萬(wàn)磊, 張英浩, 孫玉山, 李岳明, 何斌
(哈爾濱工程大學(xué) 水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150001)
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基于重構(gòu)容錯(cuò)的智能水下機(jī)器人定深運(yùn)動(dòng)控制
萬(wàn)磊, 張英浩, 孫玉山, 李岳明, 何斌
(哈爾濱工程大學(xué) 水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150001)
為保證智能水下機(jī)器人(AUV)在部分運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器出現(xiàn)故障的情況下,仍可在一定深度下順利完成相應(yīng)任務(wù),提出一種定深容錯(cuò)運(yùn)動(dòng)控制策略。該控制策略針對(duì)某型智能水下機(jī)器人垂向推進(jìn)器的故障,從實(shí)用角度出發(fā),基于重構(gòu)容錯(cuò)控制思想,同時(shí)結(jié)合自抗擾控制(ADRC)方法進(jìn)行具體的控制器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該控制策略中包括兩種定深控制器設(shè)計(jì),分別為垂推正常工況下和垂推故障情況下的定深控制,試圖依靠相關(guān)故障信息,通過(guò)重構(gòu)替換實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。在仿真實(shí)驗(yàn)中,該控制策略于不同環(huán)境干擾下進(jìn)行了相應(yīng)測(cè)試,并與結(jié)合PID方法的定深控制器進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,基于重構(gòu)容錯(cuò)控制思想,并結(jié)合自抗擾控制方法的定深容錯(cuò)控制策略不僅有效,同時(shí)具有更好的抑制干擾作用,從而可以為機(jī)器人提供更優(yōu)的控制效果。
控制科學(xué)與技術(shù); 智能水下機(jī)器人; 容錯(cuò)運(yùn)動(dòng)控制; 重構(gòu)容錯(cuò); 自抗擾控制方法; 定深控制
隨著人類(lèi)對(duì)海洋探測(cè)與開(kāi)發(fā)的不斷深入,可進(jìn)行自主作業(yè)的智能水下機(jī)器人(AUV)受到越來(lái)越廣泛的重視。其作為一類(lèi)人工智能系統(tǒng),需要具有高度的自主性、可靠性以及海洋環(huán)境適應(yīng)性,才能完成復(fù)雜環(huán)境下的相應(yīng)任務(wù)。對(duì)AUV而言,控制系統(tǒng)的容錯(cuò)控制能力是保障其能在故障情況下,安全運(yùn)行的最后一道防線。
當(dāng)前對(duì)于AUV的容錯(cuò)控制,從公開(kāi)的資料可知,主要集中在兩個(gè)方面:一方面是針對(duì)AUV上的傳感器進(jìn)行容錯(cuò)控制方法研究[1-3],如Liang等[1]通過(guò)使用滑動(dòng)觀測(cè)器來(lái)更換故障傳感器輸出的方式,進(jìn)行容錯(cuò)控制策略的制定;朱大奇等[2]通過(guò)使用有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器輸出替代故障傳感器信號(hào),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳感器故障下的容錯(cuò)控制。另一方面是針對(duì)AUV上的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行容錯(cuò)控制方法研究[4-6],如Podder等[4]通過(guò)在AUV上安裝冗余推進(jìn)器,建立冗余推進(jìn)器的推力分配方案,從而達(dá)到容錯(cuò)控制的目的;Choi等[5]針對(duì)一安裝有兩臺(tái)垂向推進(jìn)器和4臺(tái)水平推進(jìn)器的AUV進(jìn)行容錯(cuò)控制研究,試圖建立在特定故障情況下使其完成三維特定路徑跟蹤的控制方法。但是,不論是針對(duì)“傳感器的容錯(cuò)控制”,還是針對(duì)“運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器的容錯(cuò)控制”,各位學(xué)者的研究思路都基本一致,那就是針對(duì)出現(xiàn)的故障,嘗試選用合適的新方法對(duì)原有出現(xiàn)故障的部分進(jìn)行“替代”。由于AUV的很多任務(wù)都是在其到達(dá)指定深度之后開(kāi)始的,因而研究AUV的定深容錯(cuò)控制,將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
