智能水下機(jī)器人故障診斷與容錯(cuò)控制研究.pdf

1、智能水下機(jī)器人工作在一個(gè)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(yán)重的故障會(huì)導(dǎo)致智能水下機(jī)器人的丟失。因此,對(duì)智能水下機(jī)器人進(jìn)行故障診斷和容錯(cuò)控制研究是十分必要的。本文主要在智能水下機(jī)器人執(zhí)行器和傳感器的故障診斷與容錯(cuò)控制方面進(jìn)行了研究,該項(xiàng)研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和理論意義。
　　首先,對(duì)智能水下機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,建立水動(dòng)力方程和大地坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)方程,在此基礎(chǔ)上得到智能水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)一起構(gòu)成擴(kuò)展?fàn)顟B(tài),用基于高斯粒子濾波的非線性系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法估計(jì)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài),從而得到控制力(矩)損失的估計(jì)值;利用修正的貝葉斯(MB)方法分析控制力(矩)損失值的時(shí)間序列,檢測(cè)故障;檢測(cè)出故障后,用滑動(dòng)窗口法估計(jì)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(duì)水平運(yùn)動(dòng)面的執(zhí)行器故障診斷進(jìn)行了MATLAB仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)執(zhí)行器的故障診斷。實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)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(kuò)展?fàn)顟B(tài)估計(jì)中,可以得到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的先驗(yàn)估計(jì)值,從而得到輸出的先驗(yàn)估計(jì)值,將此輸出估計(jì)值與傳感器的測(cè)量值比較得到殘差,通過(guò)對(duì)殘差序列的閾值分析來(lái)診斷傳感

4、器故障。通過(guò)MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了該方法的有效性,并且對(duì)執(zhí)行器故障和環(huán)境噪聲具有很強(qiáng)的魯棒性。
　　在分析了ZS智能水下機(jī)器人的推力分配方法后,在廣義逆推力分配的基礎(chǔ)上進(jìn)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(jī)器人的推力器故障診斷與容錯(cuò)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(cuò)控制措施能有效地減輕推力器故障對(duì)ZS智能水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)