基于CAM矩陣的水下機器人容錯控制方法

邱 帥, 呂 瑞, 范 輝, 萬亞民, 黃 海, 楊管金子

基于CAM矩陣的水下機器人容錯控制方法

邱 帥, 呂 瑞, 范 輝, 萬亞民, 黃 海, 楊管金子

(中國船舶集團有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

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

水下機器人; 推力分配; 容錯控制; 重構

0 引言

占地表面積70%以上的海洋蘊含著豐富的礦產和生物等資源[1]。隨著科學技術的發展和對海洋研究的不斷深入, 作為能夠在深海環境下工作的水下機器人, 在海洋開發中發揮著越來越重要的作用[2]。

水下機器人工作條件惡劣, 周圍環境復雜多變, 在實際工作過程中, 一旦出現故障, 輕則無法完成預定作業任務, 重則危及載體自身安全甚至無法回收, 帶來巨大的損失。容錯控制技術的出現, 為提高復雜系統的可靠性開辟了一條嶄新的途徑。

推進器系統作為水下機器人的重要組成部分, 直接與海水接觸, 極易出現運行故障, 出現故障后的推進器, 其產生的推力達不到預定值, 嚴重情況下完全無法產生推力, 從而導致水下機器人無法按照指令行進。因此, 對水下機器人推進器系統的容錯控制就顯得格外重要。文獻[3]~[5]使用加權偽逆求得推進器出現故障情況下的推力分配最小范數解, 可以實現水下穩定控制。文獻[6]~[12]使用滑模容錯控制器根據推進器故障調整控制器的輸出以實現容錯控制。文獻[13]~[16]等使用神經網絡進行故障辨識, 調整控制參數保證運動控制系統的穩定性。此外, 文獻[17]將容錯控制與動態控制器設計解耦, 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化目標, 采用非線性規劃來解決容錯控制問題。文獻[18]將推進器故障視作一種干擾, 設計出一種自抗擾控制器(active disturbance rejection controller, ADRC), 并使用動態自適應算法來優化控制參數, 取得了良好的控制性能。上述文獻的容錯控制方法僅能保證在推進器出現故障后穩定航行, 但沒有考慮到航行的效率問題。針對此, 文中考慮出現故障后各個推進器實際所能產生推力大小, 使用序列二次規劃法尋找最大合推力, 以推力最大利用為目的進行推力重構, 保證機器人能夠按指令實現穩定控制的同時, 在能力范圍內可以實現推力最大以及航行效率最優。

1 研究對象描述

1.1 推進器布局

常見的水下機器人大都具有4個水平推進器, 用于水平面內的3個自由度(縱蕩、橫蕩、艏搖)運動。選用Kaxan水下機器人[19]為研究對象, 其推進器布局如圖1所示。

圖1 Kaxan推進器布局示意圖

表1 Kaxan推進器安裝角度及位置參數

1.2 水下機器人動力學模型

根據國際拖曳水池會議(international towing tank conference, ITTC)推薦的和美國造船與輪機工程學會(the society of naval architects and marine engineers, SNAME)術語公報的體系, 同時參考相關文獻, 建立如下2種右手坐標系。

水下機器人在慣性坐標系下的六自由度空間動力學模型可以表示為

2 容錯控制設計

2.1 推力分配方法

參考Yuh等[20]提出的運動控制體系結構, 設計文中所用到的水下機器人基礎運動控制體系結構, 如圖2所示。規劃系統根據需求生成相應的期望位姿, 控制器將水下機器人的期望位姿與基于傳感器測量得到的當前位姿進行比較來計算期望的力和力矩。

圖2 水下機器人運動控制系統

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算提供所需力和轉矩時每個推進器要提供的推力大小。將推進器所提供的推力整合為6個自由度上的力和力矩, 并將其作為水下機器人模型的輸入值進行計算。

圖3 推力分配在控制中的作用

其中, 推進器故障檢測部分通過監視推進器汲取電流變化來檢測推進器故障, 結合故障情況, 進行推理分配重構。在不深入研究推進器故障如何檢測的情況下, 假設可以在推進器發生故障時對其進行檢測[6]。

文中采用基于控制分配機(control allocation machine, CAM)矩陣的推力分配方法。CAM是一種適用于包含多個控制執行機構的水下機器人高效控制力分配方法。CAM將每個推進器的控制指令的執行結果與其對6個自由度的貢獻聯系起來, 給予分配一定的貢獻系數。且針對每個推進器的每個自由度控制指令都可形成一個與水下機器人6個自由度相關的貢獻系數向量。當控制器對水下機器人下達各自由度控制指令時, 將水下機器人各自由度需求指令組成的向量與每個推進器自由度對應的貢獻系數向量做內積, 結果即為推進器在此自由度方向上的控制指令。

由各個推進器的貢獻系數向量組成的貢獻系數矩陣為

自由度需求指令向量可以表示為

8個推進器的推力向量表示為

其中

由此完成推力分配。

2.2 容錯控制方法

推進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, 此時推進器還能繼續工作, 只是由于不太嚴重的故障導致最大轉速降低; 二是推進器完全失效, 此時只能依賴于其他驅動器繼續工作。

通過各個推進器的故障狀態(推進器電機轉速高低和電流大小), 可以得到其工作狀態權值, 繼而重構CAM, 在推進器部分失效或完全失效情況下實現穩定控制。

各個推進器的實際推力用工作狀態權值與最大推力的乘積表示

主要約束條件有:

