CN110147120B - 一种自主水下航行器舵面主动容错控制方法 - Google Patents

一种自主水下航行器舵面主动容错控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自主水下航行器舵面主动容错控制方法，在故障舵面仍具有一定程度可控性的情况下，考虑故障诊断的完备性能够得到保证，即已经掌握故障舵面对各自由度控制输入所造成的影响，基于控制输入方程，研究受影响自由度所对应舵面的控制输入设计。通过调节执行机构的控制输入，从而实现主动容错控制。

Description

一种自主水下航行器舵面主动容错控制方法
技术领域
本发明属于水下航行器技术领域，具体涉及一种自主水下航行器舵面容错控制方法。
背景技术
水下航行器如今已被较为广泛地应用于科学、军事和商业等领域，如水下设施维护、海洋科学考察、水下搜救和海洋战争等。然而，由于水下环境复杂多变和水中通讯受限等原因，造成水下航行器在执行任务的过程中容易发生各种故障，如传感器失灵、推进器损坏和鳍舵变形等，严重阻碍了水下航行器的应用与推广。据此引入故障诊断和容错控制技术，当航行器发生故障时，应当及时诊断出故障信息，以尽最大可能降低故障带来的危害。现有研究的故障调节或者控制重构均只考虑调整故障舵面所对应自由度的控制输入，却忽略了故障对其它自由度控制输入所造成的影响，造成容错控制设计不够全面。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种自主水下航行器舵面容错控制方法。
技术方案
一种自主水下航行器舵面主动容错控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：判断舵面是否发生故障并且判断故障是否造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变；
步骤2：若故障没有造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变，通过故障调节对发生故障的舵面设计容错控制输入：
Figure BDA0002105992530000021
式中，
Figure BDA0002105992530000022
为加性故障描述因子，
Figure BDA0002105992530000023
运动控制***为舵面i提供的期望输入；
若故障造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变，需将故障影响进行相应的转换之后再进行容错控制设计；
步骤3：计算俯仰力矩因数
Figure BDA0002105992530000024
对横舵角δe的位置导数
Figure BDA0002105992530000025
与偏航力矩因数
Figure BDA0002105992530000026
对垂舵角δr的位置导数
Figure BDA0002105992530000027
为：
Figure BDA0002105992530000028
式中，
Figure BDA0002105992530000029
与
Figure BDA00021059925300000210
分别为横舵和垂舵到浮心的距离与回转体自主水下航行器总长度L之比；
步骤4：由故障产生的附加故障推力绕相应载体坐标轴转动将产生故障力矩，可近似获得：
Figure BDA00021059925300000211
其中，
Figure BDA00021059925300000212
分别为故障产生的Y方向与Z方向的附加故障推力；
步骤5：进行容错控制，进行容错补偿，分别计算推力T、横舵角δe、垂舵角δr、差动舵角δd以及垂舵、差动舵和形变横舵在横滚运动中产生的合力矩K：
Figure BDA00021059925300000213
式中：
Figure BDA00021059925300000214
为期望横舵角；
Figure BDA00021059925300000215
为期望垂舵角；
Figure BDA00021059925300000216
为期望差动舵角；T*为期望推力；ρ为水的密度；
Figure BDA00021059925300000217
为舵的转速；S为舵的面积；
步骤6：根据步骤5设计的控制输入，即可实现舵面容错控制。
有益效果
本发明在故障舵面仍具有一定程度可控性的情况下，考虑故障舵面对各自由度控制输入所造成的影响，通过控制输入方程，设计出受影响自由度所对应舵面的控制输入，将故障舵面的使命分配给冗余执行机构(组合)。在不更换故障舵面的前提下，有效地对其进行容错控制。并且考虑了其他自由度对舵面的影响，更高效地进行主动容错控制。
附图说明
图1为右横舵面向下小角度变形故障图；
图2不同情形下的输出推力与横舵角对比；
图3不同情形下的垂舵角与差动舵角对比；
图4不同情形下的深度和前向速度对比；
图5不同情形下的偏航角和横滚角对比。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明在故障舵面仍具有一定程度可控性的情况下，考虑故障诊断的完备性能够得到保证，即已经掌握故障舵面对各自由度控制输入所造成的影响，基于控制输入方程，研究受影响自由度所对应舵面的控制输入设计。通过调节执行机构的控制输入，从而实现主动容错控制。具体步骤如下：
步骤一：判断舵面是否发生故障并且判断故障是否造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变。
步骤二：若故障没有造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变。可通过故障调节对发生故障的舵面设计容错控制输入。
