海洋工程水下自主航行器控制系统软件设计(附件)【字数:11518】
摘 要摘 要水下自主航行器(AUV)是一种先进的水下航行器或探测器,能够在水下实现自主航行,探测和采集工作。随着人们对海洋开发的日益深入,现阶段人们对自主水下机器人AUV 的使用向着远程、深海、多功能和集群作业的方向发展,对AUV 提出了更高的要求。但是目前 AUV 在自主决策、自主规划、故障诊断等自主能力方面发展仍不成熟。为了确保 AUV 在复杂、未知的海洋环境中能够安全高效地完成任务,实时显示 AUV 系统的当前状态及时地下达水面控制命令,从而弥补 AUV在自主航行能力上的不足,开发 AUV 水面监控软件平台是必不可少的。本文针对自主式水下航行器试验平台及其实际应用需求,设计了基于Visual studio2012开发平台,运用Visual C#.NET的Windows窗体应用程序开发了一套通信稳定可靠,操作简单便捷水面监控软件。本论文设计的水面监控软件主要由以下几部分组成水底影像采集显示模块用于对AUV水底航行状况做直观的监控;航迹与路径显示模块用于对AUV实际航行轨迹进行实时反馈;设备参数采集模块用于监控AUV在水下航行时的设备工作状态以及AUV实际地理参数的测量;控制模块用于对AUV发送任务规划指令,控制AUV的实际航行方向、速度和深度等。此外,还对水面监控系统的硬件进行了选型设计,考虑到AUV的特殊工作环境,选用了无线数传电台和卫星通信设备的水面通信硬件。本文最后还对所设计的水面监控软件的部分功能进行模拟实验,实验效果很好。关键字水下自主航行器、水面监控软件、无线通信、Visual C#
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的背景及意义 1
1.2 国内外的研究现状 2
1.2.2 国外研究现状 2
1.2.3 国内研究现状 3
1.3 本文的主要研究工作 5
第二章 水下自主航行器的总体设计 6
2.1 水下自主航行器的机械结构原理 6
2.2 水下自主航行器的控制系统总体设计 6
2.2.1 水下自主航行器的控制系统功能结构设计 6
2.2.2 水下自主航行器的导航系统设计 7
2.2.3 水下自主航行器的通信系统设计 8
第三章 水面监控系统的 style="display:inline-block;width:630px;height:85px" data-ad-client="ca-pub-6529562764548102" data-ad-slot="6284556726"> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({ });
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的背景及意义 1
1.2 国内外的研究现状 2
1.2.2 国外研究现状 2
1.2.3 国内研究现状 3
1.3 本文的主要研究工作 5
第二章 水下自主航行器的总体设计 6
2.1 水下自主航行器的机械结构原理 6
2.2 水下自主航行器的控制系统总体设计 6
2.2.1 水下自主航行器的控制系统功能结构设计 6
2.2.2 水下自主航行器的导航系统设计 7
2.2.3 水下自主航行器的通信系统设计 8
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硬件设计 9
3.1 水面通信系统的功能描述 9
3.2 无线通信设备选型设计选型 9
3.3 卫星通讯设备的设计选型 11
第四章 水面监控系统的软件设计 12
4.1 水面监控系统软件的开发环境 12
4.1.1 开发环境概述 12
4.1.2 C#语言概述 12
4.1.3 Viusal C#编程常用控件 12
4.1.4 对话框 14
4.1.5 GDI+编程 15
4.2 水面监控系统的软件功能需求分析 16
4.3 水面监控软件的具体实现 17
4.3.1 水面监控系统软件的用户界面设计 17
4.3.2 水面监控系统的软件框架结构 18
4.3.3 水面监控系统的模块功能设计 19
第五章 模拟实验 23
5.1 水面监控软件的模拟实验硬件 23
5.2 水面监控软件的实时速度采集模块实验 23
5.3 水面监控软件的AUV设备工作状态检测实验 24
5.4 水面监控软件的视频图像捕获模块实验 25
结论 26
致谢 27
第一章 绪论
课题的背景及意义
中国幅员辽阔,海岸线长达一万八千多公里,海洋资源非常丰富,已探明的石油资源量和天然气资源量巨大,中国管辖海域内有海洋渔场280万平方公里。虽然我国海洋资源十分丰富,但开发利用的程度很低。人类文明经过多年的发展带来了各种问题,人类赖以生存的陆地生存资源已开始出现颓势。占地球表面积高达四分之三的海洋,拥有着无比广阔的开发前景,未来人类将在此“平台”上大做文章。面对自然,人类的智慧在于会制造工具去更好地了解和利用自然,随着机器人技术的高速发展,自主水下航行器已经作为海洋资源开发的一个重要的依托手段[1]。由于海底地貌复杂,自然条件苛刻,工作环境的危险指数较高,各国对水下航行器的使用越来越广泛。到目前,自主水下航行器已广泛应用于海洋研究,如水下资源勘探、海洋测绘、海底的残骸打捞、海洋工程测量、大坝安全检查等等。
无人水下航行器一般可分为两种,一种是遥控式无人水下航行器(ROV,全称是 Remotelyoperated vehicle),一种是自主式无人水下航行器(AUV,全称是Autonomous underwater vehicle,简称AUV)[2]。ROV发展较早,它是需要连接电缆实现水下的遥控操纵和相关航行任务,可以完成复杂、长期的水下作业任务,但是因为自身结构限制,ROV的航程有限,并且隐蔽性不强,可操纵的范围较小。AUV具有控制范围大、机动性好、隐蔽性好、智能化程度高等特点,所以,近些年来,无论是在民用领域还是军事领域,AUV逐渐成为各海洋大国争相研究的重点项目。
当今无人自主水下航行器正向着增强航行器的自主性、可持续性和综合性的方向发展。已探明的海域的深度多数在六千米以上,国际上一般把深度在一千米以上的海域称为深海,所以未来海洋技术向深海发展是必然趋势[3]。发展可以适应深海和远程运行的水下自主航行器已成为各国的主要研究课题。世界上各个科技强国已经研制出具备一定自主操纵能力的水下自主航行器,但是,海域的工作条件变量较多,环境复杂,当前的水下机器人因为智能化程度不够高以至于还不能完全胜任在不同海域条件下的工作任务。经后的AUV科研活动将朝着提升水下航行器的独立工作能力和智能化水平,增强其自适应能力等方面做出更多努力。总之,AUV的研究是一个非常活跃、具有广泛的应用前景的科研领域。
国内外的研究现状
国外研究现状
20世纪80年代至今,AUV技术有了很大发展,目前,世界上有多个国家已处于国际领先地位。数百种不同的水下机器人已经被设计在过去的50年左右,
1993年WHOI研究所研制的一种自主式深海探测器,这种探测器能够根据预设的任务规划,对目标区域进行定点航行,同时通过水下摄像机采集视频和图像信息,并进行半自主的测量和采集工作。
美国军方研发了一款名为“蓝鳍金枪鱼21型”AUV,长16.2英尺,直径533毫米,最大航速8.3公里每小时,深度4500米[4],可参见图11。具有可更换换的负载和电池组件,这允许其在任务下达后完成快速部署。它具有模块化设计,适合于不同的深海任务,包括海上资源调查,海上打捞探测,海洋考古调查,海洋学研究,反水雷和检测未爆弹药等。蓝鳍金枪鱼21型AUV装有9个锂聚合物电池,每台额定在1.5千瓦小时(5.4兆焦耳)供电。值得一提的是,2014年4月,该型AUV参与搜索了寻找失踪马来西亚航空公司MH370飞机的失事残骸。
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