本文將根據(jù)前人研究問(wèn)題的思路,從實(shí)用角度出發(fā),嘗試根據(jù)重構(gòu)容錯(cuò)控制的思想,結(jié)合自抗擾控制器,來(lái)建立某型AUV的定深容錯(cuò)控制策略,并期望通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)AUV在復(fù)雜環(huán)境下的定深運(yùn)動(dòng)。
1.1坐標(biāo)系建立及控制對(duì)象執(zhí)行器布局
為描述問(wèn)題方便,本文在AUV垂向運(yùn)動(dòng)面共建立兩個(gè)坐標(biāo)系,分別是大地坐標(biāo)系Eξζ({N})和艇體坐標(biāo)系Oxz({B}),見(jiàn)圖1所示。{N}的原點(diǎn)E可選擇地球上任意一點(diǎn),Eξ軸常以AUV的主航向?yàn)檎?Eζ軸位于軸Eξ所在的垂直面,將軸Eξ順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°即是,{N}是AUV運(yùn)動(dòng)的慣性坐標(biāo)系;{B}的原點(diǎn)O與AUV的重心G重合,Ox軸、Oz軸的位置確定方法與{N}中的規(guī)定相似。
圖1 {N}坐標(biāo)系和{B}坐標(biāo)系的示意圖Fig.1 General frameworks of {N} and {B}
本文研究對(duì)象是哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的某型AUV,其主體大致成細(xì)長(zhǎng)回轉(zhuǎn)體,艇體艉部安裝有舵、翼和主推等運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器各1套,同時(shí)在主艇體的近艏部和近艉部分別安裝有垂向推進(jìn)器各1臺(tái),該AUV的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器相關(guān)布置如圖2所示,其中HF、VF1、VF2、L1和L2分別表示主推產(chǎn)生的推力、艏垂推產(chǎn)生的推力、艉垂推產(chǎn)生的推力、艏垂推距艇體重心的距離和艉垂推距艇體重心的距離。
圖2 AUV運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器布置示意圖Fig.2 Layout of an AUV’s motion executers
1.2運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型的建立
由文獻(xiàn)[7]可知,當(dāng)AUV在垂直面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí),其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及動(dòng)力學(xué)模型可分別表示為(1)式和(2)式。
(1)
(2)
C(V)為向心力矩陣,可表示為
D(V)為阻尼矩陣,可表示為
2.1自抗擾控制基本思想
目前的控制方法有很多,考慮到AUV實(shí)際運(yùn)動(dòng)的非線性以及工作環(huán)境的復(fù)雜性,所以嘗試采用自抗擾控制(ADRC)方法進(jìn)行AUV執(zhí)行器的控制設(shè)計(jì)。ADRC是由韓京清提出的一種控制方法[8],其繼承了傳統(tǒng)PID“基于誤差,消除誤差”的思想,并使用新設(shè)計(jì)的非線性反饋來(lái)克服一些傳統(tǒng)PID控制的缺點(diǎn),具有超調(diào)小、控制精度高以及抗擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
2.2ADRC控制器的設(shè)計(jì)
ADRC控制器主要包括:跟蹤微分控制器(TD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)、誤差的非線性反饋(NLSEF)以及擾動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償?shù)炔糠?。若?階ADRC控制器建立AUV縱向速度控制器為例[9],則其信息流框架如圖3所示。
圖3 AUV縱向速度ADRC控制器的信息流框架Fig.3 Information flow frame work of an AUV’s longitudinal velocity controller based on ADRC
圖3所示的ud和u分別為期望縱向速度和AUV縱向速度輸出,其他變量為ADRC控制器計(jì)算所需的中間變量。TD、ESO、NLSEF及擾動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償各自都有若干種算法[10]。本文根據(jù)控制需求,將圖2中TD、ESO、NLSEF及擾動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償?shù)乃惴ǚ謩e設(shè)計(jì)如下所示。
TD:
(3)
式中:r為快速因子;h0為濾波因子;h為積分步長(zhǎng);fh為一個(gè)計(jì)算過(guò)程量。
ESO:
(4)
式中:β01、β02、β03為增益系數(shù);δ為可調(diào)參數(shù)。
NLSEF:
x3=-fhan(e1,e2,r,h).
