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系統識別號 U0026-2008201914560900
論文名稱(中文) 俱備雙壓載水櫃之水下載具系統設計及模糊理論於浮潛之應用
論文名稱(英文) System Design of Underwater Vehicle with Dual Ballast Tanks and the Application of Fuzzy Theorem in Dive Movement
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 系統及船舶機電工程學系
系所名稱(英) Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering
學年度 107
學期 2
出版年 108
研究生(中文) 傅政凱
研究生(英文) Cheng-Kai Fu
學號 P16061059
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 67頁
口試委員 口試委員-邵維陽
口試委員-林正文
口試委員-吳炳承
指導教授-林忠宏
中文關鍵字 水下載具  模糊理論  雙壓載水櫃系統 
英文關鍵字 Autonomous underwater vheicle  Fuzzy Theorem  Dual-ballast system 
學科別分類
中文摘要 本論文目的為設計出具有四自由度的自主型水下無人載具,載具在縱移(surge)由後段的直流馬達與船外機螺槳所做成的推進系統達成,並以舵翼(rudder)控制偏擺(yaw),在浮潛(heave)和俯仰(pitch)方向則是捨棄以往的單水櫃及螺桿俯仰系統,改由前、後壓載水櫃來進行控制。
載具外型採用類似魚雷的外型以減少阻力,而為了使載具模組化,以利替換及擴充,吾人將載具分成前段、中段、後段共三段,前段由空心鋁合金整流罩及前壓載水櫃所組成,內部放有壓力傳感器來量測深度;中段則為載具電控零件及電池所在,負責控制載具所有運作功能;後段為後壓載水櫃以及艉段,艉段內含有推進系統及轉向系統。
在電控架構上,吾人使用嵌入式電腦作為計算載具運動指令的控制器,並使用無線網路通訊直接對水面上的載具下達控制指令和掌握載具儲存的訊息,而藉由慣性感測元件和壓力傳感器量測的載具姿態與深度,會傳回電腦以PID控制器或模糊控制器計算輸出結果,最後由微控制器將計算結果轉化為脈波訊號(PPS)和脈衝寬度調變訊號(PWM)傳送給致動器(actuator)做動。
本研究於拖航水槽進行浮潛實驗,分別以PID及模糊控制器來控制雙水櫃系統,記錄下實驗結果來比較兩控制器之優缺點以及驗證雙水櫃系統的可行性。
英文摘要 This paper presents the system design of autonomous underwater vehicle(AUV) with dual ballast system and the application of fuzzy theorem on dive movement. The vehicle have four degree-of-freedom which is accomplished by using propulsion system consisted of DC motor and propeller for surge, rudder-turning system for yaw, forward and after ballast tanks for heave and pitch movement.
The shape of AUV is deployed similar structure of torpedo which reduces the drag force in maneuvering. To modularize the vehicle for future expanding or reassembly, we design it into three part- fwd, mid and aft part. Fwd part is consisted of alumni cover and forward ballast tank which install pressure transducer to measure temperature;Mid part locates most of the AUV’s electric device and responses for vehicle control;Aft part contains aft ballast tank and stern part where propulsion and turning system are.
In the design of electric and control system, we apply the embedded computer as the motion controller of AUV and use Wi-fi module to command the vehicle’s mission target. The control system firstly read the attitude and depth of AUV from inertia measurement unit and pressure transducer, which will be transmitted to the embedded computer for PID or Fuzzy controller computation. Then computer send the computed output to the microcontroller which transforms the output into PPS or PWM signal for driving actuator.
The experiment of AUV system and control is tested in towing tank, NCKU. The experiment compares the results of dual ballast system’s dive movement by using PID and Fuzzy controller, then discuss the advantage of controllers and evaluate the capability of dual ballast system.
論文目次 摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 VI
目錄 VII
表目錄 XI
圖目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1 可變浮力系統 2
1.2.2 載具外型 4
1.2.3 載具控制系統 7
1.3 論文架構 8
第二章 載具運動系統規劃與設計 9
2.1 載具模組化設計 9
2.2 載具起伏及俯仰運動系統設計 10
2.3 縱移及橫擺系統設計 15
2.3.1 縱移系統設計 15
2.3.2 偏擺系統設計 17
第三章 載具電控系統規劃 20
3.1 感測器與通訊系統 20
3.1.1 壓力傳感器 20
3.1.2 慣性量測元件 21
3.1.3 磁性極限開關 22
3.1.4 無線通訊設備 23
3.2 動力及控制系統 24
3.2.1 動力系統 24
3.2.1.1 水櫃系統-步進馬達 24
3.2.1.2 推進系統-直流馬達 26
3.2.1.3 轉向系統-伺服馬達 27
3.2.2 控制系統 28
3.2.2.1 主控制器 28
3.2.2.2 微控制器 29
3.3 電力系統 32
第四章 運動控制器設計 34
4.1 模糊控制理論 34
4.1.1 模糊理論概念 34
4.1.2 模糊控制系統架構 37
4.1.2.1 模糊化 37
4.1.2.2 模糊推論 38
4.1.2.3 解模糊化 38
4.1.3 模糊控制器應用 39
4.2 PID控制器 44
4.2.1 數學模型 44
4.2.1.1 座標系統 44
4.2.1.2 動態方程式 45
4.2.2 控制器設計 48
4.2.2.1 系統線性及開路轉移函數 49
4.2.2.2 系統開路轉移函數 50
4.2.2.3 控制參數選擇 51
4.2.2.4 輸出方程式 54
第五章 系統整合及試驗結果 55
5.1 系統整合 55
5.2 浮潛實驗 58
5.2.1 浮潛運動控制流程圖 58
5.2.2 壓力傳感器及載具終端速度測試 59
5.2.2.1 壓力傳感器校正 59
5.2.2.2 載具終端速度測試 60
5.3 載具浮潛運動實驗 60
5.3.1 不同歸屬函數之模糊控制器結果 61
5.3.2 PD控制器與模糊控制器結果之比較 61
5.3.3 修正模糊控制器之結果 63
5.3.4 雙水櫃系統與單水櫃系統之比較 64
第六章 結論與未來展望 65
6.1 結論 65
6.2 未來展望 65
參考文獻 66
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