基于CAN总线的AUV分布式控制系统设计与实现

论文摘要

21世纪是人类进军海洋的时代，随着世界各国经济和军事发展的不断需求，海洋资源开发和海洋能源利用已成为世界新科技革命的主要领域之一，其中海洋资源探测与水下作业关键技术成为了各国不遗余力进行研究的主要对象。AUV作为水下探测的主要工具，在海底地形地貌探测、海洋资源开发、海洋工程建设、海洋科学探索以及维护国家海洋权益等诸多方面发挥着极其重要的作用。本文提出了一种基于CAN总线的AUV分布式控制系统，结合CAN现场总线分布式控制的特点，依照模块划分原则，将整个AUV控制系统分为一系列功能独立、结构相同的功能模块，各个功能模块通过CAN节点组成整个控制系统的通信网络，统一受主控制单元工控机的调度和指挥，这种集中管理、分散控制的主从式模块结构大大增强了系统的可靠性和扩展性。在本论文中，首先介绍了AUV控制系统的研究背景，然后给出了整个AUV的硬件组成，在此基础上设计AUV控制系统的通信方式、网络结构，对CAN总线做了一简单阐述，将各个工作设备进行功能划分，然后一一介绍它们的软硬件设计方案，重点解决了电源管理单元的设计，之后简单列举了实验情况，最后是总结和展望。为了验文中方案的正确性和可靠性，我们进行了一系列的实验，从各个功能模块的单独测试到装机后的整体实验，从陆上测试到水池实验，从浅海测试到深海实验，均取得了较为理想的效果，这些都充分说明了这种基于CAN总线的AUV分布式控制系统方案是可行的，这种基于CAN总线的AUV分布式控制系统的设计为以后更深入的研究海洋探测平台奠定了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水下机器人综述
• 1.2.1 水下机器人的发展过程
• 1.2.2 AUV 国内外研究现状
• 1.2.3 AUV 的发展趋势
• 1.3 AUV 控制系统发展现状
• 1.4 本课题的研究背景和意义
• 1.5 本论文的主要工作
• 2 基于 CAN 总线的 AUV 控制系统设计
• 2.1 CAN 现场总线介绍
• 2.1.1 CAN 总线特点
• 2.1.2 CAN 总线协议
• 2.2 AUV 控制系统架构及工作过程
• 2.3 AUV 通信系统设计
• 2.3.1 分布式控制方式的选择
• 2.3.2 网络拓扑结构的选择
• 2.3.3 AUV 通信方式选择
• 2.4 本章小结
• 3 基于 CAN 总线的 AUV 控制系统硬件设计
• 3.1 基于 CAN 总线的控制系统总体设计
• 3.2 CAN 总线节点设计
• 3.2.1 CAN 总线节点组成结构
• 3.2.2 CAN 总线节点器件选择
• 3.2.3 CAN 总线节点电路设计
• 3.3 主控模块选型
• 3.4 运动驱动系统设计
• 3.4.1 推进器设计
• 3.4.2 推进器控制电路设计
• 3.5 信息采集模块设计
• 3.5.1 声纳信号采集
• 3.5.2 视觉信息采集模块设计
• 3.5.3 基础传感器组件
• 3.6 AUV 电源供给和管理
• 3.6.1 系统的电能分配
• 3.6.2 电源管理系统设计
• 3.7 本章小结
• 4 控制系统软件设计
• 4.1 编程环境及语言的选择
• 4.2 系统主控程序设计
• 4.2.1 主控通信协议的定义
• 4.2.2 主控通信流程
• 4.3 CAN 节点通信程序设计
• 4.3.1 CAN 节点初始化程序
• 4.3.2 发送程序
• 4.3.3 接收程序
• 4.4 AUV 控制系统自主导航软件设计
• 4.5 本章小结
• 5 实验测试与验证
• 5.1 AUV 无水状态下实验
• 5.2 水池实验
• 5.3 海洋实验
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文