推进器故障情况下的UUV容错轨迹跟踪控制研究

论文总字数：15197字

摘 要

保证水下推进器在故障情况下能够对轨迹进行准确跟踪是水下机器人研究的一个关键问题。本文对水下机器人推进器故障情况下的UUV容错轨迹跟踪控制研究，提出了基于伪逆重构与量子粒子群优化算法的容错控制算法。通过仿真实验，验证了本文提及的算法具有良好的性能，能够在单个和两个推进器故障的情况下实现轨迹跟踪。

关键词：控制，推进器，跟踪，故障，容错。

Abstract：To ensure that the underwater propeller can track the trajectory accurately in the case of failure is a key issue in the research of underwater vehicle. In this paper, the fault-tolerant trajectory tracking control of UUV in the case of underwater vehicle thruster failure is studied. A fault-tolerant control algorithm based on pseudo-inverse reconstruction and quantum particle swarm optimization (QPSO) algorithm is proposed. The simulation results show that the algorithm mentioned in this paper has good performance and can realize trajectory tracking in the case of single or two propeller failures.

Key word: control, propeller, tracking, fault tolerance

目 录

1 绪论 3

1.1 研究的背景和意义 3

1.2 水下机器人的发展和现状 3

1.3 水下机器人容错控制概述 4

1.4 本论文研究内容与结构 5

2 推进器故障情况下的UUV容错轨迹跟踪控制研究算法 5

2.1 UUV推进器混合容错跟踪控制算法 5

2.2 单推进器冗余的混合容错跟踪控制算法 7

3 推进器故障情况下的UUV容错轨迹跟踪控制研究仿真与分析 13

3.1 容错算法对比 13

3.2 容错跟踪控制对比 15

4 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参 考 文 献 22

致 谢 23

1 绪论

1.1 研究的背景和意义

自远古时期开始，水资源就是非常重要的自然资源，大江大河孕育了数不清璀璨的文明。迈入新世纪，人类的眼光也从开发了数千年的湖泊河流转向了海洋，对水资源的开发显得越来越重要。据研究资料表明，水中具有丰富的生物，矿产资源，可为人类提供广阔的可持续发展空间。世界各国为探索开发水资源，纷纷优先发展水域开发工具。水下机器人作为可以代替人类在水下进行长期观测和活动的工具，可以广泛的运用在民生，科考，工业等多方面领域 。

1.2 水下机器人的发展现状

2012年10月，我国首次提出智能水下航行器“功能模块”概念。在张铁东教官的带领下，依托国防水下航行器重点实验室，哈尔滨工程大学船工程学院5人团队一年内自主设计了国内第一台“多功能智能水下航行器”，并采用了“功能模块”首次进入水下航行器领域。该款机器人可根据需要选择不同模块随时“换芯”、随时变身，可应对各种复杂水下作业。

这款机器人获得首届“全国海洋航行器设计与制作大赛”实物制作类特等奖。该项目中自主研发应用的永磁式平面磁传动推进器、永磁式平面磁传动机械手、改装水密接插件均属国内首创，具有重要的推广价值。

2012年，日本正在实施一项大型筹算，包括开发先进的无人遥控潜水器。在遥控操作、声成像、水下遥测全向推进器、海水输导系统、水下陶瓷技术定位与控制等方面取得了新的前进与突破。本次工作的目标是合用地为200米深的油气勘探行业提供服务，完全取代潜水员在无人驾驶电缆潜水技术中开展的危险水下功课，始终保持先进前进的明显优势。依据欧洲尤里卡筹算，英国、意大利将协同研制无人遥控潜水器。潜水器性能优良。它能在6000米深处工作250钟头，比潜水器在4000米深处只好工作12钟头要好得多。依照尤里卡EU-191筹算还将修建两艘无人遥控潜水器，一艘为有缆式潜水器，重要用来水下检查维修；另一艘为无人无缆潜水器，重要用来水下测量。这项潜水工程筹算将由英国；意大利、丹麦等国家的l7个机构加入。英国科学家研制的“小杰森”潜缆器有其独特的技术特征。它由计算机控制，穿过光纤与母船通信。母船上装有4台专用计算机，离别用来处理海底相机得到的资料，处理监控海弹环境变化的资料，处理海面环境变化的资料，处理由潜水器传输回来的其他有关技术资料等。母船将所有获得的资料。经过整理，通过微波发送到加利福尼亚太平洋格罗夫研究所的实验室，并贮存在资料库里。

