基于柔性射流动力的稳定平台设计与实现

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由于海上自然条件较为复杂,海基勘探和观瞄设备不可避免的会受到海面风浪等环境的影响,使得设备无法满足正常工作要求。本文设计了一种适用于海面或水上以射流为动力的稳定平台装置,从而隔离环境因素干扰保证设备工作性能。主要工作内容如下:首先,提出一种稳定平台的设计方案,使用三维建模软件Solidworks和CAD软件对平台进行结构设计,确定了稳定平台的三维模型及关键尺寸。并对稳定平台进行动力学及运动学计算分析,建立水动力模型,得到了稳定状态下水泵功率、飞行高度以及液压杆推进距离之间的关系曲线,同时根据已建立的数学推导模型设计了系统控制器,并使用MATLAB中的Simulink模块搭建控制系统模型,得到了稳定平台的悬停状态姿态及位置曲线。然后,对系统的控制链路进行设计。控制链路主要由姿态控制器、信号转化器、液压系统这三部分构成,最终通过驱动液压杆调节射流口横截面积,以此改变射流力的大小达到调节稳定平台姿态的目的。本文对控制链路中部件的选型及设计进行了详细分析介绍,姿态控制器部分包括作为主控制器的STM32微控制器以及IMU传感器、位移传感器、流量传感器等在内的传感器部分;信号转化器设计主要实现由姿态控制器输出的脉冲信号转化为控制液压系统的开断信号功能,其设计分为脉冲信号转电压信号、PLC控制器、信号功率放大三个部分,通过PLC仿真软件进行梯形图编程设计,实现了手动转化控制和自动控制模式;根据平台控制要求设计了控制链路中的液压系统,并对液压杆、电磁阀、液压泵等关键部分进行选型设计。随后,根据仿真分析及硬件设计的结果进行了实验验证。在实验中进行了装置的改进和控制系统参数的调试,使得稳定平台能够维持在4°以内平稳飞行,验证了稳定平台的可控性和该设计方案的可行性。最后,对设计方案分析总结,提出了稳定平台设计的改进方案。通过将射流管道改为具有一定倾斜角度的射流形式,使得整个平台具有六自由度运动。对改进结构进行了动力学分析以及Simulink控制模型搭建,并根据模型仿真结果进行对比,分析了两种结构的不同工作特性。
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