邱 帥, 呂 瑞, 范 輝, 萬亞民, 黃 海, 楊管金子

基于CAM矩陣的水下機(jī)器人容錯(cuò)控制方法

邱 帥, 呂 瑞, 范 輝, 萬亞民, 黃 海, 楊管金子

(中國船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

針對水下機(jī)器人推進(jìn)器出現(xiàn)故障后控制效果變差, 無法完成指定任務(wù), 甚至可能造成機(jī)器人的丟失等問題, 文中提出一種基于控制分配機(jī)(CAM)矩陣的水下機(jī)器人容錯(cuò)控制方法。利用CAM矩陣重構(gòu)推力分配確保機(jī)器人航行穩(wěn)定, 同時(shí)使用序列二次規(guī)劃方法尋找最大合力推力分配策略實(shí)現(xiàn)效率最大。通過仿真對所提方法進(jìn)行有效性驗(yàn)證, 結(jié)果表明, 該容錯(cuò)控制方法能夠處理推進(jìn)器部分或完全失效故障并使機(jī)器人保持一定的性能穩(wěn)定航行。

水下機(jī)器人; 推力分配; 容錯(cuò)控制; 重構(gòu)

0 引言

占地表面積70%以上的海洋蘊(yùn)含著豐富的礦產(chǎn)和生物等資源[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對海洋研究的不斷深入, 作為能夠在深海環(huán)境下工作的水下機(jī)器人, 在海洋開發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作用[2]。

水下機(jī)器人工作條件惡劣, 周圍環(huán)境復(fù)雜多變, 在實(shí)際工作過程中, 一旦出現(xiàn)故障, 輕則無法完成預(yù)定作業(yè)任務(wù), 重則危及載體自身安全甚至無法回收, 帶來巨大的損失。容錯(cuò)控制技術(shù)的出現(xiàn), 為提高復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性開辟了一條嶄新的途徑。

推進(jìn)器系統(tǒng)作為水下機(jī)器人的重要組成部分, 直接與海水接觸, 極易出現(xiàn)運(yùn)行故障, 出現(xiàn)故障后的推進(jìn)器, 其產(chǎn)生的推力達(dá)不到預(yù)定值, 嚴(yán)重情況下完全無法產(chǎn)生推力, 從而導(dǎo)致水下機(jī)器人無法按照指令行進(jìn)。因此, 對水下機(jī)器人推進(jìn)器系統(tǒng)的容錯(cuò)控制就顯得格外重要。文獻(xiàn)[3]~[5]使用加權(quán)偽逆求得推進(jìn)器出現(xiàn)故障情況下的推力分配最小范數(shù)解, 可以實(shí)現(xiàn)水下穩(wěn)定控制。文獻(xiàn)[6]~[12]使用滑模容錯(cuò)控制器根據(jù)推進(jìn)器故障調(diào)整控制器的輸出以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。文獻(xiàn)[13]~[16]等使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障辨識, 調(diào)整控制參數(shù)保證運(yùn)動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外, 文獻(xiàn)[17]將容錯(cuò)控制與動態(tài)控制器設(shè)計(jì)解耦, 并在控制分配過程中以分配誤差最小和控制成本最小為優(yōu)化目標(biāo), 采用非線性規(guī)劃來解決容錯(cuò)控制問題。文獻(xiàn)[18]將推進(jìn)器故障視作一種干擾, 設(shè)計(jì)出一種自抗擾控制器(active disturbance rejection controller, ADRC), 并使用動態(tài)自適應(yīng)算法來優(yōu)化控制參數(shù), 取得了良好的控制性能。上述文獻(xiàn)的容錯(cuò)控制方法僅能保證在推進(jìn)器出現(xiàn)故障后穩(wěn)定航行, 但沒有考慮到航行的效率問題。針對此, 文中考慮出現(xiàn)故障后各個(gè)推進(jìn)器實(shí)際所能產(chǎn)生推力大小, 使用序列二次規(guī)劃法尋找最大合推力, 以推力最大利用為目的進(jìn)行推力重構(gòu), 保證機(jī)器人能夠按指令實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制的同時(shí), 在能力范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)推力最大以及航行效率最優(yōu)。

