基于自適應(yīng)反步滑模的AUV推進(jìn)器容錯(cuò)控制

張瀚文,王俊雄

基于自適應(yīng)反步滑模的AUV推進(jìn)器容錯(cuò)控制

張瀚文,王俊雄

(上海交通大學(xué) 船舶海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海,200240)

為了實(shí)現(xiàn)自主水下航行器(AUV)在推進(jìn)器故障的情況下對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的魯棒性要求,針對(duì)AUV的六自由度非線性矢量運(yùn)動(dòng)模型,設(shè)計(jì)了自適應(yīng)反步滑模運(yùn)動(dòng)跟蹤控制器,并在推力分配中考慮推進(jìn)器故障特點(diǎn),建立連續(xù)時(shí)變的故障模型。結(jié)合故障信息,基于偽逆法技術(shù),在調(diào)節(jié)控制器配置結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上增加了對(duì)故障的調(diào)節(jié)功能,可以通過(guò)更改控制輸入對(duì)故障進(jìn)行修正,對(duì)不同的故障類型分別采取故障調(diào)節(jié)和控制重構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器故障狀態(tài)下的容錯(cuò)控制,有效提高了容錯(cuò)控制算法的應(yīng)用普適性。在仿真中,通過(guò)模擬多種不同的故障模式,驗(yàn)證了自適應(yīng)容錯(cuò)控制器在推進(jìn)器故障情況下對(duì)AUV運(yùn)動(dòng)控制的有效性。

自主水下航行器; 推進(jìn)器; 自適應(yīng)控制; 故障調(diào)節(jié); 容錯(cuò)控制

0 引言

作為一種探測(cè)海洋的有效手段,水下航行器具有廣泛的應(yīng)用前景,可完成探測(cè)、水下作業(yè)和特種作戰(zhàn)等任務(wù)。傳統(tǒng)的自主水下航行器(autono- mous undersea vehicle,AUV)主要完成長(zhǎng)距離巡航的任務(wù),為了降低能耗,多采用欠驅(qū)動(dòng)的細(xì)長(zhǎng)回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)。隨著作業(yè)要求的提高,全驅(qū)動(dòng)AUV展現(xiàn)出了豐富的應(yīng)用前景。多推進(jìn)器的布置可以得到更豐富的控制輸入,實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的任務(wù)要求,還為控制提供了冗余。但推進(jìn)器的增多也意味著故障率的增加。深海環(huán)境下,一旦發(fā)生故障,作業(yè)任務(wù)會(huì)受到影響,機(jī)器人可能無(wú)法回收,造成巨大損失。因此,為提高AUV可靠性,如何對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行故障診斷,并根據(jù)故障情況重構(gòu)控制輸入實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制是迫切需要解決的問(wèn)題。

容錯(cuò)控制方法可分為被動(dòng)容錯(cuò)控制和主動(dòng)容錯(cuò)控制。被動(dòng)容錯(cuò)控制采用不變的控制器保證閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)特定的故障具有魯棒性。AUV作為一個(gè)高度非線性、強(qiáng)耦合以及有非匹配不確定性的系統(tǒng),傳統(tǒng)的線性方法如比例-積分-微分(proportion integration differential,PID)控制、線性二次型調(diào)節(jié)器(linear quadratic regulator,LQR)控制等已無(wú)法滿足高精度的控制要求,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用反步法[1]、滑模控制[2-3]、魯棒控制[4-5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[6]等非線性控制和智能控制方法。Campos等[7]研究了一種用于AUV航路點(diǎn)跟蹤和軌跡跟蹤控制的基于變參數(shù)飽和函數(shù)的非線性控制器。邊信黔等[8]為實(shí)現(xiàn)AUV在未知海流干擾作用下的地形跟蹤控制,提出一種基于非線性迭代滑模增量反饋的航跡跟蹤控制器,在實(shí)現(xiàn)對(duì)外界擾動(dòng)較強(qiáng)魯棒性的同時(shí)保證了跟蹤控制系統(tǒng)的全局漸進(jìn)穩(wěn)定性。但這些研究均是基于某種控制方法設(shè)計(jì)控制輸入達(dá)到被動(dòng)容錯(cuò)控制的目的,對(duì)故障容錯(cuò)的自適應(yīng)能力非常有限,在推進(jìn)器故障嚴(yán)重時(shí)控制器可能會(huì)失效。

