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研究生:林冠妙
研究生(外文):Lin, Kuan-Miao
論文名稱:太陽能輔助動力水下地貌測量船之整合研究
論文名稱(外文):Study on the System Integration of an Auxiliary Solar-Power Vessel for Underwater Geological Survey
指導教授:趙儒民趙儒民引用關係
指導教授(外文):Chao, Ru-Min
口試委員:吳重雄林輝政梁卓中
口試委員(外文):Jong-Shyong WuHuei-Jeng LinCho-Chung Liang
口試日期:2010-07-05
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:系統及船舶機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:84
中文關鍵詞:水聲感測器太陽能電池最大功率追蹤GPS水下地貌
外文關鍵詞:Underwater acoustic transducerUnderwater landformSolar cellMPPTGPS
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本論文欲藉由實驗室現有的水下量測系統與太陽能發電系統兩項子系統之整合研究出一艘太陽能輔助動力水下地貌測量船。水下量測系統藉由自製的LM1812晶片之功率改善驅動電路與市售的TC-2111水聲感測器測得水深,訊號處理使用前人所開發的演算策略,增加判別水深的準確度。而太陽能發電系統則是配合本研究室開發的二次式法之最大功率追蹤技術,使得太陽能電池可以最大的功率輸出並儲存於儲能電池。
配合National Instruments的CompactRIO下之整合工作,兩項子系統分別完成cRIO模組,再結合GPS與cRIO的模組進行軟、硬體之整合應用,吾人開發出一艘擁有最大功率追蹤與儲能系統的太陽能輔助動力船,該船能在無汙染且長時間進行自動化水下量測。最後的量測資料再利用空照圖與Surfer軟體進行後製處理程序,繪製與計算出實驗路徑、水下地貌甚至蓄水容量。讓量測作業與計算作業的時間大為縮短、簡易。本研究之整合的成果可提供便利且準確的水庫水下地貌量測,還可協助水聲感測器之開發與應用,提升未來我探測海洋與發展水下技術之能力。
The purpose of this study is to integrate a self-developed sonar system and a solar-power system into auxiliary solar-power vessel for underwater geological survey. The underwater geological system includes National Semi-conductor LM1812 ultrasonic chip and TC-2111 transducer operating at 200 kHz to build the echo sounder for detecting water depth, it and uses the previous developed detecting algorithm to enhance the accuracy of the self-developed echo sounder.
The solar-power system uses the quadratic maximization algorithm combining with PWM duty cycle adjustment to track the maximum power point of the solar panel. It effectively harvests electric energy from the sun and stores in the battery for application.
Finally, these two subsystems will be integrated by using NI compactRIO and signal conditioning modules, and thus an “Auxiliary solar-power Ship” is developed. The “Auxiliary solar-power Ship” can detect the depth of underwater environment automatically without any pollution. Using measured information and the satellite photograph for post-processing by Surfer software. The vessel’s cruise route, underwater landform and even the water volume can be drawn and calculated easily and swiftly. The result of this research not only provides the convenient and accurate of unmanned detecting of water depth information, but also assists the development and applications of acoustic sensors that upgrades the capability of self-detecting in oceans and cultivates underwater techniques.
摘 要 I
Abstract II
致 謝 III
目 錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究背景 1
1.3研究動機與目的 3
1.4文獻回顧 5
1.5研究方法 7
1.6論文結構 9
第二章 太陽能發電系統 11
2.1太陽能電池 12
2.2二次充電電池 14
2.3DC/DC降壓型電路 15
2.4MPPT系統配置 15
2.5最大功率點之追蹤 (Maximum Power Point Tracking, MPPT) 17
2.5.1與常用之MPPT技術比較 17
第三章 超音波系統設計 19
3.1水深測量系統 19
3.1.1測深設備之超音波感測器 19
3.1.2超音波探測的原理 20
3.1.3感測器的選用 21
3.2超音波驅動電路 24
3.2.1超音波驅動晶片LM1812的介紹與操作方式 24
3.2.2驅動電路的製作與應用 26
3.3系統之演算策略 29
3.4驅動電路的比較 30
3.4.1實驗室水缸中進行測試 31
3.4.2台南公園實驗 33
3.4.3拖行水槽實驗 34
3.5驅動電路與不同感測器之測試與比較 37
第四章 太陽能輔助動力水深量測船之系統整合 40
4.1CompactRIO平台之整合架構 40
4.1.1超音波模組(Ultrasonic Module) 41
4.1.2太陽能光電模組(Photovoltaic Module,PV Module) 42
4.2GPS的應用 43
4.3整體架構配置 46
4.4CompactRIO平台軟體整合 49
4.5水下地貌量測系統之後製作 50
4.5.1水下地貌測量後製作業流程 51
4.5.2大地座標轉換 53
4.5.3水下地貌繪製軟體的介紹 54
4.5.4Surfer 軟體之操作[23] 55
4.5.5Surfer Grid Method-克利金法(Kriging Method)[24] 57
第五章 水深量測實驗結果 62
5.1水下地貌量測實驗 62
5.2前後三次實驗結果分析 70
第六章 結論與未來展望 73
6.1結論 73
6.2建議與未來展望 75
參考文獻 77
其他文獻 80
[1]宋家驥,聲納換能器探頭測試及製作,國科會研究計畫成果報告,NSC 89-2611-E-002-047,2001。
[2]宋家驥,聲納換能器設計(I),國科會研究計畫成果報告,NSC 88-2611-E-002-016,1999。
[3]鍾家軒,微控制器結合GPS與水深感測器之水下地貌量測系統整合開發,國立成功大學系統及船舶機電工程研究所碩士論文,2007。
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[22]吳宗德,”WGS84 to TM2”, http://ogl-lib,sourceforge.net/
[23]網頁”Surfer 32 操作手冊”, http://www.ntut.edu.tw/~twcheng/surfer%20operation.pdf
[24]李錫堤,地質統計學講義,中央大學應用地質研究所。
[25]Walt Kester, Joe Buxton, Battery Charger, Power and Thermal Management Design Techniques , Analog Devices.
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