Figure BDA0002105992530000041
式中
Figure BDA0002105992530000042
为加性故障描述因子，
Figure BDA0002105992530000043
运动控制***为舵面i提供的期望输入。
若故障造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变，需将故障影响进行相应的转换之后再进行容错控制设计。
步骤三：计算俯仰力矩因数对δe的位置导数
Figure BDA0002105992530000044
与偏航力矩因数对δr的位置导数
Figure BDA0002105992530000045
为：
Figure BDA0002105992530000046
式中
Figure BDA0002105992530000047
与
Figure BDA0002105992530000048
分别为横舵和垂舵到浮心的距离与回转体自主水下航行器总长度L之比。
步骤四：由故障产生的附加故障推力绕相应载体坐标轴转动将产生故障力矩，可近似获得：
Figure BDA0002105992530000049
步骤五：进行容错控制，进行容错补偿，分别计算推力、横舵角、垂舵角、差动舵角以及垂舵、差动舵和形变横舵在横滚运动中产生的合力矩
Figure BDA00021059925300000410
式中：
Figure BDA00021059925300000411
为期望横舵角；：
Figure BDA00021059925300000412
为期望垂舵角；
Figure BDA00021059925300000413
为期望差动舵角；T*为期望推力；ρ为水的密度；
Figure BDA00021059925300000414
为舵的转速；S为舵的面积。
步骤六：根据步骤5设计的控制输入，即可实现舵面容错控制。
本实例假设回转体式水下航行器在理想流体中执行固定航向的定深航巧。设置右横舵面在77s时发生向下弯曲的形变故障，取le＝0.3m，γe＝0.52rad和γe＝1.05rad，如图1所示。
步骤一：根据现有的方法，判断舵面是否发生故障并且判断故障是否造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变。
步骤二：通过故障调节对发生故障的舵面设计容错控制输入。
Figure BDA0002105992530000051
步骤三：回转体自主水下航行器舵面形变故障，右横舵面产生的向下小角度变形将在航行器的6个自由度上分别产生
Figure BDA0002105992530000052
和
Figure BDA0002105992530000053
其中
Figure BDA0002105992530000054
对应xB轴的运动受螺旋桨的控制，
Figure BDA0002105992530000055
和
Figure BDA0002105992530000056
所对应自由度的运动受垂舵面的控制。故在横舵面发生形变故障时，需将故障影响进行相应的转换之后再进行容错控制设计。因回转体自主水下航行器为回转体外形，可得
Figure BDA0002105992530000057
步骤四：由故障产生的附加故障推力绕相应载体坐标轴转动将产生故障力矩，可近似获得：
Figure BDA0002105992530000058
步骤五：在进行容错控制设计时舵面故障在xB轴向产生的附加故障推力可通过控制螺旋桨的推力进行容错补偿，即
Figure BDA0002105992530000059
步骤六：对于横舵面所对应自由度上运动的控制，因
Figure BDA00021059925300000510
的存在，可根据步骤二设计容错控制的横舵角：
Figure BDA00021059925300000511
如图2中实线所示的容错螺旋桨推力与横舵角控制输入。图中的点划线与双短线分别表示右横舵面故障却无主动容错控制和舵面故障情况下的控制输入。
步骤七：对于垂舵面所对应自由度上运动的控制，由于
Figure BDA0002105992530000061
的存在，可根据步骤二设计容错控制的垂舵角：
Figure BDA0002105992530000062
步骤八：横滚运动受垂舵与差动舵控制，上文在设计故障调节垂舵角时，在横滚运动中引入了额外的力矩，使得差动舵角的设计既需要补偿因横舵面形变故障而产生的
Figure BDA0002105992530000063
也需要补偿因调节垂舵而引入的附加力矩。为对横滚运动中的
Figure BDA0002105992530000064
进行补偿，据步骤二可设计差动舵角：
Figure BDA0002105992530000065
对垂舵角额外引入力矩的补偿，可设计
Figure BDA0002105992530000066
步骤九：根据步骤八可得差动舵角：
Figure BDA0002105992530000067
如图3中实线所示的容错垂舵与差动舵角控制输入。图中的点划线与双短线分别表示右横舵面故障却无主动容错控制和舵面故障情况下的控制输入。
步骤十：采用以上设计的垂舵角和差动舵角，可得垂舵、差动舵和形变横舵在横滚运动中产生的合力矩：
Figure BDA0002105992530000068
步骤十一：设计右横舵面发生形变故障的回转体自主水下航行器执行定向定深航行，其航行深度、前向速度、偏航角以及横滚角的变化情况如图4与5所示。图4显示了回转体自主水下航行器分别在正常情况、被动容错控制和故障调节主动容错控制作用下，航行深度随时间的变化曲线。从图中可见，故障调节主动容错控制较被动容错控制能够更好地控制回转体自主水下航行器的深度，表明在被动容错控制设计的基础上，故障调节进一步提高了控制的效果，验证了容错控制方法的有效性。

Claims (1)

