張瀚文,王俊雄

基于自適應反步滑模的AUV推進器容錯控制

張瀚文,王俊雄

(上海交通大學 船舶海洋工程國家重點實驗室,上海,200240)

為了實現(xiàn)自主水下航行器(AUV)在推進器故障的情況下對運動控制的魯棒性要求,針對AUV的六自由度非線性矢量運動模型,設計了自適應反步滑模運動跟蹤控制器,并在推力分配中考慮推進器故障特點,建立連續(xù)時變的故障模型。結合故障信息,基于偽逆法技術,在調(diào)節(jié)控制器配置結構功能的基礎上增加了對故障的調(diào)節(jié)功能,可以通過更改控制輸入對故障進行修正,對不同的故障類型分別采取故障調(diào)節(jié)和控制重構的方法實現(xiàn)推進器故障狀態(tài)下的容錯控制,有效提高了容錯控制算法的應用普適性。在仿真中,通過模擬多種不同的故障模式,驗證了自適應容錯控制器在推進器故障情況下對AUV運動控制的有效性。

自主水下航行器; 推進器; 自適應控制; 故障調(diào)節(jié); 容錯控制

0 引言

作為一種探測海洋的有效手段,水下航行器具有廣泛的應用前景,可完成探測、水下作業(yè)和特種作戰(zhàn)等任務。傳統(tǒng)的自主水下航行器(autono- mous undersea vehicle,AUV)主要完成長距離巡航的任務,為了降低能耗,多采用欠驅動的細長回轉體結構。隨著作業(yè)要求的提高,全驅動AUV展現(xiàn)出了豐富的應用前景。多推進器的布置可以得到更豐富的控制輸入,實現(xiàn)更復雜的任務要求,還為控制提供了冗余。但推進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)任務會受到影響,機器人可能無法回收,造成巨大損失。因此,為提高AUV可靠性,如何對推進器進行故障診斷,并根據(jù)故障情況重構控制輸入實現(xiàn)容錯控制是迫切需要解決的問題。

容錯控制方法可分為被動容錯控制和主動容錯控制。被動容錯控制采用不變的控制器保證閉環(huán)系統(tǒng)對特定的故障具有魯棒性。AUV作為一個高度非線性、強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)控制等已無法滿足高精度的控制要求,目前國內(nèi)外學者多采用反步法[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,在實現(xiàn)對外界擾動較強魯棒性的同時保證了跟蹤控制系統(tǒng)的全局漸進穩(wěn)定性。但這些研究均是基于某種控制方法設計控制輸入達到被動容錯控制的目的,對故障容錯的自適應能力非常有限,在推進器故障嚴重時控制器可能會失效。

主動容錯控制是在故障發(fā)生后基于故障信息,針對性地對控制器參數(shù)重新調(diào)整或改變結構,采取有效的容錯策略達到降低故障危害的效果[9]。目前對AUV的容錯控制研究多采用主動容錯控制。Arslan等[10]針對 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,利用推進器的冗余來實現(xiàn)容錯控制。但上述研究只考慮了推進器完全故障的極端模式。在實際運行時,AUV的推進器還會出現(xiàn)涌堵、轉速波動等部分失效的情況,故障模型不夠全面,不具代表性。Cristofaro等[12]介紹了在過驅動系統(tǒng)中使用未知輸入觀測器進行故障檢測、隔離和控制重構。Dos Santos等[13]提出了一種基于虛擬推力器的AUV容錯控制方法,該方法研究了位于不同作用平面的推進器部分故障或完全故障情況下,在偽逆法中通過分配矩陣計算水平推進力,并采用修正的加權矩陣,然后利用虛擬力計算出剩余工作推進器的合力,再投影到位于相同作用平面的剩余推進器的力,同時使用另外一組控制器來針對故障重新配置控制器,從而提高性能。

目前,關于AUV的主動容錯控制較多從其動力學模型出發(fā),通過調(diào)節(jié)推進器控制矩陣的參數(shù)實現(xiàn)容錯控制[14-15]; 還有的方法根據(jù)故障情況選擇對應的控制器組,實現(xiàn)容錯控制。這些方案的本質(zhì)都是通過更改控制方法本身來調(diào)節(jié)控制輸入,而通過直接更改控制輸入的方式實現(xiàn)容錯控制的研究卻較少。后者可避免對控制方法的更改,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)健性,提高了應用的普適性。

基于以上分析,文中以BLUE ROV模型為對象,研究推進器故障情況下的AUV容錯控制問題。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動模型,針對運動控制問題,基于自適應反步法設計運動控制器,引入滑模項克服模型的不確定性。在推進器的推力分配中,建立連續(xù)時變的推進器故障模型,再根據(jù)故障信息,針對推進器故障類型更改控制輸入和控制器配置,設計自適應的容錯重構方案。最后通過模擬工況仿真,驗證不同故障形式下容錯運動控制器的可行性和有效性。

1 AUV非線性模型

1.1 運動學-動力學模型

圖1 AUV坐標系定義

Fig. 1 Coordinate system definition of an AUV

1.2 推進器模型

如圖2所示,該AUV共有6個推進器,其中水平面上有4個,呈45°對角布置; 垂直面上有2個,沿著中心面對稱布置。

圖2 推進器布置

AUV的控制力主要是通過推進器的推力組合產(chǎn)生的,推進器螺旋槳由驅動電機控制,當AUV低速運動時,可采用以下模型

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

可以發(fā)現(xiàn),AUV的俯仰通道無直接的控制輸入,無法直接控制。由于AUV在恢復力的作用下可以實現(xiàn)自穩(wěn),因此假設俯仰角在運動過程中自穩(wěn)并保持不變[17]。