(5)
擾動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償:
x4=x3-z3×b-1,
(6)
式中:b為可調(diào)參數(shù)。
(3)式~(5)式中fhan(·)和fal(·)的定義如文獻(xiàn)[10]中所述。通過(guò)ADRC,可以將縱向速度的控制問(wèn)題,轉(zhuǎn)化為縱向速度偏差e1和縱向速度偏差變化率e2的鎮(zhèn)定問(wèn)題。在無(wú)外界干擾下,調(diào)整合適的控制參數(shù)后,分別設(shè)置期望速度ud為1 kn、2 kn和3 kn,則該速度控制器的控制效果如圖4所示。
圖4 ADRC縱向速度控制效果圖Fig.4 Control results of an AUV’s longitudinal velocity controller based on ADRC
由圖4可見(jiàn),基于ADRC的縱向速度控制器具有良好的控制效果,并且可根據(jù)AUV運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器的實(shí)際情況,通過(guò)調(diào)整TD的參數(shù)來(lái)控制響應(yīng)速度。
3.1AUV的運(yùn)動(dòng)容錯(cuò)控制思路
對(duì)于AUV的運(yùn)動(dòng)容錯(cuò)控制而言,可簡(jiǎn)單將其分為“硬容錯(cuò)”和“軟容錯(cuò)”兩大類(lèi)?!坝踩蒎e(cuò)”是指單純通過(guò)對(duì)重要運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器及易發(fā)生故障的部分提供備份實(shí)現(xiàn)容錯(cuò),如在AUV的艉部呈“十字”對(duì)稱(chēng)安裝推進(jìn)器,當(dāng)一臺(tái)推進(jìn)器出現(xiàn)故障時(shí),就可以利用其它仍正常的推進(jìn)器繼續(xù)工作;“軟容錯(cuò)”是指利用系統(tǒng)中不同部件在功能上的冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò),如重構(gòu)容錯(cuò)控制和魯棒容錯(cuò)控制等[11]?;凇坝踩蒎e(cuò)”的方法可靠性好,但需要消耗較多硬件資源,成本較高;而基于“軟容錯(cuò)”的方法在硬件實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)方面靈活性較大,并且在成本方面,相比“硬容錯(cuò)”而言,消耗較低。由于一般情況下都會(huì)考慮AUV的艇體空間以及造價(jià)成本的限制問(wèn)題,因而在AUV的運(yùn)動(dòng)容錯(cuò)控制方面不會(huì)完全采用“硬容錯(cuò)”,而是會(huì)在一定的硬件可靠性條件下,更傾向于使用“軟容錯(cuò)”方法。
3.2AUV定深運(yùn)動(dòng)的重構(gòu)容錯(cuò)
重構(gòu)容錯(cuò)控制,指在設(shè)置故障診斷的基礎(chǔ)上,根據(jù)診斷提供的信息,對(duì)故障部件進(jìn)行隔離,并利用原有部件的功能冗余,使系統(tǒng)利用剩下的部件繼續(xù)工作[12]。重構(gòu)容錯(cuò)控制要求系統(tǒng)具有一定的冗余性,并使重構(gòu)后的系統(tǒng)性能盡可能接近原有狀態(tài)。從1.1節(jié)中可知,對(duì)于AUV在Eξζ二維面內(nèi),存在主推、垂推和翼等3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器,即該AUV在垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制上具有冗余性。因而,針對(duì)垂向推進(jìn)器的故障,可以根據(jù)重構(gòu)容錯(cuò)控制的思想,設(shè)計(jì)圖5所示的定深容錯(cuò)控制策略,即當(dāng)垂推工作正常時(shí),AUV只通過(guò)垂向推進(jìn)器來(lái)達(dá)到指定深度,之后再執(zhí)行下一步的任務(wù);當(dāng)垂推工作出現(xiàn)故障時(shí),可以將垂向推進(jìn)器關(guān)閉隔離,然后開(kāi)啟主推,通過(guò)與翼的聯(lián)合控制來(lái)達(dá)到指定深度,之后再執(zhí)行下一步的任務(wù)。
