基于VxWorks的嵌入式动力定位控制器的设计与实现

论文摘要

海洋开发离不开船舶或海洋平台的发展,而动力定位技术作为其关键技术,开始受到越来越多人的重视。伴随着动力定位技术的发展,人们对于动力定位控制器的要求越来越高。采用性能优越、体积小、功耗低的控制器成为当今动力定位开发的热点之一。以往的动力定位控制器大多采用工控机来实现,虽然性能较好,但其存在体积大、功耗高的缺点,不满足动力定位技术的发展需要。国外动力定位技术已相对成熟,各大动力定位厂商和研究机构推陈出新开发了许多功能强大的动力定位系统,其核心动力定位控制器也出现了很多新特点。挪威的KONGSBERG公司率先将嵌入式软硬件技术与动力定位技术相融合,大大改善了控制器的性能,很好的解决工控机存在的问题。在借鉴了国外动力定位开发的经验基础上,本文研究了基于基于ARM的嵌入式动力定位控制器,主要工作内容如下首先,针对动力定位系统的实际需要,围绕AT91RM9200处理器进行了硬件电路的开发,包括FLASH、SDRAM、DA以及调试接口等电路的开发,并完成了硬件设备的调试；其次,考虑到动力定位系统要求有很强的实时性,而要保证这点单靠硬件是很难实现的,需要借助实时操作系统的支持,故选用VxWorks操作系统作为动力定位控制器程序运行的软件平台,研究了基于AT91RM9200处理器的VxWorks移植,主要包括交叉环境的建立、预内核初始化编写以及时钟、中断、I/O和DA驱动程序的开发等。再次,为了验证所设计的嵌入式动力定位控制器的性能,建立了水面船舶的三自由度模型,并加入了风、浪和海流等外界环境干扰；此外,还研究了神经网络PID算法,通过神经网络的自学习动态调整PID参数,实现对船舶控制；最后,在VxWorks操作系统之上,完成了动力定位控制器应用程序的开发。通过PC机与ARM板搭建了系统的半实物仿真平台,在PC机上运行水面船舶的三自由度模型,AT91RM9200处理器上采用神经网络PID算法实现对水面船舶的艏向控制。试验在没加入环境干扰和加入环境干扰的情况下进行,分别试验了动力定位控制器对船舶艏向的控制情况。结果表明：本文所设计的嵌入式动力定位控制器不仅性能好、功耗低,而且采用神经网络PID算法对水面船舶艏向控制具有响应速度快、稳定性好、超调量小等优点,能够满足动力定位系统控制要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本章引言
• 1.2 动力定位控制器的发展
• 1.2.1 动力定位控制器硬件技术的发展现状
• 1.2.2 动力定位控制器软件技术的发展现状
• 1.3 嵌入式系统
• 1.3.1 嵌入式系统的组成
• 1.3.2 嵌入式处理器
• 1.3.3 嵌入式操作系统
• 1.4 本文的主要内容
• 第2章 嵌入式动力定位控制器的硬件平台开发
• 2.1 嵌入式处理器的选择
• 2.2 基于AT91RM9200的硬件方案
• 2.2.1 系统供电电路设计
• 2.2.2 时钟电路的设计
• 2.2.3 复位电路设计
• 2.2.4 存储单元电路设计
• 2.2.5 控制单元电路设计
• 2.2.6 调试单元电路设计
• 2.3 硬件电路的调试
• 2.4 本章小结
• 第3章 嵌入式动力定位控制器的软件平台开发
• 3.1 实时操作系统的选择
• 3.2 VxWorks的BSP开发
• 3.2.1 板级支持包简介
• 3.2.2 VxWorks启动过程分析
• 3.2.3 BSP的编写步骤
• 3.3 基于AT91RM9200的VxWorks BSP移植
• 3.3.1 预内核初始化代码的编写
• 3.3.2 VxWorks下驱动程序的编写
• 3.4 系统调试
• 3.5 本章小结
• 第4章 嵌入式动力定位系统中船舶模型的建立
• 4.1 符号表示及参考系
• 4.2 三自由度水面船舶模型
• 4.3 环境干扰力模型
• 4.4 船舶模型的仿真验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 神经网络PID控制与仿真试验
• 5.1 神经网络基础
• 5.1.1 单神经元模型
• 5.1.2 神经网络的互连模式
• 5.1.3 神经网络的学习规则
• 5.1.4 误差反向传播神经网络
• 5.2 基于神经网络的PID控制
• 5.3 动力定位控制器仿真试验
• 5.4 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