爪模块,手爪模块采用旋转驱动凸轮机构实现。机械手模块设计实现了控制器内置和内部走线,并且选择适用于深海作业的元器件,不同模块的快速组合可以满足不同的作业需求。利用三个基本运动驱动模块和一个手爪模块搭建了七功能电动机械手,对七功能机械手进行了运动空间分析及运动学仿真。     

两自由度悬臂梁压电发电装置的宽频发电性能

研究一种两自由度悬臂梁压电发电装置,以提高悬臂梁式压电发电装置在环境振源振动频率波动情况下的发电能力。建立了两自由度悬臂梁压电发电装置的频率特性理论模型,并对该理论模型进行了有限元仿真验证,结果显示理论计算与有限元仿真结果基本一致。对两自由度悬臂梁压电发电装置的频率特性模型进行了数值模拟,模拟显示:装置的前两阶模态频率比随着长度比、宽度比、厚度比及质量块的质量比的增大均出现一个最小值,且在长度比为0.8,宽度比为2.0,厚度比为1.0,质量块的质量比为0.5时,装置的前两阶模态频率比最小,结果表明通过合理设计两自由度悬臂梁压电发电装置的结构参数,可以使得装置的前两阶模态频率最接近。最后,实例设计了两自由度悬臂梁压电发电装置,并进行了试验测试,证实了优化后的两自由度悬臂梁压电发电装置具有宽频带发电能力。     

智能水下机器人BP神经网络S面控制

针对智能水下机器人传统S面控制器参数设置过程依赖经验且设置不当将严重影响运动控制效果的问题,设计了BP神经网络S面控制器,由神经网络正向传播输出S面控制器参数,并在反向传播中实现参数的在线整定。采用某微小型智能水下机器人模型仿真实验的结果表明,该控制器能够自主完成控制参数初始化与调整,具有收敛速度快、超调与稳态误差小、干扰条件下能够迅速恢复稳定等优点,可以为实际工程中运动控制器设计提供参考。     

急件到达干扰下开放式车间重调度方法

针对开放式车间中突发的急件到达干扰,研究如何有效地执行扰后重新调度任务。基于匹配式调度策略探索扰后实施重调度的具体方法;为了形成四种可行的重调度实施方案,不仅兼顾了面向分离、连续空闲时间的两种重调度时域确定方式,还在约简式调度阶段设计了两种特效的启发式算法。仿真实验模拟了大量急件干扰下的重调度情景,并从完工期、急件的相对完工时间及序位相似性三方面分别设定了重调度绩效指标,进而对四种所提方案进行了同情景独立观测。实验结果显示,急件到达干扰越晚出现,所提重调度方案的整体应对效果越好;此外,通过统计分析不同实施方案所对应的观测结果,得出了若干有关扰后重调度方案选取的适用性建议。     

流干扰下的水下机械手动力学建模分析

研究了四功能深海电驱动机械手所受的水动力。以Morison公式为计算基础,利用拉格朗日方法,建立了流干扰下的水下机械手动力学模型。仿真研究了水阻力、浮力、定常流以及非定常流对水下机械手动力学的影响。结果表明,在各水动力影响因素中,浮力影响最大,流干扰次之,而水下机械手运动搅水引起的水动力甚微。     

基于LQG/LTR方法的分离式艉舵水下滑翔机运动控制仿真研究

基于水下滑翔机六自由度空间运动模型,研究了应用LQG/LTR方法的自动操纵控制方案,对分离式艉舵水下滑翔机在艏舵收回状态下的操纵控制算法进行仿真试验,通过数值仿真分析验证了所提出算法的有效性。     

浮动监控平台水动力学分析

浮动式监控装置是将主要设备放置于水上浮体之上,将监控设备通过绳索放入到水下实现水下监控,其具有成本低、使用范围广等优点。浮动式监控装置因在工作时要受到风、浪、流等自然载荷的作用,且具有横荡、纵荡、垂荡和横摇、纵摇以及艏摇6个自由度的运动形式,故平台的工作平稳性对于浮动监控平台的正常工作至关重要。通过浮动监控平台在波浪中运动的数学模型,近似计算出了浮动监控平台的横摇、纵摇及垂荡固有周期,并利用ANSYS中的AQWA模块对浮动监控平台进行了水动力学性能频域及时域的仿真分析。结果表明,设计的浮动监控平台在5级海况下能够抵抗各类自然载荷的干扰,并可靠平稳的实现水下监控。     

基于干扰观测器PID的水下绞车控制系统

针对海洋工况下坐底自升降式水下绞车深度难以实现精确控制的问题,提出了基于干扰观测器PID原理的水下绞车定深控制方法。根据水下绞车的机械结构和控制系统硬件组成,设计了基于干扰观测器的PID控制系统,并对传感器集成浮球的正弦定深控制和爬坡定深控制进行了Matlab仿真分析,以深度偏差平方作为评判标准,分析了常规PID和干扰观测器PID的控制效果。研究结果表明,与常规PID定深控制相比,基于干扰观测器的PID可以观测和抑制外界干扰对系统产生的影响,能够有效提高水下绞车定深控制的准确性。     

基于可旋转推进器的水下机器人运动控制研究

通过对水下机器人在运动过程中的受力以及力矩分析,水下机器人采用可旋转推进器,所以要实现六自由度的运动只需要4个推进器,采用推进器布局。建立了基于可旋转推进器的水下机器人六自由度运动方程,并有针对性的对六自由度运动方程进行了简化。水下机器人运动控制的分析离不开动力学模型,所以对其进行受力和力矩分析是必要的。在简化的运动方程的基础上设计了运动控制系统,并使用Matlab对其进行仿真验证。