AUV協(xié)同定位中的故障診斷與容錯控制研究.pdf

1、隨著自主水下潛器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）的有效性和可靠性的提高，AUV被廣泛應用于商業(yè)、科學和軍事等領(lǐng)域。但是受到體積、能量和導航環(huán)境的限制，長時間、高精度的定位性能就成為AUV一項重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。多AUV協(xié)同定位作為一種新的水下定位技術(shù)，不僅能夠提高定位精度，而且還具有單AUV所不具有的多種優(yōu)勢，已成為水下定位的一個研究熱點。受限于復雜的水下環(huán)境，安全性和可靠性成為水下協(xié)同定位系統(tǒng)的技術(shù)難

2、點。本文從提高系統(tǒng)的可靠性和安全性出發(fā)，主要圍繞多AUV的協(xié)同定位算法及AUV協(xié)同定位過程中的故障診斷與容錯控制技術(shù)展開研究。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、呕趥鹘y(tǒng)二維笛卡爾坐標系下的AUV運動學方程，采用了一種距離加方位觀測信息法對AUV進行協(xié)同定位。為評價該方法的性能，利用李導數(shù)對系統(tǒng)的可觀測性進行了分析。針對AUV的曲線運動特點，提出了一種極坐標下的AUV協(xié)同定位算法，并利用李導數(shù)對系統(tǒng)的可觀測性進行了分析。最后，鑒于 AUV

3、的空間運動特性，將AUV的運動學方程由平面擴展到空間，建立了球坐標系下的子AUV的運動學方程。
　?、品治隽藗鹘y(tǒng)的多模型自適應估計（Multiple-Model Adaptive Estimation，MMAE）故障診斷技術(shù)的缺陷，詳細介紹了擴展多模型自適應估計（ Extended Multiple-Model Adaptive Estimation，EMMAE）故障診斷法，結(jié)合子AUV六自由度非線性動力學方程，將故障的執(zhí)行器或傳

4、感器信息作為擴展的狀態(tài)變量，設(shè)計了一種基于擴展多模型自適應無跡卡爾曼濾波（ Extended Multiple-Model Adaptive Unscented Kalman Filter， EMMAUKF）的AUV協(xié)同定位中的非線性故障診斷算法。為進一步提高聯(lián)合狀態(tài)估計和故障診斷精度，在EMMAUKF的基礎(chǔ)上，提出了一種基于擴展多模型自適應容積卡爾曼濾波（Extended Multiple-Model Adaptive Cubatur

5、e Kalmam Filter，EMMACKF）的非線性故障診斷算法。
　?、轻槍U展多模型自適應估計算法不能很好地處理模型切換時造成突變誤差的缺陷，采用一種基于容積卡爾曼濾波（Cubature Kalmam Filter，CKF）的交互多模型非線性故障診斷算法。并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于擴展交互多模型強跟蹤容積卡爾曼濾波算法（Extended Interacting Multiple-Model Strong Tracking

6、Cubature Kalmam Filter， EIMM-STCKF）的故障診斷法來對AUV協(xié)同定位中的故障進行診斷。此外，考慮到多漸消因子在濾波算法的應用，本文進一步提出了一種基于擴展交互多模型的多漸消因子強跟蹤容積卡爾曼濾波（Extended Interacting Multiple-Model Multiple Fading Factors Strong Tracking Cubature Kalmam Filter，EIMM-M

7、STCKF）算法來對AUV協(xié)同定位中的故障進行診斷，仿真結(jié)果驗證了EIMM-MSTCKF故障診斷算法的有效性。
　　⑷研究了基于EIMM-MSTCKF的AUV協(xié)同定位系統(tǒng)中的容錯控制技術(shù)。從原理上證明了AUV系統(tǒng)容錯控制器的存在性，然后推導了AUV系統(tǒng)的誤差模型，并針對該誤差模型的特點，提出了一種新的非線性容錯控制器設(shè)計方案，此方案將系統(tǒng)的狀態(tài)方程拆分為有輸入項和無輸入項，然后分別針對不同的子塊設(shè)計其相應的反饋增益，進而得到系統(tǒng)整

8、體的反饋增益，最后利用李雅普諾夫函數(shù)證明了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對協(xié)同定位過程中出現(xiàn)的一種特殊的故障-遇移動障礙物時路線變更問題，提出了一種利用幾何法對子AUV的路線進行重新規(guī)劃的算法，即實現(xiàn)了子AUV的容錯控制設(shè)計，并通過仿真對該算法的有效性與可行性進行驗證。
　?、设b于試驗條件的限制，針對AUV協(xié)同定位系統(tǒng)的兩類故障（包含DVL傳感器故障，水聲調(diào)制解調(diào)器故障），利用EIMM-MSTCKF對AUV協(xié)同定位中的故障進行診斷；并針對協(xié)