發(fā)布時(shí)間：2017-09-09 02:30

  本文關(guān)鍵詞：深海FROV自修復(fù)控制系統(tǒng)研究

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【摘要】：潛水器由于其工作時(shí)間長、作業(yè)范圍大的特性而日益成為人類進(jìn)行海洋探索和海洋資源開發(fā)的重要工具,在科研、商業(yè)及軍事等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而,由于海洋復(fù)雜工作環(huán)境的影響,自從人類應(yīng)用各類潛水器進(jìn)行海洋探測開發(fā)以來,已經(jīng)出現(xiàn)過多次潛水器丟失事故,如日本JAMSTEC(Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology)萬米ROV(Remotely Operated Vehicle)、英國南安普敦大學(xué)Autosub2 AUV(Autonomous Underwater Vehicle)以及最近失事的美國伍茲霍爾海洋研究所Nereus萬米ROV。作為在這一領(lǐng)域的新興國家,我國也已經(jīng)歷不止一次的潛水器丟失或損壞事故。這些事故除了造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失外,對海洋科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也有重大打擊,潛水器的生存性問題顯得尤為突出。深海FROV(Fiber Remotely Operated Vehicle)是上海交通大學(xué)水下工程研究所研制的新型全海深無人遙控潛水器,其研發(fā)過程中突破了大深度無人潛水器多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),將使我國具備研制全海深觀測取樣型ROV的能力。深海FROV采用雙體結(jié)構(gòu),以電池為動(dòng)力,可工作于ROV或AUV模式,通過光纖與水面進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。極限工作深度及雙工作模式都給深海FROV的生存性提出了更高的要求。綜合以上對潛水器生存性技術(shù)研究的內(nèi)外部需求,本文以深海FROV為對象,圍繞以提高生存性為目的的深海FROV系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)展開,主要完成了以下幾方面的工作:(1)研究了潛水器的生存性,引入了生存性的定量評估方法和詳細(xì)評估模型。通過分析生存性評估模型中各概率評價(jià)指標(biāo)的關(guān)系,闡述了深海FROV自修復(fù)控制系統(tǒng)的概念和主要研究內(nèi)容。為便于自修復(fù)控制系統(tǒng)的研究,建立了深海FROV系統(tǒng)的模型,并應(yīng)用前述生存性評價(jià)方法得到了相應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)。(2)基于當(dāng)前的深海FROV系統(tǒng),進(jìn)行了自修復(fù)控制系統(tǒng)的研究,研究重點(diǎn)放在其兩個(gè)基本環(huán)節(jié),即故障檢診系統(tǒng)和自修復(fù)策略研究上�！ぴ诠收蠙z診方面,研究了基于層次模型定量推理機(jī)制的通用診斷理論,相比傳統(tǒng)方法具有更高的檢診效率,同時(shí)可進(jìn)行不同檢診方法的綜合設(shè)計(jì),檢診范圍覆蓋整個(gè)控制系統(tǒng)�！ぴ谧孕迯�(fù)策略方面,基于故障檢診系統(tǒng)的信息,為各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)了配套的自修復(fù)策略。(3)根據(jù)深海FROV的生存性評估結(jié)果,結(jié)合自修復(fù)控制系統(tǒng)的研究,對深海FROV系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級,完成系統(tǒng)余度增加和某些硬件余度的省略,并通過生存性評估證明優(yōu)化升級的效果。(4)最后,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提出的理論和設(shè)計(jì)的有效性。通過本文的工作,初步實(shí)現(xiàn)了深海FROV自修復(fù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用,并建立了相應(yīng)的評估方法,為自修復(fù)控制系統(tǒng)在潛水器領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),為進(jìn)一步的研究工作積累了經(jīng)驗(yàn),為潛水器系統(tǒng)的智能化提供了參考。
