基于STM32的浮标及其定日光伏控制系统设计

为了提高海洋浮标对太阳能的利用率而设计了一种定日光伏系统的控制方案,采用STM32嵌入式单片机作为控制核心,结合浮标的特制外形,其太阳能电池板能够始终向着太阳转动,最大限度地为浮标进行供电。所述的浮标特制外形由带有对称肋板的浮标体和透明保护罩组成,提高了浮标的抗变形能力,减弱了太阳能电池板转动引起的反转及左右摇摆趋势。该系统经试验及仿真分析,达到预期目标,运行稳定可靠,有良好的推广应用价值。     

基于单片机的海洋环境监测系统的控制电路设计

设计并实现了一种基于C8051F340单片机的节能型自治式多功能海洋环境监测系统的控制电路.该电路利用模块化设计方法,通过合理选用器件和设计器件的工作模式,使控制电路具有低功耗、高可靠的特点.实验表明,该控制电路实现了潜标式主浮体对浮标式搭载平台的实时控制,同时实现了浮标搭载平台单向下潜、定点测量、自由上浮、自动避碰等状态的控制,方法简单新颖,实现了对海洋要素的长期连续观测.     

光学浮标控制系统硬件设计

以光学浮标为控制对象, 以工作稳定、低功耗为目的, 设计海上工作控制硬件。采用嵌入式PC/104 CPU主板和以单片机为核心多功能板组合, 由PC/104 CPU主板完成采集数据、保存数据、通讯等工作, 多功能板实现计数、I/O控制、A/D转换、定时等功能。单片机结合日历时钟和电源总开关组成二级“看门狗”, 实现了海洋光学浮标控制系统无人值守、全天候、全过程独立工作。     

浙江海洋浮标监测数据质量控制体系设计

准确有效的数据是开展各项海洋科学研究的基础和前提。与传统采样监测流程不同,海洋浮标在线监测从样品采集到数据结果完全实现自动化,数据质量控制的重点也不再聚焦于样品采集和分析测试阶段。文章选用浙江近年的浮标监测数据,结合浮标监测特点,从浮体稳定性、仪器设备校准、系统运行维护、数据传输接收、比对监测和异常值判定等关键环节,对浙江近岸海洋浮标监测数据质量控制体系进行设计,重点聚焦异常值判定和比对监测;建立质量控制方法库,提出浮标数据质量控制的有效、可信和相对准确3个层级的异常值判定规则,具有首创性,其中第一层为去除明显的故障值、异常值和离群值等无效数据后得到的有效数据集,第二层是经方法库选取合适的质控方法处理后得到的可信数据集,第三层是根据现场比对监测结果验证后的相对准确数据集。以浙江海洋浮标监测数据为基础提出的浮标监测数据质量控制体系的设计思路和方法,将有助于整体提升浙江近岸海域浮标在线监测数据质量,可为全国海洋浮标监测数据质量控制以及相关数据质量控制提供参考。     

基于北斗通信的海洋多要素观测系统设计

以低功耗、多参数、安全可靠为设计目标,提出一种基于北斗卫星通信的海洋多要素观测系统设计。设计以嵌入式微控制器STM32F103RET6为核心,实现以漂流浮标为载体的海洋环境噪声测量,同时实现对海洋气温、气压、风速、风向及表层海温的多要素观测;以可充电锂电池组和太阳能电池板组合方式供电,同时进行必要的电源管理,有效提高漂流浮标的工作寿命;采用我国自主知识产权的北斗系统进行定位及双向通信,安全性高。实验表明,基于北斗通信的海洋多要素观测系统设计具有可行性,满足低功耗、多参数、安全可靠的设计要求,为以表面漂流浮标为载体的海洋多要素数据采集控制提供新的硬件设计方法。     