圖5 AUV一般定深容錯(cuò)控制策略Fig.5 Information flow frame work of an AUV’s depth fault-tolerant control
進(jìn)行這樣的控制策略設(shè)計(jì)主要有兩點(diǎn)原因:1)垂推正常工作時(shí),AUV上的兩個(gè)垂推都需要進(jìn)行工作,一方面是保證AUV的深度控制,另一方面則是要保證將AUV的縱傾限定在一定范圍內(nèi),因?yàn)榭v傾過(guò)大會(huì)導(dǎo)致艇體上安裝的部分傳感器失靈,如超短基線發(fā)射器;2)一般情況下,AUV在定深情況下都會(huì)做巡航任務(wù),對(duì)于垂向推進(jìn)器而言,在AUV存在較大縱向速度時(shí),垂向推進(jìn)器的輸出效率會(huì)有很大的削弱,這種條件下使用垂向推進(jìn)器不會(huì)產(chǎn)生明顯的控制效果,而使用舵翼控制則效果顯著?;谝陨蟽牲c(diǎn),在一般定深任務(wù)中,當(dāng)垂向推進(jìn)器出現(xiàn)故障時(shí),則不考慮垂推是否可以部分運(yùn)行,都會(huì)直接將2臺(tái)垂推完全關(guān)閉,改由“主推+翼”的定深控制方式進(jìn)行重構(gòu)取代。
下面分別說(shuō)明“雙垂推”控制和“主推+翼”控制兩種工況下的控制器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn):
1) 垂推正常情況下,“雙垂推”控制??刂戚斎肓棣?[0,Z,0]T,通過(guò)設(shè)計(jì)深度ADRC控制器可以得到Z的具體數(shù)值,然后根據(jù)(7)式進(jìn)行2臺(tái)垂推的推力分配。
(7)
θd=A×(ζ-ζd)-1,
(8)
式中:θd為期望縱傾角;ζd為期望深度;A為可控參數(shù)。根據(jù)AUV的實(shí)際運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行選擇A,若AUV的機(jī)動(dòng)性較好,則可將A取大些;若機(jī)動(dòng)性較差,則應(yīng)適當(dāng)取小些。
圖6 故障條件下AUV定深容錯(cuò)控制的信息流框架Fig.6 Information flow frame work of an AUV’s depth control method when vertical thrusters are in fault
AUV的深度和縱傾ADRC控制器的設(shè)計(jì)與2.2節(jié)中縱向速度控制器的設(shè)計(jì)相似。所以說(shuō),利用重構(gòu)容錯(cuò)的方式,在AUV的執(zhí)行器出現(xiàn)故障時(shí),進(jìn)行容錯(cuò)控制的本質(zhì)就是在故障診斷的基礎(chǔ)上,隔離故障執(zhí)行機(jī)構(gòu),然后根據(jù)AUV任務(wù)需求,重新進(jìn)行推力控制率設(shè)計(jì)的過(guò)程。
垂推故障有時(shí)存在特殊情況,此種情況是指AUV中只有1臺(tái)垂向推進(jìn)器出現(xiàn)故障,且所執(zhí)行的任務(wù)為“低速定深巡航”時(shí),可以在“主推+翼”的控制方式基礎(chǔ)上,加入“垂推”,即“垂推+主推+翼”控制。因?yàn)榇藭r(shí)垂向推進(jìn)器并未因縱向速度的增加而出現(xiàn)輸出效率的大幅衰減,且低速時(shí)翼的控制效果不明顯。這種情況下,控制過(guò)程的信息流框架與圖6中相似,不同之處在于“垂向輸入”。在這種情況下,“垂向輸入”不為0,而是應(yīng)在垂向建立“垂推ADRC控制器”。以“艏垂正常,艉垂故障”為例,則此時(shí)控制力輸入為τ=[X,VF1,M]T. 同時(shí),由于只有艏垂工作,這樣會(huì)額外產(chǎn)生VF1×L1的縱傾力矩。因而在AUV到達(dá)指定深度后,若想減弱甚至消除這種縱傾力矩的影響,則需要垂推自身進(jìn)行調(diào)節(jié),并通過(guò)翼協(xié)助進(jìn)行平衡,即可通過(guò)設(shè)定某“特定縱傾角范圍”,當(dāng)AUV的縱傾角在這個(gè)特定范圍內(nèi)的時(shí)候,控制以深度為主;當(dāng)AUV的縱傾角超過(guò)這個(gè)特定范圍的時(shí)候,則暫時(shí)放棄深度控制,而改為縱傾控制。
