作品包括

Word版设计说明书1份，共57页，约17000字

CAD版本图纸，共1张

摘要

水面水下无人艇可以依靠自身的动力源在水下自由运动，是一类可以替代人类在水下作业的一种先进的机器，它融合了机械与电子技术。水下无人艇设计的 4 个模块功能，可以分别实现水下无人艇的航向偏转控制、沉浮控制、横滚控制和螺旋桨推进器的控制，可以满足无人艇在水下和水面的基本运动要求。基于以上的分析，本文对水面水下无人艇的控制系统进行了软硬件设计和仿真。

基于水面水下无人艇国内外的发展状况及其未来发展趋势，根据水面水下无人艇在水下航行控制的需求，对无人艇的控制系统进行详细设计，拟定无人艇控制系统的总体设计方案，采用单片机来控制这些功能模块；针对无人艇控制系统的电路设计， 采用 Altium Design 对水面水下无人艇的各个功能模块进行电路设计以及总体电路图的绘制，并对具体的电器元件进行分析与选型，借助 keil5 软件进行控制程序的编写； 建立水面水下无人艇的数学模型。建立水下无人艇空间运动模型是控制系统设计和稳定性分析的基础。利用牛顿—欧拉法进行水面水下无人艇进行数学模型，求出水面水下无人艇的运动学、动力学方程，并且考虑了海浪干扰的影响；最后在 proteus 上对设计的电路进行测试仿真，对横滚控制模块进行传递函数求解，调整 PID 控制器里面的参数，并在 MATLAB 上进行建立模型，并验证其算法的合理性。

通过以上的步骤完成了水面水下无人艇控制系统的设计，使得无人艇能够在水中较高精度地完成转向、沉浮、横滚和调速功能。

关键词：水面水下无人艇；控制系统；电路设计；仿真测试

目 录

第一章 绪论 1

5.2 水面水下无人艇的研究背景及意义 1

5.3 水面水下下无人艇的国内外发展状况 2

5.3.1 国外发展状况 2

5.3.2 国内发展状况 3

5.4 无人艇现存的主要问题 5

5.5 本章小结 5

第二章 水面水下无人艇控制系统的总体设计 6

4.1 水面水下无人艇设计目标 6

4.2 水面水下无人艇的机械系统设计 6

• 水面水下无人艇机械结构图 6

• 无人艇的舱室功能介绍 7

4.3 水面水下无人艇控制系统总体方案设计 7

• 控制方案的对比与选择 7

• 控制系统设计 9

4.4 本章小结 10

第三章 水面水下无人艇控制系统硬件设计 12

3.9 单片机模块设计 12

• 单片机模块电路图 12

• 单片机的选型 12

3.10 无线通讯模块设计 13

• 无线通讯模块电路图 13

• 无线编码器和无线译码器的选型 13

3.11 电源模块设计 14

• 电源模块电路图 14

• 电源的选型 14

3.12 按钮模块设计 14

• 按钮模块电路图设计 14

• 按键的选型 15

3.13 航向控制模块设计 16

• 航向控制模块电路图 16

• 航向控制模块元器件选型 16

3.14 沉浮控制模块设计 18

• 沉浮控制模块电路图 18

• 沉浮控制模块元器件选型 18

3.15 横滚控制模块设计 20

• 横滚控制模块电路图 20

• 横滚控制模块元器件选型 20

3.16 调速控制模块设计 22

• 调速控制模块电路图 22

• 调速控制模块元器件选型 22

3.17 元器件清单 24

3.18 水面水下无人艇电路原理图 24

3.19 本章小结 25

第四章 水面水下无人艇控制系统软件设计 26

3.8 基于 keil5 的控制系统程序编写 26

3.9 水面水下无人艇各个模块流程图 26

3.10 本章小结 28

第五章 针对水面水下无人艇控制系统的仿真 29

3.7 水面水下无人艇的数学模型建立 29

3.7.1 无人艇的转换矩阵求解 29

3.7.2 水面水下无人艇运动学模型 32

3.7.3 水面水下无人艇动力学模型 32

3.7.4 海浪干扰因素模型 33

3.8 基于 proteus 的电路仿真 34

3.9 基于 MATLAB 的横滚控制模块仿真 35

3.9.1 水面水下无人艇舵机传递函数求解 35

3.9.2 横滚控制模块的仿真 36

3.10 本章小结 37

总结与展望 38

工作总结 38

未来展望 38

致谢 40

参考文献 41

附录 44

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