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剖面仪是一种重要的海洋探测器。它具有工作深度范围大、噪声低、隐蔽性能好等优点,在海洋环境监测和海底军事侦查等方面有着极高的应用价值。作为一种电能驱动水下潜器,延长剖面仪的续航时间对提高其应用价值具有十分重要的意义。目前,最为有效手段之一是降低其控制系统功耗。 为了降低剖面仪控制系统功耗,本文结合剖面仪控制系统组成功能模块和工作模式,结构化分析了控制系统功耗特性,从元件、模块、系统三个层面提出了低功耗控制策略。在此基础上,应用实验室便携式小型剖面仪样机,开展了相关实验研究,验证了本文提出的低功耗控制方法的有效性。本文主要包括以下内容: (1)创建低功耗控制系统平台。在硬件方面,基于模块化设计理念,研制了可动态管理功耗的高度集成低功耗控制电路。在软件方面,编写了相关功能模块下位机控制程序,实现了数据采样、能源管理、CAN通信、步进电机驱动控制等功能。并进行多次实验调试,确保了控制系统功能的稳定性和可靠性。 (2)建立低功耗深度控制任务模型。基于经典运动学理论,采用Matlab/Simulink仿真平台,分别建立了剖面仪浮力调节模块运动学模型、剖面仪运动学模型及深度控制任务的边界PD控制模型。通过仿真模型,整定控制参数,分析了各参数对深度控制任务动态响应性能和剖面仪控制系统功耗的影响。 (3)设计低功耗控制算法。结合对剖面仪的组成功能模块和基本工作方式分析,全面地分析了控制系统功耗特性,按照元件层、模块层和系统层划分控制系统,分别设计了控制系统动态功耗管理算法、浮力调节模块边界PD低功耗控制算法,浮力调节电机边界曲线低功耗控制算法。 (4)验证低功耗控制效果。在以上硬件、软件、算法研究的基础上,针对剖面仪控制系统的功耗特性,利用实验室便携式小型剖面仪,在千岛湖开阔水域进行试验。通过对多组实验数据的分析评估,充分验证了本文设计的控制系统的可靠性,模型的准确性和低功耗控制算法的有效性。 本文对便携式剖面仪的低功耗控制方法的探索研究,为今后在大型剖面仪上开展更深入的理论研究和拓展应用奠定了基础。