力矩平衡約束

推進器實際推力大小約束

根據圖4所示推進器布局配置情況, 有

圖4 水平推進器布局示意圖

將式(14)代入式(13), 得到

圖5 T1完全失效時合力F隨W2、W3的變化曲面

圖6 T1部分失效時合力F隨W2、W3的變化曲面

用得到的權值更新到權值對角矩陣, 權值對角矩陣乘以CAM矩陣得到新的推力分配矩陣, 即可實現推力分配重構。

3 仿真驗證

由于CAM矩陣可以提供六自由度的控制指令, 當某一推進器出現故障后, CAM矩陣將其視作一種干擾, 進行穩定控制。但這種未經過調整的原始CAM矩陣沒有考慮各個推進器推力的合力大小, 而經過上節所述重構后的CAM矩陣能夠使推進器產生更大的推力合力, 使得水下機器人行駛效率更高。

在MATLAB/Simulink環境下, 選用1.2節中水下機器人數學模型, 結合CAM矩陣控制方法, 進行仿真試驗, 驗證所提容錯控制方法的可行性和有效性。仿真結構圖如圖7所示。

圖7 系統仿真結構圖

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 結束語

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

[1] 劉維新. 水下機器人推進器弱故障檢測與預測方法研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2016.

[2] 陳小龍. 自主式水下機器人容錯控制研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2009.

[3] Corradini M L, Cristofaro A. A Nonlinear Fault-tolerant Thruster Allocation Architecture for Underwater Remotely Operated Vehicles[J]. IFAC-Papers on Line, 2016, 49(23): 285-290.

[4] Podder T K, Sarkar N. Fault-tolerant Control of an Autonomous Underwater Vehicle under Thruster Redundancy[J]. Robotics and Autonomous Systems, 2001, 34(1): 39-52.

[5] Omerdic E, Roberts G. Thruster Fault Diagnosis and Accommodation for Open-frame Underwater Vehicles[J]. Control Rngineering Practice, 2004, 12(12): 1575-1598.

[6] 袁芳, 朱大奇, 葉銀忠. 基于降階卡爾曼濾波器的水下機器人滑模容錯控制[J]. 控制與決策, 2011, 26(7): 1031-1035.Yuan Fang, Zhu da-qi, Ye Yin-zhong. Sliding-mode Fault-tolerant Control Method of Underwater Vehicle Based on Reduced-order Kalman Filter[J]. Control and Decision, 2011, 26(7): 1031-1035.

[7] Liu X, Zhang M, Wang Y, et al. Design and Experimental Validation of an Adaptive Sliding Mode Observer-based Fault-tolerant Control for Underwater Vehicles[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2019, 27(6): 2655-2662.

[8] Soylu S, Buckham B J, Podhorodeski R P. A Chattering-free Sliding-mode Controller for Underwater Vehicles with Fault-tolerant Infinity-norm Thrust Allocation[J]. Ocean Engineering, 2008, 35(16): 1647-1659.

[9] Xu R, Tang G, Huang D, et al. Adaptive Fault-tolerant Attitude Control for a CMG-based Underwater Vehicle[J]. Journal of Marine Science and Technology, 2019, 25(3): 1-8.

[10] Li B, Dong W, Xiong C. Robust Actuator-fault-tolerant Control System Based on Sliding-mode Observer for Thrust-vectoring Aircrafts[J]. Asian Journal of Control, 2019, 21(1): 236-247.

[11] Guo B, Chen Y. Adaptive Fast Sliding Mode Fault Tolerant Control Integrated with Disturbance Observer for Spacecraft Attitude Stabilization System[J]. ISA Transactions, 2019, 94: 1-9.

[12] Zhu D, Liu Q, Hu Z. Fault-tolerant Control Algorithm of the Manned Submarine with Multi-thruster Based on Quantum-behaved Particle Swarm Optimisation[J]. International Journal of Control, 2011, 84(11): 1817-1829.

[13] 褚振忠, 朱大奇. 基于自適應區域跟蹤的自主式水下機器人容錯控制[J]. 山東大學學報(工學版), 2017, 47(5): 57-63.Chu Zhen-zhong, Zhu Da-qi. Fault-tolerant Control of Autonomous Underwater Vehicle Based on Adaptive Region Tracking[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2017, 47(5): 57-63.

[14] Wang Y, Wilson P A, Liu X. Adaptive Neural Network-based Backstepping Fault Tolerant Control for Underwater Vehicles with Thruster Fault[J]. Ocean Engineering, 2015, 110: 15-24.

[15] Hai H, Lei W, Chang W T, et al. A Fault-tolerable Control Scheme for an Open-frame Underwater Vehicle[J]. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2014, 11(5): 77.

[16] Ma L, Huang Y, Zhou L, et al. Fault Tolerant Control for a Class of Nonlinear System with Actuator Faults[EB/OL]. (2019-09-12)[2020-10-01]. https://onlinelibrary.wiley.co m/doi/full/10.1002/asjc.2225.

[17] Wang W, Chen Y, Xia Y, et al. A Fault-tolerant Steering Prototype for X-rudder Underwater Vehicles[J]. Sensors, 2020, 20(7): 1816.

[18] Yu Y, Wang H, Li N. Fault-tolerant Control for Over-actuated Hypersonic Reentry Vehicle Subject to Multiple Disturbances and Actuator Faults[J]. Aerospace Science and Technology, 2019, 87: 230-243.

[19] García-Valdovinos L, Salgado-Jiménez T, Bandala- Sánchez M, et al. Modelling, Design and Robust Control of a Remotely Operated Underwater Vehicle[J]. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2014, 11(1): 1-16.

[20] Yuh J, Nie J. Application of Non-regressor-based Adaptive Control to Underwater Robots: Experiment[J]. Computer & Electrical Engineering, 2000, 26: 169-179.

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矩陣的水下機器人容錯控制方法[J]. 水下無人系統學報, 2021, 29(1): 104-110.

2020-10-13;

2020-11-19.

邱 帥(1995-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為水下航行器制導技術.

(責任編輯: 許 妍)