主動(dòng)容錯(cuò)控制是在故障發(fā)生后基于故障信息,針對(duì)性地對(duì)控制器參數(shù)重新調(diào)整或改變結(jié)構(gòu),采取有效的容錯(cuò)策略達(dá)到降低故障危害的效果[9]。目前對(duì)AUV的容錯(cuò)控制研究多采用主動(dòng)容錯(cuò)控制。Arslan等[10]針對(duì) AUV 舵和尾鰭失效的情況,研究了一種最優(yōu)控制方法,但這種方法只考慮單一的故障模式,控制效果受限。Podder等[11]將推力分配的優(yōu)化思想,利用推進(jìn)器的冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。但上述研究只考慮了推進(jìn)器完全故障的極端模式。在實(shí)際運(yùn)行時(shí),AUV的推進(jìn)器還會(huì)出現(xiàn)涌堵、轉(zhuǎn)速波動(dòng)等部分失效的情況,故障模型不夠全面,不具代表性。Cristofaro等[12]介紹了在過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用未知輸入觀測(cè)器進(jìn)行故障檢測(cè)、隔離和控制重構(gòu)。Dos Santos等[13]提出了一種基于虛擬推力器的AUV容錯(cuò)控制方法,該方法研究了位于不同作用平面的推進(jìn)器部分故障或完全故障情況下,在偽逆法中通過(guò)分配矩陣計(jì)算水平推進(jìn)力,并采用修正的加權(quán)矩陣,然后利用虛擬力計(jì)算出剩余工作推進(jìn)器的合力,再投影到位于相同作用平面的剩余推進(jìn)器的力,同時(shí)使用另外一組控制器來(lái)針對(duì)故障重新配置控制器,從而提高性能。

目前,關(guān)于AUV的主動(dòng)容錯(cuò)控制較多從其動(dòng)力學(xué)模型出發(fā),通過(guò)調(diào)節(jié)推進(jìn)器控制矩陣的參數(shù)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制[14-15]; 還有的方法根據(jù)故障情況選擇對(duì)應(yīng)的控制器組,實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。這些方案的本質(zhì)都是通過(guò)更改控制方法本身來(lái)調(diào)節(jié)控制輸入,而通過(guò)直接更改控制輸入的方式實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制的研究卻較少。后者可避免對(duì)控制方法的更改,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)健性,提高了應(yīng)用的普適性。

基于以上分析,文中以BLUE ROV模型為對(duì)象,研究推進(jìn)器故障情況下的AUV容錯(cuò)控制問(wèn)題。首先根據(jù)模型參數(shù)建立了六自由度的矢量化非線性運(yùn)動(dòng)模型,針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題,基于自適應(yīng)反步法設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制器,引入滑模項(xiàng)克服模型的不確定性。在推進(jìn)器的推力分配中,建立連續(xù)時(shí)變的推進(jìn)器故障模型,再根據(jù)故障信息,針對(duì)推進(jìn)器故障類型更改控制輸入和控制器配置,設(shè)計(jì)自適應(yīng)的容錯(cuò)重構(gòu)方案。最后通過(guò)模擬工況仿真,驗(yàn)證不同故障形式下容錯(cuò)運(yùn)動(dòng)控制器的可行性和有效性。

1 AUV非線性模型

1.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)-動(dòng)力學(xué)模型

圖1 AUV坐標(biāo)系定義

Fig. 1 Coordinate system definition of an AUV

1.2 推進(jìn)器模型

如圖2所示,該AUV共有6個(gè)推進(jìn)器,其中水平面上有4個(gè),呈45°對(duì)角布置; 垂直面上有2個(gè),沿著中心面對(duì)稱布置。

圖2 推進(jìn)器布置

AUV的控制力主要是通過(guò)推進(jìn)器的推力組合產(chǎn)生的,推進(jìn)器螺旋槳由驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制,當(dāng)AUV低速運(yùn)動(dòng)時(shí),可采用以下模型

螺旋槳負(fù)載力矩與恢復(fù)力矩和偏心力產(chǎn)生的力矩相比,數(shù)量級(jí)很小,忽略其對(duì)控制輸入的影響,推進(jìn)器產(chǎn)生的組合控制輸入可以表示為

可以發(fā)現(xiàn),AUV的俯仰通道無(wú)直接的控制輸入,無(wú)法直接控制。由于AUV在恢復(fù)力的作用下可以實(shí)現(xiàn)自穩(wěn),因此假設(shè)俯仰角在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中自穩(wěn)并保持不變[17]。

2 運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

2.1 自適應(yīng)反步滑模運(yùn)動(dòng)控制器

首先對(duì)AUV模型進(jìn)行如下假設(shè):

定義軌跡跟蹤誤差

選取第1個(gè)Lyapunov函數(shù)