2015年3月19日，中海油286号，中国第一艘自主修建的深水多功能工程船，开展了深水设备测试。这是第一次水下机器人在近3000米的深海底部插上五星红旗。这是第一次水下机器人在南海近3000米深处插上了五星红旗。

1.3 水下机器人容错控制概述

水下机器人的容错方法控制技术，因为在国内外理论与实践上均有一定的难度，总的来说基本处于起步阶段。

以下简要介绍几种拥有代表性的水下机器人及其容错控制技术。需要注意的一点是，容错控制与机器人的传感器和执行器配置密切相关。不同的配置利用不同的策略，对于某些策略，故障诊断是密切相关的^[3]。

（1）美国夏威夷大学自主系统实验室和机械工程系研制的 ODIN AUV。ODN水下航行器是一种6自由度的球形水下航行器，有四个水平推进器、四个垂直推进器、充电铅酸电池和3小时的续航能力。每个推进器都有一个传感器来测量推进器的输出电压，穿过这个传感器可以监测推进器。推力器电动机的期望输出电压(由控制器推力及推力器控制矩阵TCM决定)与电动机的实际输出电压之间的差值大于阈值,以为该电动机对应的推力器出错。阈值出试验和经验确定。然后用伪逆方法确定推力器推力,改变伪逆矩阵实现重新推力分配，穿过推力分配实现容错控制。

（2）日本东京大学智能水下机器人的分析工作重要在东京大学生技术研究所浦环教授负责人的实验室开展。他们开发了Twin-Burgeramp;2、PTEROA150amp;250等多个型号的观察型自主式水下机器人,在水下机器人虚拟世界的仿真方面也做了众多工作[4]。利用基于模子的故障诊断方法：应用神经网络建立水下机器人的动态模子，对传感器输出开展预测。为获得诊断细节,该诊断系统包含了一个机械系统动态的获得诊断所必需的信息。当一种故障被诊断出来时,该系统能处理故障。该方法适用于“双汉堡”水下机器人。

（3）大海旅游者号由佛罗里达州大西洋大学大海工程系和大海科学系研制。它的大大小小和结构与麻省理工学院开发的用来海岸海洋学分析的水下航行器奥德赛相像。Ocean VoyagerⅡ长为24米、排水量约250公斤^[5]。最大速度为1.54 m/s，续航时间约8钟头。佛罗里达大西洋大学也对水下机器人的在线故障检测技术开展了大量的分析。提出将复杂系统视为单输入单输出的分系统，详细介绍了各种故障检测方法：系统甄、模子构建、比较、信息处理等。但其容错控制算法极其简单,只是简单地将故障分系统隔离,不能解决关键分系统出现严重故障时的容错控制。
（4）加拿大留念大学C-Scout水下机器人和加拿大留念大学海洋工程分析中心对C-Scout水下机器人在尾板和尾卡丢失情况下的故障处理和容错控制开展了分析。但其只着想了护持和下潜两种工作状态,并没从一般而言航行状态的角度分析容错控制问题的。
（5）中国哈尔滨工程大学“智水V”水下机器人实验室和哈尔滨工程大学水下机器人实验室开展了水下机器人故障诊断和容错控制的相关工作。刘建成等用改进 Elman网络对水下机器人建模,穿过比较模子输出与实际输出开展故障诊断;王丽荣等利用模糊残差评估器来分析残差信号,穿过某些征兆的从属度来求得各种故障模式的从属度,提高故障诊断的可靠性。故障诊断方面分析较多。在容错控制方面,方少吉施用滑模观测器对水下机器人的状态开展监测,当诊断出传感器出现故障时,用观测器输出替代传感器输出开展取代控制。在推进器方面用神经网络开展故障诊断,并对必定的故障设置了推力器重构的策略。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：15197字