国内海洋浮标监测系统研究概况

文章介绍了国内海洋浮标监测系统的类型、系统组成、监测资料的质量控制和应用概况。将国内常见的海洋浮标监测系统划分为８个类型。监测系统通常由浮标系统、锚泊系统和岸站系统３部分组成,其中浮标系统通常包括浮体、标架、供电设备、防护设备和各类传感器等。近年来研制开发集水文气象水质生物监测于一体的多参数海洋自动监测浮标系统是一个重点,但已有浮标系统监测资料的质量控制和应用还有待进一步研究。     

基于串行通信的传感器自动识别与通用型浮标数据采集系统设计

海洋资料浮标以其多种功能和连续探测能力成为现代海洋观测的重要工具。海洋浮标传感器种类多、通信协议差异性大,为浮标数据采集系统提出了集成应用需求多样、平均开发周期长的问题。本实验设计并实现了基于串行通信波特率特征判别传感器的通用型海洋浮标数据采集系统。系统基于串行通信接口,通过对波特率的自动识别,对多种不同海洋参数传感器的通信特点进行比对分析,从而将传感器进行分类识别,实现外载传感器的自动识别功能;通过IAP设计,实现系统的拓展。最后,通过实验室的原型试验进行技术路线可行性验证。结果表明,系统能够在数秒内快速无误识别信息库中传感器,可以通过分包方式满足远程更新需求。     

一种用于海洋综合观测浮标的多种通信方式集成系统

为了优化海洋综合观测浮标的通信系统,设计了一种通信方式集成系统,将多种通信模块进行集成管理,并在每个数据发送周期进行通信信号检测,经过比较选择最优的通信方式进行数据传输。该系统具有采集数据完整、数据冗余小、运行功耗低等优点,有效增强了浮标的通信能力,完善了原有通信系统的功能,并且后期还具备较强的可扩展性功能,如浮标舱内环境监测和独立定位等,进一步增强浮标的安全性。该系统已经完成12个月的海上试运行,系统运行稳定,功能达到预期,可满足海洋综合观测浮标对多种通信方式进行优化管理的需求。     

浙江省海洋水质监测浮标设计与实现

作为一种高技术监测手段,海洋浮标可实现现场自动监测而不受恶劣海况的影响,近年来得到了广泛的重视和快速发展。文中介绍了浙江近岸海域海洋水质监测浮标的结构设计和自动监测实现。浮标设计为生态浮标、海滨浮标和专项浮标3种类型,由浮体、标架、供电设备、防护设备、锚系、传感器、数据采集传输、电子/电池舱、岸站接收系统等9个部分组成。浮体设计为圆饼形,浮体下方正中安装稳定锤以保证具备足够的稳定性。供电设备由太阳能电池板、大容量蓄电池组成,可保障海上30 d连续阴雨天气、恶劣海况下的不间断供电。浮标经喷防污漆、牺牲阳极保护、裹铜皮、加过滤网和人工清除等5种方法防腐、防污处理后投放入海,采用常规维护、应急维护和年度维护等3种方式保障浮标系统运行稳定。投放后可实现对标浮所在海域水质、气象、生态等参数的连续、实时、自动监测。最后对浮体直径设计和浮标投放点选址提出了建议和要求。该设计可为其它类似区域的水质监控提供良好的参考。     

一种浅海锚泊测流浮标系统的实验

早在五十年代,海洋科技工作者已开始利用浮标布设海洋调查仪器,进行海上观测的试验工作。目前被采用的浮标系统,大体有三种类型:(1)锚泊浮标系统,利用各类自含式海洋调査仪器进行测量,定期收回资料;(2)遥测浮标系统,利用无线电遥控和收发各种海洋观测数据;(3)漂移浮标系统,利用浮标本身的漂移,进行海流和其他要素的观测。本文主要介绍浅海锚泊浮标系统的设计和使用情况。 对锚泊浮标系统的研究和实验,许多国家已做了大量有成效的工作。目前关于浮标的设计和锚泊方法尚无統一意见,但是可以看出,大多趋向于采用水下浮标张缆锚泊。这种方法使得浮标系统比起遥测浮标系统来,较为轻小、经济、方便,适合于进行多站同步观测。国外在海洋调查中经常利用这种系统作较长期的海流观测。 我所在六十年代初就已开始了锚泊浮标系统的研究、实验,1964年进行了新的研究设计工作,并在“全国海洋仪器会战”期间,完成了整套系统的计算设计与海上实验,经过鉴定,建议作小批量生产。 近年来,国家海洋局第一海洋研究所、中国科学院南海海洋研究所利用该浮标系统作过多次海上试用,取得了海流长期观测资料,初步考验了该系统的性能。我们最近又对某些部件作了一定的改进,并进行了海上实验。但是,实验也表明:此方法不宜在渔场区和台风盛行季节使用,因易被渔网拖损和丢失。现综合报告如下。     