求導(dǎo)有

將式(5)和式(7)代入式(8)并求導(dǎo)

將控制輸入式(10)代入式(9),可得到

跟蹤誤差是漸進(jìn)穩(wěn)定的,因此該控制器可實(shí)現(xiàn)AUV的運(yùn)動(dòng)跟蹤功能。

由于滑模項(xiàng)的引入,控制輸入會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)性,從而導(dǎo)致抖振問(wèn)題。在這里采用一種具有動(dòng)態(tài)邊界層的飽和函數(shù)sat代替符號(hào)函數(shù)sign。

基于該邊界層厚度函數(shù),可以得到動(dòng)態(tài)邊界層的飽和函數(shù)[20]

將式(13)代入式(10),可得到控制器輸出

2.2 容錯(cuò)推力分配控制器

由于水下環(huán)境復(fù)雜,AUV推進(jìn)器工作時(shí)很容易出現(xiàn)故障,如螺旋槳因水草附著引起不同程度的涌堵、螺旋槳卡死等,并且這些故障情況可能是連續(xù)出現(xiàn)的。在這里建立故障模型: 當(dāng)螺旋槳出現(xiàn)擁堵故障時(shí),相同激勵(lì)電壓下螺旋槳轉(zhuǎn)速呈比例衰減,輸出推力也會(huì)出現(xiàn)衰減; 當(dāng)螺旋槳出現(xiàn)卡死故障時(shí),螺旋槳電機(jī)短路損壞,電壓和轉(zhuǎn)速均變?yōu)?。

假設(shè)故障在任務(wù)期間發(fā)生且能被檢測(cè)到,除卡死情況,仍能通過(guò)調(diào)整電壓進(jìn)行控制[24]。在檢測(cè)到故障后,結(jié)合權(quán)重矩陣,修改控制器的輸出來(lái)調(diào)整推進(jìn)器的輸出,使其恢復(fù)正常。

將式(16)代入式(15),可以得到修正后各推進(jìn)器的分配量

再基于推進(jìn)器的故障情況,其實(shí)際輸出量為

綜上,所采用的推力分配控制器可以根據(jù)不同的故障類型,通過(guò)權(quán)重矩陣實(shí)時(shí)自適應(yīng)地調(diào)整輸入量或者修改控制器配置,實(shí)現(xiàn)推力重構(gòu)。

3 故障模式與容錯(cuò)運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 仿真條件和故障模式

模擬在水下自主巡邏時(shí)的狀態(tài),AUV的模型參數(shù)和控制參數(shù)為

表1 推進(jìn)器故障狀態(tài)表

3.2 仿真結(jié)果與分析

仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3～圖8所示。圖3的三維軌跡仿真結(jié)果可以直觀地看出有無(wú)容錯(cuò)控制器對(duì)軌跡跟蹤的影響。在運(yùn)動(dòng)的初始階段,可以發(fā)現(xiàn)兩者都能對(duì)目標(biāo)軌跡進(jìn)行跟蹤。原因是滑模運(yùn)動(dòng)控制器具有一定魯棒性,對(duì)故障造成的推力衰減可以將其轉(zhuǎn)換為外界的擾動(dòng)進(jìn)行處理,利用滑模項(xiàng)克服故障的影響。因此,當(dāng)推進(jìn)器的故障情況還不嚴(yán)重時(shí),僅依靠運(yùn)動(dòng)控制器的魯棒性,也可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的任務(wù)。而在后期的軌跡中,隨著故障情況的加劇,單純依靠滑?？刂破鳠o(wú)法有效應(yīng)對(duì)推力分配的紊亂情況,無(wú)容錯(cuò)控制的AUV逐漸偏離目標(biāo)軌跡。

圖3 AUV三維運(yùn)動(dòng)軌跡

圖4 六自由度狀態(tài)量

進(jìn)一步分析圖4和圖5的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),在160 s前,兩者都能很好地跟蹤目標(biāo)軌跡。而隨著推進(jìn)器故障加劇,無(wú)容錯(cuò)控制軌跡的跟蹤誤差開(kāi)始發(fā)散,無(wú)法收斂,AUV無(wú)法完成軌跡跟蹤任務(wù)。而結(jié)合容錯(cuò)重構(gòu)算法的控制器對(duì)故障展現(xiàn)出了很好的魯棒性,在不同的故障情況下仍能保證跟蹤誤差的收斂穩(wěn)定性。通過(guò)圖6分析可知,采用容錯(cuò)控制器后,即使推進(jìn)器發(fā)生了故障,容錯(cuò)推進(jìn)器也能夠及時(shí)調(diào)整推進(jìn)器的輸出,對(duì)總控制輸出進(jìn)行重構(gòu)恢復(fù),實(shí)現(xiàn)期望的組合輸出推力和力矩,完成循跡任務(wù)。

