水下滑翔机的多参数测量采集系统研究

【摘要】海洋环境探测技术的载体一般可分为船载观测平台、固定观测平台与水下航行器三种形式。其中使用水下航行器的探测形式一般具有观测范围大、部署灵活方便、运行成本低等优点，成为未来海洋环境探测的主流方向。而相比较于HOV（载人潜水器）、ROV（遥控水下机器人）、AUV（自治水下机器人）等传统水下航行器而言，水下滑翔机由于其更长的续航时间，更多样的数据采集能力，更灵活的姿态控制以及更低的研制成本，在近年来逐渐成为海洋研究领域的一种重要技术手段之一。水下滑翔机内部的一般设计框架是由浮力调节系统、重心调节系统、导航系统、通信系统以及多参数测量采集系统构成，其中多参数测量采集系统是协调各系统的核心单元。本文针对这一思路，研究设计了一种高可靠性、低功耗、多通道数据采集的水下滑翔机多参数测量采集系统，具备多通道传感器数据采集，为导航系统提供惯性姿态测量数据，并为滑翔机自带电池进行智能供电管理的多种功能。其中多通道数据采集模块在硬件上包括串口扩展电路、中心微控制器及数据存储电路，执行的嵌入式软件对系统搭载的传感器进行通讯控制、数据采集与数据存储，保证了水下滑翔机的多参数数据采集与存储能力；惯性测量模块（IMU）基于全自主惯性导航技术，硬件由陀螺仪、加速度计、磁力计以及高计算性能、低功耗的微处理器组成，并在其上运行低计算负荷的姿态更新解算算法，为水下滑翔机提供准确、实时的姿态信息；电源管理模块包括电压检测电路、电源开关控制电路及微处理器，负责对系统电源进行管理，并对系统本身以及各传感器进行供电控制。本文还对水下滑翔机可能搭载的各种传感器进行了配置，可能搭载的高能电池进行了组合。同时，还设计了相应的上位机软件实现远程通讯与控制。上位机软件使用C#语言编写，可在系统运行前对系统及各个传感器进行参数配置与设置，并在系统工作结束后对所采集的数据进行提取。本文的第2章至第7章对系统从系统架构设计、软硬件实现到系统测试，进行了完整的叙述。第2章对课题的整体设计架构做了详细描述，并特别分析了本课题内容与水下滑翔机其他子系统的协作关系。第3章对惯性导航原理进行了介绍，研究了姿态解算算法并对模块的软硬件进行了选型与设计。第4章对多通道数据采集模块进行了设计，解析了各传感器协议，进行了FATFS文件系统在MicroSD卡上的移植并设计硬件电路与嵌入式软件。第5章分析了电源管理模块的任务，对系统使用的电池组进行选型，设计了电压检测、MOS管开关等硬件电路与模块嵌入式软件。第6章对上位机软件需要的功能进行了分析并完成了具体设计。第7章对系统的各个模块软硬件进行了测试，并评估了惯性测量模块中误差校正算法的效果。论文的最后部分，总结了已经完成的工作及目前所存在的不足，对课题有待完善的部分作了分析与展望。
【作者】徐宇程；
【导师】刘敬彪；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电路与系统，2014，硕士
【关键词】姿态检测；误差校正；数据采集；电源管理；水下滑翔机；

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