全姿态水下移动平台模式切换姿态控制研究

为了适应复杂海洋环境中多样性的观探测任务需求,本文提出了一种融合Argo浮标、水下滑翔机（Glider）和自治式水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle,AUV） 3种工作模式的全姿态水下移动平台（All-attitude Multimode Underwater Vehicle,AMUV）。首先,基于3种水下移动平台的工作原理,建立了AMUV的六自由度动力学模型;然后,针对动力学模型中的非线性耦合特性及模式切换过程中的驱动位形变化等问题,基于比例、积分、微分控制器（Proportional Integral Derivative,PID）与模糊控制概念,设计了不依赖于数学模型的自适应模糊PID姿态控制器,实现了AMUV多模式切换过程中的姿态控制;最后,开展多模式切换控制仿真实验,将自适应模糊PID控制器与传统PID控制器仿真结果进行对比,并设计了全模式任务工况,仿真结果表明,本文提出的控制器能够精确和稳定地控制AMUV进行多种工作模式的相互切换。     

堤坝检测水下机器人模糊自适应控制方法研究

GDROV是用于堤坝探测的水下机器人,设计上属于开架式机器人,其精确的数学模型很难获得.采用基于模糊逻辑的直接自适应控制方法,利用模糊基函数网络逼近理想控制输出,通过模糊逻辑动态调整控制器的参数自适应律,可有效解决水下机器人控制问题.建立GDROV的水动力模型,给出基于模糊逻辑的直接自适应控制算法,最后通过仿真试验和外场试验验证了该控制器对模型的不确定性具有较强的鲁棒性,且具有良好的跟踪性能.     

Adaptive fuzzy controller design for dynamic positioning system of vessels

This paper develops an adaptive fuzzy controller for the dynamic positioning (DP) system of vessels with unknown dynamic model parameters and unknown time-varying environmental disturbances. The controller is designed by combining the adaptive fuzzy system with the vectorial backstepping method. An adaptive fuzzy system is employed to approximate the uncertain term induced by unknown dynamic model parameters and unknown time-varying environmental disturbances. It is theoretically proved that the proposed adaptive fuzzy DP controller can make the vessel be maintained at the desired values of its position and heading with arbitrary accuracy, while guaranteeing the uniform ultimate boundedness of all signals in the closed-loop DP control system of vessels. Simulation studies with comparisons on a supply vessel are carried out, and the results illustrate the effectiveness of the proposed control scheme.     

船舶动力定位系统的预测模糊控制

在船舶动力定位中采用预测模糊控制策略,即通过自校正滤波与Ｋａｌｍ ａｎ 滤波得到系统低频运动位置偏差与相应速度的预测值作为模糊控制器的输入,以实现对其在水平面内的运动控制。因为基于系统模型的滤波器输出最终是经模糊化后输入至模糊控制器的,于是可大大降低对系统建模的精度要求,控制器本身具有强的鲁棒性。仿真结果说明了该策略的可行性及良好的控制性能。     

Design of a sliding mode fuzzy controller for the guidance and control of an autonomous underwater vehicle

This work demonstrates the feasibility of applying a sliding mode fuzzy controller to motion control and line of sight guidance of an autonomous underwater vehicle. The design method of the sliding mode fuzzy controller offers a systematical means of constructing a set of shrinking-span and dilating-span membership functions for the controller. Stability and robustness of the control system are guaranteed by properly selecting the shrinking and dilating factors of the fuzzy membership functions. Control parameters selected for a testbed vehicle, AUV-HM1, are evaluated through tank and field experiments. Experimental results indicate the effectiveness of the proposed controller in dealing with model uncertainties, non-linearities of the vehicle dynamics, and environmental disturbances caused by ocean currents and waves.     

