智能水下機器人故障診斷與容錯控制研究.pdf

1、智能水下機器人工作在一個復(fù)雜且不確定的海洋環(huán)境中,且受人工干預(yù)有限,容易出現(xiàn)各種故障,嚴重的故障會導(dǎo)致智能水下機器人的丟失。因此,對智能水下機器人進行故障診斷和容錯控制研究是十分必要的。本文主要在智能水下機器人執(zhí)行器和傳感器的故障診斷與容錯控制方面進行了研究,該項研究具有重要的工程應(yīng)用價值和理論意義。
　　首先,對智能水下機器人進行動力學(xué)和運動學(xué)分析,建立水動力方程和大地坐標系下的運動方程,在此基礎(chǔ)上得到智能水下機器人運動的狀態(tài)方

2、程。根據(jù)狀態(tài)方程給出該系統(tǒng)的執(zhí)行器故障模型和傳感器故障模型,為后續(xù)故障診斷打下基礎(chǔ)。
　　在執(zhí)行器故障模型中,控制輸入由期望的控制力(矩)和由于執(zhí)行器故障導(dǎo)致的控制力(矩)損失兩部分組成。將控制力(矩)損失與運動狀態(tài)一起構(gòu)成擴展狀態(tài),用基于高斯粒子濾波的非線性系統(tǒng)狀態(tài)估計方法估計擴展狀態(tài),從而得到控制力(矩)損失的估計值;利用修正的貝葉斯(MB)方法分析控制力(矩)損失值的時間序列,檢測故障;檢測出故障后,用滑動窗口法估計控制力(

3、矩)損失的幅值。根據(jù)執(zhí)行器與控制力(矩)的關(guān)系,參考當(dāng)前執(zhí)行器的使用情況,將故障定位到執(zhí)行器,完成執(zhí)行器故障診斷。對水平運動面的執(zhí)行器故障診斷進行了MATLAB仿真實驗,結(jié)果表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)執(zhí)行器的故障診斷。實際試驗驗證了該方法的可行性和有效性。
　　在基于高斯粒子濾波的非線性系統(tǒng)擴展狀態(tài)估計中,可以得到運動狀態(tài)的先驗估計值,從而得到輸出的先驗估計值,將此輸出估計值與傳感器的測量值比較得到殘差,通過對殘差序列的閾值分析來診斷傳感

4、器故障。通過MATLAB仿真實驗檢驗了該方法的有效性,并且對執(zhí)行器故障和環(huán)境噪聲具有很強的魯棒性。
　　在分析了ZS智能水下機器人的推力分配方法后,在廣義逆推力分配的基礎(chǔ)上進行推力重分配,即在推力分配中改變推力器約束條件、推力器權(quán)值和推力器配置矩陣。在Simulink中,建立ZS智能水下機器人的推力器故障診斷與容錯控制仿真系統(tǒng),仿真結(jié)果表明故障診斷方法能夠診斷出設(shè)置的故障,容錯控制措施能有效地減輕推力器故障對ZS智能水下機器人運動