2 運動控制器設計

2.1 自適應反步滑模運動控制器

首先對AUV模型進行如下假設:

定義軌跡跟蹤誤差

選取第1個Lyapunov函數(shù)

求導有

將式(5)和式(7)代入式(8)并求導

將控制輸入式(10)代入式(9),可得到

跟蹤誤差是漸進穩(wěn)定的,因此該控制器可實現(xiàn)AUV的運動跟蹤功能。

由于滑模項的引入,控制輸入會出現(xiàn)不連續(xù)性,從而導致抖振問題。在這里采用一種具有動態(tài)邊界層的飽和函數(shù)sat代替符號函數(shù)sign。

基于該邊界層厚度函數(shù),可以得到動態(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 容錯推力分配控制器

由于水下環(huán)境復雜,AUV推進器工作時很容易出現(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: 當螺旋槳出現(xiàn)擁堵故障時,相同激勵電壓下螺旋槳轉速呈比例衰減,輸出推力也會出現(xiàn)衰減; 當螺旋槳出現(xiàn)卡死故障時,螺旋槳電機短路損壞,電壓和轉速均變?yōu)?。

假設故障在任務期間發(fā)生且能被檢測到,除卡死情況,仍能通過調(diào)整電壓進行控制[24]。在檢測到故障后,結合權重矩陣,修改控制器的輸出來調(diào)整推進器的輸出,使其恢復正常。

將式(16)代入式(15),可以得到修正后各推進器的分配量

再基于推進器的故障情況,其實際輸出量為

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,通過權重矩陣實時自適應地調(diào)整輸入量或者修改控制器配置,實現(xiàn)推力重構。

3 故障模式與容錯運動仿真

3.1 仿真條件和故障模式

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

表1 推進器故障狀態(tài)表

3.2 仿真結果與分析

仿真的數(shù)據(jù)結果如圖3～圖8所示。圖3的三維軌跡仿真結果可以直觀地看出有無容錯控制器對軌跡跟蹤的影響。在運動的初始階段,可以發(fā)現(xiàn)兩者都能對目標軌跡進行跟蹤。原因是滑模運動控制器具有一定魯棒性,對故障造成的推力衰減可以將其轉換為外界的擾動進行處理,利用滑模項克服故障的影響。因此,當推進器的故障情況還不嚴重時,僅依靠運動控制器的魯棒性,也可以實現(xiàn)運動控制的任務。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法有效應對推力分配的紊亂情況,無容錯控制的AUV逐漸偏離目標軌跡。

圖3 AUV三維運動軌跡

圖4 六自由度狀態(tài)量

進一步分析圖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軌跡。而隨著推進器故障加劇,無容錯控制軌跡的跟蹤誤差開始發(fā)散,無法收斂,AUV無法完成軌跡跟蹤任務。而結合容錯重構算法的控制器對故障展現(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。通過圖6分析可知,采用容錯控制器后,即使推進器發(fā)生了故障,容錯推進器也能夠及時調(diào)整推進器的輸出,對總控制輸出進行重構恢復,實現(xiàn)期望的組合輸出推力和力矩,完成循跡任務。

通過圖7和圖8展示的各推進器推力調(diào)節(jié)過程發(fā)現(xiàn),在推進器出現(xiàn)故障時,容錯控制器能根據(jù)故障情況及時調(diào)整推力分配權重,并通過螺旋槳電機的電壓對推進器輸出進行調(diào)節(jié),補償故障情況,恢復推進器輸出。當有推進器出現(xiàn)完全故障時,容錯控制器也能利用推進器的冗余度,及時調(diào)節(jié)剩余冗余推進器的電壓,重構控制輸出。

圖5 軌跡跟蹤誤差

圖6 推進器組合輸出推力

綜上,該容錯控制器能有效應對不同推進器的故障情況,通過推進器的故障調(diào)節(jié)和冗余配置,完成AUV系統(tǒng)推進器的故障容錯運動控制任務。

圖7 螺旋槳推力

圖8 螺旋槳電機電壓

4 結束語

針對AUV推進器連續(xù)時變故障,文中提出一種基于自適應反步滑模的運動控制方法結合偽逆重構算法的推力分配方法,其可以自適應地調(diào)整推力分配策略,實現(xiàn)容錯控制,完成軌跡跟蹤任務。仿真結果表明,該控制算法可有效應對推進器出現(xiàn)的不同故障情況,利用故障信息對控制推力進行快速重構,對外界擾動和推進器故障具有魯棒性,可以實現(xiàn)干擾下AUV的推進器容錯運動控制。相比其他容錯控制方法,文中所采用的動態(tài)冗余法和靜態(tài)冗余法相結合的主動容錯控制方法,在故障推進器仍然可控時,基于故障診斷信息修改控制器的輸入,使得推進器的輸出恢復正常。而當推進器完全故障不可控時,再基于故障診斷信息,更換控制器配置,通過冗余的推進器完成推力分配,實現(xiàn)推力重構,有效提高了容錯控制算法的應用普適性。未來將繼續(xù)豐富故障類型并完善控制器設計,進一步提高AUV對故障的容錯能力。

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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. 基于自適應反步滑模的AUV推進器容錯控制[J]. 水下無人系統(tǒng)學報,2021,29(4): 420-427.

2020-10-26;

2020-12-02.

張瀚文(1996-),男,在讀碩士,主要研究方向為水下機器人自動控制技術.

(責任編輯: 許 妍)