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研究生: 林俊安
Lin, Jiun-an
論文名稱: 四自由度自主型水下載台設計與浮潛姿態控制
Design and Attitude Control of Four-DOF Autonomous Underwater Vehicle
指導教授: 林忠宏
Lin, Chung-Hung
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 系統及船舶機電工程學系
Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering
論文出版年: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 65
中文關鍵詞: 水下載具
外文關鍵詞: AUV, Autonomous Underwater Vehicle
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  • 本文主要目的是建立可調整四自由度的水下載台,藉由浮力系統、俯仰調整系統、橫傾調整系統與推進系統來達成控制水下載台姿態的目的。利用GPS、陀螺儀、電子式壓力計感測載具姿態,在控制系統上採用嵌入式系統(Embedded System )進行紀錄與控制,並由GSM回饋資訊。
    浮力系統利用活塞的往復作動來達成進排水目的,其可控制的浮力為300c.c.(為載具的1%),單次行程時 間為3分鐘,設計最大深度為50m。俯仰調整系統為採用潛艇的方法,以泵浦調整前後水艙水量的方式來控制俯仰,最大調整量為±45°。橫傾調整系統為一以圓周方向運動扇形配重塊,用來控制重心位置,可進行360°的調整。推進系統是改裝小型沉水馬達變成載具外引擎來進行推進,並由翼板利用下潛或上升時所產生的向前分量達到推進的目的。
    整體四個自由度系統測試,在響應的時間上,單一自由度由任意角度到平衡最長時間為40秒,附上四自由度的實驗數據以供相關研究參考。

    The main purpose of the thesis is to establish an adjustable Four-DOF underwater vehicle. By the use of buoyancy、pitch and roll adjustable、propulsion systems, it is able to achieve the attitude control of the underwater vehicle。The use of GPS、GSM and electronic pressure sensor are devices to measure the position and attitude of the vehicle. The Embedded System is used in order to take down records and control the vehicle through certain commands, then report the information back by GPS.
    The buoyancy system uses a reciprocate piston to suck in and drain out the water inside, the controllable buoyancy is 300 c.c (1% of total weight), the action time for one stroke is 3 min, and the maximum depth is designed to 50 m. The pitch adjustable system is adopted from submarines, using a hydraulic pump to change the volume of water in the water container which is placed at the fore and aft section of the vehicle, the maximum pitch angle is ±45∘. The rolling adjustment system is achieved by the use of a fan-shaped iron block which can rotate 360∘in order to change the gravity center. In the propulsion system a small-scaled DC bilge pump is used, and hydroplanes are attached to provide forward force quantity while the vehicle travels up and down in the water.
    On the response time of the Four-DOF system, for a single DOF it takes about 40 sec to counterbalance, the experimental data is provided for further use.

    摘要 II Abstract III 誌謝 IV 目錄 V 表目錄 VII 圖目錄 VIII 符號說明 X 第一章 緒論 1 1-1 研究背景 1 1-2 文獻回顧 1 1-3 系統架構 7 1-4 論文架構 8 第二章 壓克力外殼強度分析 10 2-1 壓力殼分析概論 10 2-2 無附屬物加強材的圓筒型壓力殼 12 2-3 挫曲破壞公式 13 2-3-1 Kendric整體挫曲破壞公式 13 2-3-2 Gerard整體彈性挫曲破壞公式 15 2-4 壓力殼設計 16 2-5 深海水壓實驗 17 第三章訊號量測與回饋系統 21 3-1 GPS全球定位系統 21 3-2 方向定位計3DM-GX1 23 3-3 電子式壓力計 25 第四章 四度運動調整系統設計 29 4-1 浮力引擎 29 4-1-1 浮力容積與終端速度關係之計算 29 4-1-2 浮力系統機構設計 32 4-2 俯仰調整系統 35 4-2-1 系統硬體與電路 35 4-2-2 俯仰控制流程 38 4-3 橫傾調整系統 39 4-4 推進系統 40 第五章 控制系統 42 5-1 控制系統的選用 42 5-2 主控制器介紹 44 5-3 量測AD卡與DO控制器 45 5-4 馬達控制器 46 5-5 控制流程圖 50 第六章 系統整合與測試 52 6-1 系統整合 52 6-2 俯仰調整系統 56 6-3 橫傾系統 58 6-4 浮力系統 59 6-5 3DM-GX1測試數據 59 第七章 結論與未來展望 61 參考文獻 63 自述 65

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