“艉垂正常,艏垂故障”的情況與上述情況類(lèi)似,在此不再贅述。
4.1關(guān)于控制對(duì)象及仿真說(shuō)明
控制對(duì)象的艇長(zhǎng)4.5 m,質(zhì)量700 kg,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Iy=1 430 kg·m2,其他仿真所需相關(guān)無(wú)因次化水動(dòng)力系數(shù)如表1所示。
表1 AUV部分無(wú)因次化水動(dòng)力系數(shù)
仿真所用AUV翼,在不同航速u(mài)d下的部分升力曲線如圖7所示,可知翼在低速時(shí)的控制能力有限。
圖7 不同航速下AUV翼的升力曲線Fig.7 Lift curves of AUV’s wing at different velocities
在進(jìn)行仿真之前,需進(jìn)行如下假設(shè):
1)忽略環(huán)境干擾對(duì)垂向推力器的影響;
2)垂向推力器在正常工作狀態(tài)下,正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)具有相同的推力效果;
3)故障診斷是準(zhǔn)確的,不存在誤報(bào)、漏報(bào)等情況,一旦垂向推進(jìn)器出現(xiàn)故障,就認(rèn)為該推力器已經(jīng)完全不能工作;
4)在垂向水深(Eζ向)環(huán)境中,存在如圖8所示的隨機(jī)干擾力。
圖8 垂向隨機(jī)干擾力Fig.8 Vertical disterbance
設(shè)定ADRC控制器的相關(guān)參數(shù):
1)積分步長(zhǎng):h=0.01;
2)TD參數(shù):h0=0.01,r=0.02;
4)NLSEF參數(shù):r=0.02;
5)擾動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償參數(shù):b=1.
4.2定深容錯(cuò)仿真及結(jié)果分析
針對(duì)上述控制對(duì)象,在MATLAB/Simulink中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,得到如下結(jié)果:
1)垂推正常工作情況下,將期望深度設(shè)定為6 m,則定深控制效果如圖9所示。
圖9 垂推正常情況下定深6 m控制效果圖Fig.9 Control result at 6 m in depth when vertical thrusters are in normal
在干擾存在情況下,深度ADRC控制器可以完成定深控制,并且可以從初始狀態(tài)以近乎沒(méi)有超調(diào)的方式進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。其中,在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之前的深度變化率與垂向推進(jìn)器的性能相關(guān);在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后會(huì)存在一些波動(dòng),這是由于外界干擾力有時(shí)會(huì)超過(guò)垂向推進(jìn)器的調(diào)節(jié)能力造成的。
2)在垂推故障的一般情況下,根據(jù)容錯(cuò)控制策略,將定深控制方法切換為“主推+翼”控制,設(shè)定于3 kn航速下進(jìn)行定深控制,為顯示結(jié)合ADRC方法的容錯(cuò)控制器效果,將其仿真結(jié)果與在工程中廣泛應(yīng)用的PID控制器效果相對(duì)比。設(shè)定PID控制器的參數(shù)為:KP=500,KI=40,KD=1 300.