1 研究對象描述

1.1 推進(jìn)器布局

常見的水下機(jī)器人大都具有4個(gè)水平推進(jìn)器, 用于水平面內(nèi)的3個(gè)自由度(縱蕩、橫蕩、艏搖)運(yùn)動。選用Kaxan水下機(jī)器人[19]為研究對象, 其推進(jìn)器布局如圖1所示。

圖1 Kaxan推進(jìn)器布局示意圖

表1 Kaxan推進(jìn)器安裝角度及位置參數(shù)

1.2 水下機(jī)器人動力學(xué)模型

根據(jù)國際拖曳水池會議(international towing tank conference, ITTC)推薦的和美國造船與輪機(jī)工程學(xué)會(the society of naval architects and marine engineers, SNAME)術(shù)語公報(bào)的體系, 同時(shí)參考相關(guān)文獻(xiàn), 建立如下2種右手坐標(biāo)系。

水下機(jī)器人在慣性坐標(biāo)系下的六自由度空間動力學(xué)模型可以表示為

2 容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)

2.1 推力分配方法

參考Yuh等[20]提出的運(yùn)動控制體系結(jié)構(gòu), 設(shè)計(jì)文中所用到的水下機(jī)器人基礎(chǔ)運(yùn)動控制體系結(jié)構(gòu), 如圖2所示。規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)需求生成相應(yīng)的期望位姿, 控制器將水下機(jī)器人的期望位姿與基于傳感器測量得到的當(dāng)前位姿進(jìn)行比較來計(jì)算期望的力和力矩。

圖2 水下機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)

推力分配在控制中的作用如圖3所示, 使用推力分配方法計(jì)算提供所需力和轉(zhuǎn)矩時(shí)每個(gè)推進(jìn)器要提供的推力大小。將推進(jìn)器所提供的推力整合為6個(gè)自由度上的力和力矩, 并將其作為水下機(jī)器人模型的輸入值進(jìn)行計(jì)算。

圖3 推力分配在控制中的作用

其中, 推進(jìn)器故障檢測部分通過監(jiān)視推進(jìn)器汲取電流變化來檢測推進(jìn)器故障, 結(jié)合故障情況, 進(jìn)行推理分配重構(gòu)。在不深入研究推進(jìn)器故障如何檢測的情況下, 假設(shè)可以在推進(jìn)器發(fā)生故障時(shí)對其進(jìn)行檢測[6]。

文中采用基于控制分配機(jī)(control allocation machine, CAM)矩陣的推力分配方法。CAM是一種適用于包含多個(gè)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的水下機(jī)器人高效控制力分配方法。CAM將每個(gè)推進(jìn)器的控制指令的執(zhí)行結(jié)果與其對6個(gè)自由度的貢獻(xiàn)聯(lián)系起來, 給予分配一定的貢獻(xiàn)系數(shù)。且針對每個(gè)推進(jìn)器的每個(gè)自由度控制指令都可形成一個(gè)與水下機(jī)器人6個(gè)自由度相關(guān)的貢獻(xiàn)系數(shù)向量。當(dāng)控制器對水下機(jī)器人下達(dá)各自由度控制指令時(shí), 將水下機(jī)器人各自由度需求指令組成的向量與每個(gè)推進(jìn)器自由度對應(yīng)的貢獻(xiàn)系數(shù)向量做內(nèi)積, 結(jié)果即為推進(jìn)器在此自由度方向上的控制指令。

由各個(gè)推進(jìn)器的貢獻(xiàn)系數(shù)向量組成的貢獻(xiàn)系數(shù)矩陣為

自由度需求指令向量可以表示為

8個(gè)推進(jìn)器的推力向量表示為

其中

由此完成推力分配。

2.2 容錯(cuò)控制方法

推進(jìn)器故障引起的失效包括2種情況: 一是推動能力減弱, 即局部失效, 此時(shí)推進(jìn)器還能繼續(xù)工作, 只是由于不太嚴(yán)重的故障導(dǎo)致最大轉(zhuǎn)速降低; 二是推進(jìn)器完全失效, 此時(shí)只能依賴于其他驅(qū)動器繼續(xù)工作。

通過各個(gè)推進(jìn)器的故障狀態(tài)(推進(jìn)器電機(jī)轉(zhuǎn)速高低和電流大小), 可以得到其工作狀態(tài)權(quán)值, 繼而重構(gòu)CAM, 在推進(jìn)器部分失效或完全失效情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。