【關(guān)鍵詞】：全海深 FROV(Fiber Remotely Operated Vehicle) 生存性 自修復(fù)控制系統(tǒng) 故障檢診 自修復(fù)策略 優(yōu)化升級
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：U674.941
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-7
• 符號說明7-10
• 縮略詞表10-18
• 第一章 緒論18-40
• 1.1 課題研究背景18-19
• 1.2 潛水器生存性研究現(xiàn)狀19-31
• 1.2.1 生存性的概念及應(yīng)用19-21
• 1.2.2 研究現(xiàn)狀21-30
• 1.2.3 潛水器生存性研究的評述30-31
• 1.3 深海FROV概述31-35
• 1.3.1 國內(nèi)外極深海潛水器研究現(xiàn)狀31-32
• 1.3.2 深海FROV簡介32-35
• 1.4 自修復(fù)控制系統(tǒng)概述35-37
• 1.4.1 自修復(fù)控制系統(tǒng)的研究背景35
• 1.4.2 自修復(fù)控制系統(tǒng)的發(fā)展史35-36
• 1.4.3 自修復(fù)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)36-37
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容37-39
• 1.6 本文的創(chuàng)新點(diǎn)39-40
• 第二章 潛水器生存性的基本概念及深海FROV生存性評估40-69
• 2.1 潛水器的生存性的定義和表示40-41
• 2.1.1 生存性的定義40-41
• 2.1.2 生存性的定量表示41
• 2.2 深海FROV自修復(fù)控制系統(tǒng)的概念41-42
• 2.3 生存性評估模型的建立42-47
• 2.3.1 元件和子系統(tǒng)42-43
• 2.3.2 子系統(tǒng)的行為與功能43-44
• 2.3.3 子系統(tǒng)的模態(tài)及實(shí)現(xiàn)的概念44-45
• 2.3.4 生存性評估模型的建立45-47
• 2.4 深海FROV系統(tǒng)模型47-63
• 2.4.1 深海FROV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)47-52
• 2.4.2 深海FROV動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)52-57
• 2.4.3 深海FROV系統(tǒng)模型57-63
• 2.5 深海FROV生存性評估63-68
• 2.5.1 深海FROV狀態(tài)轉(zhuǎn)變的假設(shè)63-64
• 2.5.2 深海FROV生存性的評估64-68
• 2.6 本章小結(jié)68-69
• 第三章 深海FROV故障檢診系統(tǒng)的設(shè)計(jì)69-112
• 3.1 深海FROV故障檢診的基本理論69-71
• 3.1.1 深海FROV故障檢診的特點(diǎn)分析69-70
• 3.1.2 元件模態(tài)轉(zhuǎn)變的假設(shè)70
• 3.1.3 深海FROV的故障檢診策略70-71
• 3.2 故障檢診模型的建立71-76
• 3.2.1 復(fù)雜系統(tǒng)的功能基礎(chǔ)層次模型及其構(gòu)造方法71-72
• 3.2.2 深海FROV系統(tǒng)的功能基礎(chǔ)層次模型72-75
• 3.2.3 功能基礎(chǔ)層次模型中的故障檢診75-76
• 3.3 同一模型中的故障診斷76-89
• 3.3.1 基本診斷機(jī)制76-80
• 3.3.2 引入故障模態(tài)知識80-83
• 3.3.3 故障診斷策略83-84
• 3.3.4 引入概率知識84-87
• 3.3.5 重點(diǎn)診斷策略87-89
• 3.4 全局檢診策略89-90
• 3.4.1 層次遞進(jìn)機(jī)制89-90
• 3.4.2 故障檢測機(jī)制90
• 3.5 局部檢診系統(tǒng)的設(shè)計(jì)90-92
• 3.5.1 引入局部檢診90-91
• 3.5.2 全局檢診與局部檢診的信息交互分析91-92
• 3.6 推理環(huán)境的選擇92-94
• 3.7 用于動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)執(zhí)行器與傳感器故障檢診的推理機(jī)設(shè)計(jì)94-102
• 3.7.1 擴(kuò)展卡爾曼濾波原理94-97
• 3.7.2 推理機(jī)設(shè)計(jì)97-99
• 3.7.3 推理機(jī)決策機(jī)制99-100
• 3.7.4 推理機(jī)概率分布100-102
• 3.8 深海FROV的全局檢診系統(tǒng)102-111
• 3.8.1 傳感器的局部檢診及余度管理102-103
• 3.8.2 傳感器的交叉推理機(jī)及解析余度103-104
• 3.8.3 推進(jìn)器的局部檢診104-105