An assessment of fuzzy logic vessel path control

A fuzzy logic controller for ship path control in restricted waters is developed and evaluated. The controller uses inputs of heading, yaw rate, and lateral offset from the nominal track to produce a commanded rudder angle. Input variable fuzzification, fuzzy associative memory rules, and output set defuzzification are described. Two maneuvering situations are evaluated: track keeping along a specified path where linearized regulator control is valid; and larger maneuvers onto a specified path where nonlinear modeling and control are required. For the track keeping assessment, the controller is benchmarked against a conventional linear quadratic Gaussian (LQG) optimal controller and Kalman filter control system. The Kalman filter is used to produce the input state variable estimates for the fuzzy controller as well. An initial startup transient and regulator control performance with an external hydrodynamic disturbance are evaluated using linear model simulations of a crude oil tanker. A fully nonlinear maneuvering model for a smaller product tanker is used to assess the larger maneuvers     

大深度载人潜水器低速大漂角模糊滑模航向控制研究

通过模型试验测量大深度载人潜水器低速大漂角运动时所受到的非线性水动力。基于一种新的模糊滑模控制策略,为潜水器设计了鲁棒航向控制器。在不同的漂角子区间内分别设计局部镇定的滑模控制器,然后通过Takagi-Sugeno模糊推理系统将它们光滑连接,得到模糊滑模控制。仿真计算结果充分显示了该控制策略的有效性。     

Expanded adaptive fuzzy sliding mode controller using expert knowledge and fuzzy basis function expansion for UFV depth control

Generally, the underwater flight vehicle (UFV) depth control system operates with the following problems: it is a multi-input multi-output (MIMO) system, it requires robustness, a continuous control input, and further, it has the speed dependency of controller parameters. To solve these problems, an expanded adaptive fuzzy sliding mode controller (EAFSMC), which is based on the decomposition method designed by using an expert knowledge and the decoupled sub-controllers and composition method designed by using the fuzzy basis function expansions (FBFEs), is proposed. To verify the performance of the EAFSMC, the depth control of UFV in various operating conditions is performed. Simulation results show that the EAFSMC solves all problems experienced in the UFV depth control system online.     

半潜平台浮子式系泊系统参数优化研究

通过在系泊缆中设置浮子可以改善系泊系统性能,降低平台运动响应。建立浮子式系泊系统的数值计算模型,验证浮子式系泊系统数值计算方法,详细分析浮子设计参数(设置位置和净浮力大小)变化对系泊缆张力特性与平台运动的影响规律,并根据得到的规律选择了优化的浮子系泊系统方案。最后对优化方案进行评估,表明优化方案可以显著降低系泊中的平台水平运动,尤其是低频运动,同时系泊缆张力变化不大,仍满足安全要求。研究结果可为今后浮子式系泊系统设计提供参考。     

Robust optimal output tracking control of a midwater trawl system based on T-S fuzzy nonlinear model

A robust optimal output tracking control method for a midwater trawl system is investigated based on T-S fuzzy nonlinear model.A simplified nonlinear mathematical model is first employed to represent a midwater trawl system,and then a T-S fuzzy model is adopted to approximate the nonlinear system.Since the strong nonlinearities and the external disturbance of the trawling system,a mixed H 2 /H ∞ fuzzy output tracking control strategy via T-S fuzzy system is proposed to regulate the trawl depth to follow a desired trajectory.The trawl depth can be regulated by adjusting the winch velocity automatically and the tracking error can be minimized according to the robust optimal criterion.In order to validate the proposed control method,a computer simulation is conducted.The simulation results indicate that the proposed fuzzy robust optimal controller make the trawl net rapidly follow the desired trajectory under the model uncertainties and the external disturbance caused by wave and current.