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舵桨联控式水下机器人容错控制技术研究

杨立平  
【摘要】:随着陆地上不可再生资源的日益减少,海洋在人类生存发展中的资源地位愈加突出,水下机器人在海洋开发中具有重要的不可替代的作用。舵桨联控式水下机器人通过多个螺旋桨产生推力,结合操控舵、翼来进行运动控制和姿态调整,其结构形式与控制方式有别于流线型单推进器水下机器人,受到该领域研究人员的关注。研究舵桨联控式水下机器人的自主故障诊断和容错控制技术对于提高其智能化水平和加快实用化进程具有重要的研究意义和实用价值。 本文在舵桨联控式水下机器人的载体技术、动力学建模及运动控制技术研究基础上,着重研究了故障诊断与主动容错控制技术。 为研究舵桨联控式水下机器人体系结构、舵桨协调控制、故障诊断及容错控制技术,研制舵桨联控式水下机器人实验平台—“海鷁-Ⅰ”号。包括推进器、舵机子系统的执行器系统及包括控制、能源、感知子系统的控制系统的设计、安装和调试等,为研究舵桨联控式水下机器人的故障诊断及容错技术提供研究和实验载体。 研究“海鷁-Ⅰ”舵桨联控式水下机器人的舵、翼水动力性能,探讨舵升力、阻力系数表示方法,建立升力、阻力模型,分析驱动力及执行器作用力,研究控制分配方法。建立“海鷁-Ⅰ”水下机器人动力学解析模型,基于最小二乘法对推进器、本体及舵动力学模型参数进行辨识,进行仿真验证以及实验平台的水池实验研究与验证。 针对水下机器人一般模型控制方法受模型精度影响而使控制性能降低的问题,研究基于一般模型控制和神经网络的模型扰动项在线调整方法相结合的运动控制方法。为提高执行器饱和状态下的控制性能,探讨基于平滑变参数条件积分法的水下机器人抗积分饱和控制方法,建立基于神经网络的水下机器人抗积分饱和一般模型控制器。进行仿真和实验平台的水池实验研究与验证。 针对加权伪逆法控制分配不能得到控制量可达域内最优解的问题,探讨伪逆二次规划控制分配方法,以克服加权伪逆法控制分配时得不到约束范围内最优解的不足。研究基于l2、l∞范数及控制量变化量最小的优化控制分配方法,探讨基于矩阵转换的求解方法。通过最大控制量权值矩阵及控制量变化量权值矩阵不同取值情况下的仿真与水池实验,探讨所提出方法在降低控制量变化量和最大控制量方面的有效性。 研究舵桨联控式水下机器人推进器容错控制技术。为根据推进器故障程度进行推进器容错,在对传统的基于控制分配的推进器容错方法分析的基础上,探讨基于指数优先等级因子的容错控制分配策略以及指数优先等级因子的确定方法。进行模拟故障的水池实验验证。 研究舵桨联控式水下机器人舵的故障诊断与容错控制技术。研究基于主动诊断所得的角速度残差值和角度残差变化趋势来判定舵卡死和舵变形故障的分离方法,在舵故障分离基础上,研究基于残差、阈值和纵向速度的舵卡死角度确定方法。根据“海鷁-Ⅰ”水下机器人的故障模拟实验,建立了故障程度判断决策表和舵卡死角度判断决策表。进行舵卡死对舵桨联控水下机器人动力学特性影响程度的分析,研究基于参数矩阵调整的舵卡死故障容错控制的方法。进行舵故障模拟实验和卡死故障容错仿真实验验证。


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