通過(guò)圖7和圖8展示的各推進(jìn)器推力調(diào)節(jié)過(guò)程發(fā)現(xiàn),在推進(jìn)器出現(xiàn)故障時(shí),容錯(cuò)控制器能根據(jù)故障情況及時(shí)調(diào)整推力分配權(quán)重,并通過(guò)螺旋槳電機(jī)的電壓對(duì)推進(jìn)器輸出進(jìn)行調(diào)節(jié),補(bǔ)償故障情況,恢復(fù)推進(jìn)器輸出。當(dāng)有推進(jìn)器出現(xiàn)完全故障時(shí),容錯(cuò)控制器也能利用推進(jìn)器的冗余度,及時(shí)調(diào)節(jié)剩余冗余推進(jìn)器的電壓,重構(gòu)控制輸出。

圖5 軌跡跟蹤誤差

圖6 推進(jìn)器組合輸出推力

綜上,該容錯(cuò)控制器能有效應(yīng)對(duì)不同推進(jìn)器的故障情況,通過(guò)推進(jìn)器的故障調(diào)節(jié)和冗余配置,完成AUV系統(tǒng)推進(jìn)器的故障容錯(cuò)運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。

圖7 螺旋槳推力

圖8 螺旋槳電機(jī)電壓

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)AUV推進(jìn)器連續(xù)時(shí)變故障,文中提出一種基于自適應(yīng)反步滑模的運(yùn)動(dòng)控制方法結(jié)合偽逆重構(gòu)算法的推力分配方法,其可以自適應(yīng)地調(diào)整推力分配策略,實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制,完成軌跡跟蹤任務(wù)。仿真結(jié)果表明,該控制算法可有效應(yīng)對(duì)推進(jìn)器出現(xiàn)的不同故障情況,利用故障信息對(duì)控制推力進(jìn)行快速重構(gòu),對(duì)外界擾動(dòng)和推進(jìn)器故障具有魯棒性,可以實(shí)現(xiàn)干擾下AUV的推進(jìn)器容錯(cuò)運(yùn)動(dòng)控制。相比其他容錯(cuò)控制方法,文中所采用的動(dòng)態(tài)冗余法和靜態(tài)冗余法相結(jié)合的主動(dòng)容錯(cuò)控制方法,在故障推進(jìn)器仍然可控時(shí),基于故障診斷信息修改控制器的輸入,使得推進(jìn)器的輸出恢復(fù)正常。而當(dāng)推進(jìn)器完全故障不可控時(shí),再基于故障診斷信息,更換控制器配置,通過(guò)冗余的推進(jìn)器完成推力分配,實(shí)現(xiàn)推力重構(gòu),有效提高了容錯(cuò)控制算法的應(yīng)用普適性。未來(lái)將繼續(xù)豐富故障類型并完善控制器設(shè)計(jì),進(jìn)一步提高AUV對(duì)故障的容錯(cuò)能力。

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Fault-tolerant Control of AUV Thruster Based on Adaptive Backstepping Sliding Mode

,

(State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)

To achieve the robustness requirements of an autonomous undersea vehicle(AUV) for motion control in the case of thruster failure,this study designs an adaptive backstepping sliding mode motion tracking controller for the six-degree-of-freedom nonlinear vector motion model of the AUV and uses it in the thrust allocation. In the thrust distribution,the fault characteristics of the thruster are considered,and a continuous time-varying fault model is established. The fault adjustment function is added by incorporating the fault information,through the pseudo-inverse technique,based on the configuration of the structure function of the adjustment controller. The control input can be changed to correct the fault,and the fault adjustment and control reconstruction are adopted for different types of faults. This method realizes a fault-tolerant control under the fault state of the thruster and effectively improves the application universality of the fault-tolerant control algorithm. A variety of failure modes are simulated to verify the effectiveness of the adaptive fault-tolerant controller for AUV motion control in the case of thruster failure

autonomous undersea vehicle; thruster; adaptive control; fault adjustment; fault-tolerant control

U674.941; TP302.8

A

2096-3920(2021)04-0420-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.008

張瀚文,王俊雄. 基于自適應(yīng)反步滑模的AUV推進(jìn)器容錯(cuò)控制[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào),2021,29(4): 420-427.

2020-10-26;

2020-12-02.

張瀚文(1996-),男,在讀碩士,主要研究方向?yàn)樗聶C(jī)器人自動(dòng)控制技術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)