UUV航渡过程中容错控制方法的研究

摘要

水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)是一种小型水下载体，能够自主完成任务。UUV目前被广泛的应用在军事和民用等领域，能够完成侦察，测量，救援等任务。随着科学技术的不断发展，以及陆地资源的匮乏，人类加大了对海洋中丰富资源探索的力度。UUV在其中发挥了越来越重要的作用，其运行时的可靠性也越来越重要。本文为保证UUV在航渡过程中的安全性，对UUV传感器和执行器故障的容错控制方法进行了深入的研究，研究内容包括以下几个方面： 首先，建立了固定坐标系与运动坐标系，给出了坐标系之间的转换的关系，根据所研究UUV特点建立了UUV推进器和舵的数学模型，并对UUV进行了受力分析。并在此基础上建立了UUV水平面运动方程，并通过MATLAB对模型进行了验证。 其次，针对 UUV传感器和执行器容错控制问题对控制器进行了设计。本文设计了专家S面控制器，该控制器在传统S面控制器的基础上加入了积分项消除固定干扰力，并在此基础上设计了S面控制器参数的自适应调整规则，实现在线调节S面控制器的参数，使控制器具有更好的自适应性。同时设计了滑模控制器。以纵向速度和艏向角控制为例进行了控制效果的对比。 再次，针对UUV传感器故障主要从两方面进行了研究：UUV无备用传感器但存在与故障传感器相近的传感器；UUV无备用传感器，也无具有与故障传感器相似功能的传感器。针对两种情况采用了不同的研究方法。针对第一种故障情况，本文采用自适应加权数据融合算法，并通过推导得到了权值的最优解。将相似功能传感器的数据转换之后进行融合，并用融合值来代替故障传感器的输出，从而实现容错控制。针对第二种故障情况，引入了-Zak观测器Walcott，并与非线性的UUV运动模型相结合，设计了具有鲁棒性的虚拟传感器，完成了对故障传感器的容错控制。并通过MATLAB仿真验证了两种容错控制方法的有效性。 最后，针对执行器故障问题，采用了第3章设计的专家S面控制器。给出了推进器和舵的故障模型。针对推进器的故障，设计了容错控制策略，并以 UUV直航运动为例进行了仿真验证。仿真结果表明，容错控制策略能很好的对随机出现的故障进行容错控制；针对UUV随机卡舵故障，设计了容错控制策略。并以UUV航渡过程为例进行了仿真验证。仿真结果表明，当随机故障出现后，容错控制系统介入，UUV能很好的纠正当前的偏差，继续完成巡航任务。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2 UUV的国内外研究现状

1.3 课题研究现状

1.4 论文主要研究内容与组织结构

第2章 UUV运动建模

2.1 引言

2.2 UUV介绍

2.3 UUV运动方程的建立

2.4 UUV动力学模型

2.5 UUV运动模型的验证

2.6 本章小结

第3章 UUV专家S面控制器的设计

3.1 引言

3.2 S面控制器的特点

3.3 专家S面控制器的设计

3.4 滑模变结构控制器设计

3.5 控制仿真

3.6 本章小结

第4章 UUV航渡过程中传感器故障容错控制方法设计

4.1引言

4.2 传感器故障类型及数学模型

4.3 有相似传感器情况下的容错控制方法设计

4.4 无相似传感器情况下的容错控制方法的设计

4.5本章小结

第5章 UUV航渡过程中执行器故障容错控制方法设计

5.1 引言

5.2 UUV推进器故障容错控制方法设计

5.3 UUV卡舵故障容错控制方法设计

5.4 仿真验证

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