1.一种自主水下航行器舵面主动容错控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：判断舵面是否发生故障并且判断故障是否造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变；
步骤2：若故障没有造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变，通过故障调节对发生故障的舵面设计容错控制输入：
Figure FDA0002105992520000011
式中，
Figure FDA0002105992520000012
为加性故障描述因子，
Figure FDA0002105992520000013
运动控制***为舵面i提供的期望输入；
若故障造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变，需将故障影响进行相应的转换之后再进行容错控制设计；
步骤3：计算俯仰力矩因数
Figure FDA0002105992520000014
对横舵角δe的位置导数
Figure FDA0002105992520000015
与偏航力矩因数
Figure FDA0002105992520000016
对垂舵角δr的位置导数
Figure FDA0002105992520000017
为：
Figure FDA0002105992520000018
式中，
Figure FDA0002105992520000019
与
Figure FDA00021059925200000110
分别为横舵和垂舵到浮心的距离与回转体自主水下航行器总长度L之比；
步骤4：由故障产生的附加故障推力绕相应载体坐标轴转动将产生故障力矩，可近似获得：
Figure FDA00021059925200000111
其中，
Figure FDA00021059925200000112
分别为故障产生的Y方向与Z方向的附加故障推力；
步骤5：进行容错控制，进行容错补偿，分别计算推力T、横舵角δe、垂舵角δr、差动舵角δd以及垂舵、差动舵和形变横舵在横滚运动中产生的合力矩K：
Figure FDA0002105992520000021
式中：
Figure FDA0002105992520000022
为期望横舵角；
Figure FDA0002105992520000023
为期望垂舵角；
Figure FDA0002105992520000024
为期望差动舵角；T*为期望推力；ρ为水的密度；
Figure FDA0002105992520000025
为舵的转速；S为舵的面积；
步骤6：根据步骤5设计的控制输入，即可实现舵面容错控制。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112537426B (zh) * 2020-12-04 2023-09-29 武汉第二船舶设计研究所(中国船舶重工集团公司第七一九研究所) 舵桨协同x舵应急挽回方法及艉部推进器角度调节装置
CN113467488B (zh) * 2021-08-10 2022-03-22 华中农业大学 X舵水下航行器的多层级容错控制***

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2335728A1 (es) * 2008-09-30 2010-03-31 Instituto Español De Oceanografia Vehiculo sumergido remolcado empleado en la caracterizacion del fondo marino.
CN103116280A (zh) * 2013-01-16 2013-05-22 北京航空航天大学 一种存在变分布网络随机延迟的微小型无人飞行器纵向控制方法
CN103324202A (zh) * 2013-07-12 2013-09-25 无锡华航电子科技有限责任公司 基于舵面故障的容错飞行控制***和方法
CN104022742A (zh) * 2014-06-19 2014-09-03 金陵科技学院 基于神经网络观测器的飞行器姿态鲁棒反演容错控制方法
CN104656453A (zh) * 2015-03-09 2015-05-27 北京航空航天大学 一种基于非相似余度作动***缓变故障的被动容错控制方法
CN104678762A (zh) * 2013-11-29 2015-06-03 哈尔滨恒誉名翔科技有限公司 一种基于推进器故障的uuv容错控制***
CN104898682A (zh) * 2015-05-05 2015-09-09 南京航空航天大学 一种高超声速飞行器再入姿态容错控制方法
CN109814392A (zh) * 2019-02-21 2019-05-28 大连海事大学 一种欠驱动水下机器人执行器故障鲁棒容错控制方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2335728A1 (es) * 2008-09-30 2010-03-31 Instituto Español De Oceanografia Vehiculo sumergido remolcado empleado en la caracterizacion del fondo marino.
CN103116280A (zh) * 2013-01-16 2013-05-22 北京航空航天大学 一种存在变分布网络随机延迟的微小型无人飞行器纵向控制方法
CN103324202A (zh) * 2013-07-12 2013-09-25 无锡华航电子科技有限责任公司 基于舵面故障的容错飞行控制***和方法
CN104678762A (zh) * 2013-11-29 2015-06-03 哈尔滨恒誉名翔科技有限公司 一种基于推进器故障的uuv容错控制***
CN104022742A (zh) * 2014-06-19 2014-09-03 金陵科技学院 基于神经网络观测器的飞行器姿态鲁棒反演容错控制方法
CN104656453A (zh) * 2015-03-09 2015-05-27 北京航空航天大学 一种基于非相似余度作动***缓变故障的被动容错控制方法
CN104898682A (zh) * 2015-05-05 2015-09-09 南京航空航天大学 一种高超声速飞行器再入姿态容错控制方法
CN109814392A (zh) * 2019-02-21 2019-05-28 大连海事大学 一种欠驱动水下机器人执行器故障鲁棒容错控制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A New Coil Structure to Reduce Eddy Current Loss of WPT Systems for Underwater Vehicles;Kehan Zhang等;《EEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY》;20190131;第68卷(第1期);全文 *
水下航行器全动舵可靠性优化设计;宋保维 等;《兵工学报》;20130531;第34卷(第5期);全文 *

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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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