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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:莊昇祐
研究生(外文):Sheng-Yu Chuang
論文名稱:水下自走式聲學載台開發與應用
論文名稱(外文):Development of Underwater Acoustic Autonomous Vehicle System with Acoustic Application
指導教授:陳琪芳陳琪芳引用關係
指導教授(外文):Chi-Fang Chen
口試委員:郭振華王兆璋湛翔智
口試委員(外文):Jen-Hwa GuoChau-Chang WangHsiang-Chih Chan
口試日期:2015-06-30
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:工程科學及海洋工程學研究所
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:水下載具水下聲學移動式聲源
外文關鍵詞:AUVUnderwater acousticMobile source
相關次數:
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本文主要於開發具備水下自主式載具基礎的多功能聲學載台。載具控制的部分利用超聲波測距、壓力計、加速度計、電子羅盤等模組回授所處環境及姿態等資訊,對推進器、舵機進行深度及航行軌跡控制,並利用載具上浮水面的時間進行GPS定位,校正載具航向;聲納部分以一軍規音鼓作為拍發源,在主動聲納的功用上可設定進行單頻訊號(Single Frequency Signal)或掃頻訊號(Chirp Signal )的拍發,亦可將記憶卡中的特定訊號檔案拍發。被動聲納的部分除可作為水聽器,亦可進行聲納應答(Repeater)功能,即時回播接收到的目標訊號,並可視任務條件擴充其他水下麥克風以進行更高品質的訊號紀錄。
本載具採模組化的構想設計,以鋁擠型作為骨架;電池、儀器艙筒兩段分離,並以連接器串接成一長段;以美商國家儀器公司(National Instruments, NI)開發的嵌入式單板電腦myRIO為主控設備,藉由其豐富的訊號通道達到擴充快速簡易、維修偵錯方便之訴求,並以NI發展的LabVIEW做為系統程式語言,其直覺化的程式編撰可讓非程式開發人員上手快速,展現親切系統使用者的特性。
本研究於水槽進行載具自主運動及主被動聲納測試,提供控制流程與實驗數據以驗證本自主式聲納系統發展之可行性。


The main purpose of this article is developing a multifunctional underwater acoustic platform base on an autonomous underwater vehicle (AUV). In AUV control, the sensors like sonic range-finder, pressure sensor, accelerometer and compass would send back the environment and the attitude information, these data would feedback to the thrusters and rudders to fix the position and direction of the AUV. When the AUV floating up to the water surface, GPS would calibrate the course of AUV again. The navy transducer was used here to be the active SONAR, it can transmit single frequency signals or chirp signals in the system. The sound files in the flash disk is also allowed to be played. In the part of the passive SONAR, this platform not only can be an underwater sound recorder but an acoustic repeater. In some special cases, other hydrophones could be expanded to get higher quality sound data.
The platform in this article is designed to module structure. The frame is made by aluminum extrusion. The batteries and equipment were taken apart into two pressure tanks, which could be combined as a longer one with a connector. The single-chip processor, myRIO, which was made by National Instruments (NI) was used to the platform main controller because of its mult-channel and easy to use. The computer language in this article is LabVIEW, which also developed by NI.
The AUV in this article was tested at the water tank in ESOE, NTU. The data of the AUV control and the SONAR application was applied in the article to help the further researches.


致謝 I
摘要 II
ABSTRACT III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XII
符號目錄 XIII
第一章 緒論 1
1-1研究背景 1
1-2文獻回顧 4
1-2-1自主式水下載具設計 5
1-2-2自主式水下載具控制理論與系統 7
1-2-3聲學系統 9
1-3論文架構 13
第二章 硬體部件選用 15
2-1系統艙設備介紹 17
2-1-1主控電腦與配電板 17
2-1-2姿態感測組件 20
2-1-3定向定位感測組件 22
2-1-4監控組件 25
2-1-5 動力控制器 29
2-1-6聲納設備 30
2-2電池艙電池介紹 32
2-3艙外設備介紹 35
第三章 載具結構與外觀設計 41
3-1載具水密耐壓力艙筒設計 41
3-1-1艙體結構組成 42
3-1-2艙體耐壓性能設計 43
3-1-2-1 艙體筒身耐壓設計 43
3-1-2-2 艙體平面筒蓋耐壓設計 47
3-1-3艙體組裝與連接 48
3-2載具承載骨架設計 51
3-3載具重量分布與配重 53
3-4載具浮力與穩度 57
3-4-1載具縱向穩度 57
3-4-2載具橫向穩度 58
第四章 軟體運作與自主控制 60
4-1載具感測元件回傳資料處理與校正 60
4-1-1電子羅盤方向角計算與Z軸校正 60
4-1-2壓力計校正 65
4-1-3測距儀校正 66
4-2聲納系統運作 68
4-2-1主動式聲納 68
4-2-2被動式聲納 69
4-2-3聲納應答系統 70
4-3載具控制 71
4-3-1 PID控制器 71
4-3-2 載具控制流程 74
4-3-3 載具控制數學模型建立 76
4-4程式語言編寫使用 78
第五章 運作測試 81
5-1載具定向直進運動 82
5-2載具定深直進運動 83
5-3載具避障運動 85
5-4主動式聲納性能 86
5-5聲納應答器運作 87
5-5-1單頻訊號應答測試 87
5-5-2掃頻訊號應答測試 89
第六章 結論與歸納 91
第七章 未來發展與建議 94
7-1壓力水密艙體外殼設計改良 94
7-2設備更替 97
參考文獻 98


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