除在先前隨機(jī)干擾條件下進(jìn)行定深6 m的仿真外,還另外添加1組在垂向存在正弦干擾為f=10sin 0.5t條件下定深3 m的仿真。則在垂推故障的情況下,結(jié)合ADRC方法的定深控制和結(jié)合PID的定深控制對(duì)比結(jié)果如圖10和圖11所示。
圖10 垂推一般故障情況下定深3 m和定深6 m控制對(duì)比圖Fig.10 Control results at 3 m and 6 m in depth when both vertical thrusters are in fault
從圖10可知,在不改變控制參數(shù)的前提下,兩種基于“重構(gòu)容錯(cuò)”思想,但結(jié)合不同控制方法設(shè)計(jì)的定深容錯(cuò)控制器均可以在干擾下完成相應(yīng)深度控制,說(shuō)明兩種控制方法均具有較好的可擴(kuò)展性,單從“定深控制角度”來(lái)說(shuō),二者控制水平幾乎相當(dāng)。
但從AUV的“期望任務(wù)執(zhí)行角度”考慮,結(jié)合ADRC的容錯(cuò)控制方法要具有更優(yōu)的效果,因?yàn)閺膱D11可看出,這種控制器在整個(gè)定深過(guò)程中,以及進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后,相比而言都具有更小的縱傾變化,這將更有利于AUV上的聲學(xué)設(shè)備,如側(cè)掃聲納、淺剖聲納以及其他傳感器的穩(wěn)定工作,保證了AUV在執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)中的高精度數(shù)據(jù)采集。
圖11 垂推一般故障情況下定深6 m的縱傾對(duì)比效果及虛線框部分放大圖Fig.11 Pitch control results at 6 m in depth when both vertical thrusters are in fault and enlarged detail of the dashed frame
圖12 艉垂故障情況下定深4 m的控制對(duì)比圖Fig.12 Control results at 4 m in depth when stern vertical thruster is in fault
圖13 艉垂故障情況下定深4 m的縱傾對(duì)比效果及虛線框部分放大圖Fig.13 Pitch control results at 4 m in depth when stern vertical thruster is in fault and enlarged detail of the dashed frame
控制結(jié)果表明,除在深度控制外,結(jié)合ADRC的容錯(cuò)控制方法在AUV的縱傾控制中,同樣具有更優(yōu)的響應(yīng)速度以及控制精度。
本文主要研究了基于重構(gòu)容錯(cuò)思想,并結(jié)合ADRC的定深容錯(cuò)控制策略的實(shí)現(xiàn)。分別設(shè)計(jì)了AUV在垂推正常工作情況下和出現(xiàn)故障情況下的深度控制方法。仿真實(shí)驗(yàn)表明,該控制策略可以完成定深控制,并且在與結(jié)合傳統(tǒng)PID的容錯(cuò)控制對(duì)比實(shí)驗(yàn)中表明,結(jié)合ADRC的控制器能夠?qū)ν饨绺蓴_具有更好的抑制作用,可以在AUV處于部分執(zhí)行器故障的情況下,帶來(lái)更穩(wěn)定的控制效果。本文當(dāng)前只是進(jìn)行了二維面內(nèi)單故障條件下,深度容錯(cuò)控制的研究,因而,對(duì)于二維面內(nèi)多故障條件下,甚至更復(fù)雜三維空間運(yùn)動(dòng)的容錯(cuò)控制研究,將是下一階段的主要研究方向。
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AUV’s Depth Control Based on Reconstructive Fault-tolerant Control
WAN Lei, ZHANG Ying-hao, SUN Yu-shan, LI Yue-ming, HE Bin
(Science and Technology on Underwater Vehicle Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China)
A depth fault-tolerant control strategy is proposedto make sure an autonomous underwater vehicle (AUV) can finish the expected tasks successfully when its one or more motion executers are in fault. The control strategy is based on reconstructable fault-tolerant control theory, and the active disturbance rejection control (ADRC) is used to achieve the design and implementation of controllers. The strategy includes two control methods, in which one is used when the motion executers work in normal and the other is used when one or more motion executers are in fault. These two methods can change from one to another according to the fault diagnosis of the executers. In simulation experiment, the control strategy is tested in different environmental disturbances and compared with the strategy with PID. The results show that the depth fault-tolerant control strategy based on reconstructable fault-tolerant control theory and ADRC is not only effective but also has stronger disturbance resistance.
control science and technology; autonomous underwater vehicle; fault-tolerant control; reconstructable fault-tolerant control; active disturbance rejection control method; depth control
2014-05-23
中國(guó)博士后科學(xué)基金第5批特別資助項(xiàng)目(2012T50331);國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2008AA092301-2)
萬(wàn)磊(1965—),男,研究員。E-mail:wanlei@hrbeu.edu.cn
TP242
A
1000-1093(2015)04-0723-08
10.3969/j.issn.1000-1093.2015.04.022