各個(gè)推進(jìn)器的實(shí)際推力用工作狀態(tài)權(quán)值與最大推力的乘積表示

主要約束條件有:

力矩平衡約束

推進(jìn)器實(shí)際推力大小約束

根據(jù)圖4所示推進(jìn)器布局配置情況, 有

圖4 水平推進(jìn)器布局示意圖

將式(14)代入式(13), 得到

圖5 T1完全失效時(shí)合力F隨W2、W3的變化曲面

圖6 T1部分失效時(shí)合力F隨W2、W3的變化曲面

用得到的權(quán)值更新到權(quán)值對角矩陣, 權(quán)值對角矩陣乘以CAM矩陣得到新的推力分配矩陣, 即可實(shí)現(xiàn)推力分配重構(gòu)。

3 仿真驗(yàn)證

由于CAM矩陣可以提供六自由度的控制指令, 當(dāng)某一推進(jìn)器出現(xiàn)故障后, CAM矩陣將其視作一種干擾, 進(jìn)行穩(wěn)定控制。但這種未經(jīng)過調(diào)整的原始CAM矩陣沒有考慮各個(gè)推進(jìn)器推力的合力大小, 而經(jīng)過上節(jié)所述重構(gòu)后的CAM矩陣能夠使推進(jìn)器產(chǎn)生更大的推力合力, 使得水下機(jī)器人行駛效率更高。

在MATLAB/Simulink環(huán)境下, 選用1.2節(jié)中水下機(jī)器人數(shù)學(xué)模型, 結(jié)合CAM矩陣控制方法, 進(jìn)行仿真試驗(yàn), 驗(yàn)證所提容錯(cuò)控制方法的可行性和有效性。仿真結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

圖8 縱向速度(W1=0)

圖9 縱向位移(W1=0)

圖10 橫向位移(W1=0)

圖11 垂向位移(W1=0)

圖12 縱向速度(W2=0.5)

圖13 縱向位移(W2=0.5)

圖14 橫向位移(W2=0.5)

圖15 垂向位移(W2=0.5)

4 結(jié)束語

以Kaxan水下機(jī)器人為研究對象, 針對水下機(jī)器人推進(jìn)器出現(xiàn)的故障問題, 提出了一種基于CAM矩陣和序列二次規(guī)劃的推進(jìn)器推力重構(gòu)容錯(cuò)控制方法。該方法通過重構(gòu)CAM矩陣在推進(jìn)器出現(xiàn)故障的情況下進(jìn)行推力再分配, 實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)器推力的最大利用。分析仿真結(jié)果可知所提容錯(cuò)控制方法在水下機(jī)器人運(yùn)動控制中是可行的, 容錯(cuò)控制策略能夠滿足實(shí)際需求, 且相對于未重構(gòu)的CAM控制能夠明顯提升航行效率, 具有一定的實(shí)際意義。文中對推進(jìn)器冗余配置的水下機(jī)器人容錯(cuò)控制進(jìn)行了初步研究, 今后還需開展對于多個(gè)推進(jìn)器出現(xiàn)故障的容錯(cuò)控制研究。

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Fault-Tolerant Control Method for an Underwater Robot Based on the CAM Matrix

QIU Shuai, Lü Rui, FAN Hui, WAN Ya-min, HUANG Hai, YANG Guan-jin-zi

(The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China)

The poor control effect of an underwater robot thruster after failure often prevents specific tasks from being completed and may even cause the loss of the robot. To address this problem, this study proposes a fault-tolerant control method for an underwater robot based on a control allocation machine(CAM) thrust distribution matrix. The CAM matrix is used to reconstruct the distribution to ensure stable navigation of the robot, and a thrust distribution strategy for achieving maximum resultant forces is identified using a sequential quadratic programming method. The effectiveness of the proposed method is verified through a simulation. Simulation results show that the proposed fault-tolerant control method can handle partial or complete failure of the thruster and can ensure that the robot achieves good performance and stable navigation.

underwater robot; thrust distribution; fault-tolerant control; reconstruction

TJ630; TP302.8

A

2096-3920(2021)01-0104-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.015

邱帥, 呂瑞, 范輝, 等. 基于CAM矩陣的水下機(jī)器人容錯(cuò)控制方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(1): 104-110.

2020-10-13;

2020-11-19.

邱 帥(1995-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樗潞叫衅髦茖?dǎo)技術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)