• 3.8.4 DYN全局檢診系統(tǒng)推理機(jī)105-109
• 3.8.5 電源系統(tǒng)的硬件檢測電路109-111
• 3.9 本章小結(jié)111-112
• 第四章 深海FROV自修復(fù)策略研究112-130
• 4.1 通信系統(tǒng)修復(fù)策略112-115
• 4.1.1 水面控制單元與深海FROV本體通信策略112-113
• 4.1.2 通信系統(tǒng)的冗余管理策略113-115
• 4.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)修復(fù)策略115-119
• 4.2.1 雙CAN總線硬件結(jié)構(gòu)115-116
• 4.2.2 雙CAN總線冗余管理116-119
• 4.3 航行動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)修復(fù)策略119-123
• 4.3.1 傳感器硬件及解析余度管理119-121
• 4.3.2 執(zhí)行器控制余度開發(fā)121-123
• 4.4 電源系統(tǒng)修復(fù)策略123-124
• 4.5 引入自修復(fù)控制系統(tǒng)以后深海FROV的生存性評估124-129
• 4.6 本章小結(jié)129-130
• 第五章 深海FROV系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)130-150
• 5.1 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)130-142
• 5.1.1 CAN總線冗余設(shè)計(jì)130-131
• 5.1.2 位姿傳感器在各艙室的重新分配131
• 5.1.3 推進(jìn)器冗余配置131-133
• 5.1.4 電源系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)133-134
• 5.1.5 基于定性仿真的二次電源故障診斷方法134-139
• 5.1.6 優(yōu)化升級后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)139-142
• 5.2 優(yōu)化升級后系統(tǒng)生存性評估142-148
• 5.3 不同深海FROV系統(tǒng)的對比分析148-149
• 5.4 本章小結(jié)149-150
• 第六章 深海FROV自修復(fù)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證150-205
• 6.1 通信系統(tǒng)故障修復(fù)實(shí)驗(yàn)152-159
• 6.1.1 水面光纖通信故障152-154
• 6.1.2 水面無線通信故障154-156
• 6.1.3 水下光纖通信故障156-158
• 6.1.4 水下水聲通信故障158-159
• 6.1.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論159
• 6.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)故障修復(fù)實(shí)驗(yàn)159-162
• 6.2.1 實(shí)驗(yàn)過程159-161
• 6.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論161-162
• 6.3 航行動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)故障修復(fù)實(shí)驗(yàn)162-194
• 6.3.1 仿真實(shí)驗(yàn)162-185
• 6.3.2 水池實(shí)驗(yàn)185-193
• 6.3.3 仿真實(shí)驗(yàn)與水池實(shí)驗(yàn)對比分析193-194
• 6.4 電源系統(tǒng)故障修復(fù)實(shí)驗(yàn)194-203
• 6.4.1 110V1電池故障修復(fù)實(shí)驗(yàn)194-196
• 6.4.2 110V2電池故障修復(fù)實(shí)驗(yàn)196-199
• 6.4.3 24V艙內(nèi)應(yīng)急電池故障修復(fù)實(shí)驗(yàn)199-200
• 6.4.4 二次電源故障修復(fù)實(shí)驗(yàn)200-203
• 6.4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論203
• 6.5 本章小結(jié)203-205
• 第七章 總結(jié)與展望205-208
• 7.1 全文總結(jié)205-206
• 7.2 本文主要結(jié)論206
• 7.3 展望206-208
• 參考文獻(xiàn)208-219
• 致謝219-220
• 攻讀博士期間所取得的學(xué)術(shù)成果220-223

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本文編號：817776