【摘 要】
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卫星通信浮标作为新兴的海洋浮标,比传统的通信浮标可靠性更高且通信距离更远,但其对工作环境要求较高,尤其对于浮标横滚、俯仰和航向角的要求极为严格。浮标因海浪影响而晃动会严重影响通信效率与稳定,常用的解决方法是优化天线设计,但在大摇摆角下仍难以保证通信成功率。本文提出通过对浮标摇晃进行主动纠偏控制,以保障浮标远距离通信的稳定性。本文确定了海洋浮标运动控制系统的设计方案,对海上浮标运动控制的关键技术进行
【基金项目】
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横向项目:“卫星通信海洋浮标关键技术研究”的子任务—海洋浮标姿态稳定研究
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卫星通信浮标作为新兴的海洋浮标,比传统的通信浮标可靠性更高且通信距离更远,但其对工作环境要求较高,尤其对于浮标横滚、俯仰和航向角的要求极为严格。浮标因海浪影响而晃动会严重影响通信效率与稳定,常用的解决方法是优化天线设计,但在大摇摆角下仍难以保证通信成功率。本文提出通过对浮标摇晃进行主动纠偏控制,以保障浮标远距离通信的稳定性。本文确定了海洋浮标运动控制系统的设计方案,对海上浮标运动控制的关键技术进行了研究,并对控制系统加以实现与验证。本文首先对浮标在海洋环境下的受力及运动情况进行分析研究,并建立了其三自由度运动学与动力学模型。通过ANSYS Fluent进行流体动力学仿真分析,获取了浮标在不同海况海浪作用下的运动规律。采用四个推进器环绕浮标作为动力装置,既能实现其三自由度转动,又能降低各推进器引起的高速湍流之间的相互干扰,保障反推力的正常产生。由于存在冗余驱动以及各自由度的运动控制耦合,针对其耦合特性进行了详细研究,添加了合适的驱动约束,实现了冗余驱动消除与运动控制解耦。针对浮标横滚、俯仰、航向的高速高精纠偏控制性能要求,提出了三自由度独立的复合控制策略;采用PID控制器加二阶低通滤波器作为反馈控制器,消除了噪声干扰,提高了控制带宽和稳定性,实现了浮标姿态高精度运动控制;引入按干扰补偿的速度前馈以提高控制系统响应速度,有效缩短了纠偏时间,并实现了过冲抑制与震荡消除,实现快速稳定。构建了以嵌入式控制器为核心的浮标控制系统软硬件平台。搭建了浮标姿态纠偏控制系统实验平台,进行海上纠偏性能测试。实验结果验证了解耦模型的正确性;根据实验结果,本控制系统在三级海况下能够将浮标的横滚、俯仰、航向角均稳定在±4°之内,且能在较短时间内将已发生偏转的浮标迅速纠正回平衡位置,具有较高且较快的姿态纠偏性能,满足预期设计指标,且在与浮标上部激光和微波通信模块进行联合实验时能够为其提供较好环境,保障其通信的稳定性。
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