AUV協(xié)同定位中的故障診斷與容錯(cuò)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(yīng)用于商業(yè)、科學(xué)和軍事等領(lǐng)域。但是受到體積、能量和導(dǎo)航環(huán)境的限制，長時(shí)間、高精度的定位性能就成為AUV一項(xiàng)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(gè)研究熱點(diǎn)。受限于復(fù)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(diǎn)。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(cuò)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(biāo)系下的AUV運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，采用了一種距離加方位觀測信息法對AUV進(jìn)行協(xié)同定位。為評價(jià)該方法的性能，利用李導(dǎo)數(shù)對系統(tǒng)的可觀測性進(jìn)行了分析。針對AUV的曲線運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出了一種極坐標(biāo)下的AUV協(xié)同定位算法，并利用李導(dǎo)數(shù)對系統(tǒng)的可觀測性進(jìn)行了分析。最后，鑒于 AUV

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

4、感器信息作為擴(kuò)展的狀態(tài)變量，設(shè)計(jì)了一種基于擴(kuò)展多模型自適應(yīng)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(jìn)一步提高聯(lián)合狀態(tài)估計(jì)和故障診斷精度，在EMMAUKF的基礎(chǔ)上，提出了一種基于擴(kuò)展多模型自適應(yīng)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(kuò)展多模型自適應(yīng)估計(jì)算法不能很好地處理模型切換時(shí)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(kuò)展交互多模型強(qiáng)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(jìn)行診斷。此外，考慮到多漸消因子在濾波算法的應(yīng)用，本文進(jìn)一步提出了一種基于擴(kuò)展交互多模型的多漸消因子強(qiáng)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(jìn)行診斷，仿真結(jié)果驗(yàn)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(cuò)控制技術(shù)。從原理上證明了AUV系統(tǒng)容錯(cuò)控制器的存在性，然后推導(dǎo)了AUV系統(tǒng)的誤差模型，并針對該誤差模型的特點(diǎn)，提出了一種新的非線性容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)方案，此方案將系統(tǒng)的狀態(tài)方程拆分為有輸入項(xiàng)和無輸入項(xiàng)，然后分別針對不同的子塊設(shè)計(jì)其相應(yīng)的反饋增益，進(jìn)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(dòng)障礙物時(shí)路線變更問題，提出了一種利用幾何法對子AUV的路線進(jìn)行重新規(guī)劃的算法，即實(shí)現(xiàn)了子AUV的容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)，并通過仿真對該算法的有效性與可行性進(jìn)行驗(yàn)證。
　?、设b于試驗(yàn)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(jìn)行診斷；并針對協(xié)