基于滑模算法与推力二次调整的自主式水下机器人推进器容错控制方法与流程

本发明属于自主式水下机器人推进器故障容错技术领域，具体涉及基于滑模算法与推力二次调整的自主式水下机器人推进器容错控制方法。

背景技术：

开发海洋资源需要先进的技术与装备，水下机器人是目前唯一能够进入深海的装备，自主式水下机器人无人无缆工作在复杂海洋环境，安全性是保证其顺利完成任务的前提，容错控制技术是保障水下机器人安全性的关键技术之一。

自主式水下机器人系统具有强耦合、非线性特性，鉴于滑模控制本身为非线性控制，具有良好的鲁棒性和抗干扰性，在水下机器人控制中取得了一定的应用。有学者提出了一种将滑模控制算法与卡尔曼滤波器相结合的水下机器人多模型滑模容错控制算法。采用滑模容错控制器对自主式水下机器人推进器故障起到了一定的容错控制效果，但由于容错控制器的相关参数设置无法达到最优化，所以状态量的实际值与期望值仍存在一定的静差。在水下机器人控制中引入滑模控制算法可以保证闭环系统的渐近稳定性，但这容易导致控制系统的抖振。在滑模控制项中采用饱和函数代替符号函数，但这降低了控制系统在滑模切换面附近的鲁棒性。有学者提出了一种基于指数函数规律变化的滑模切换增益方法，既可以保证系统具有较大跟踪误差时控制系统的快速收敛性，又可以使控制系统完成对目标值跟踪后降低被控系统控制量的抖振。

对于自主式水下机器人控制系统给出的控制律，需要对其进行控制分配，加权伪逆法是求解水下机器人控制分配问题最常用的方法，但在实际应用中存在饱和约束问题。有学者提出了t-近似和s-近似的方法，基于加权伪逆法进行控制分配，推进器对应的权值系数根据故障程度的增大而增大，以此来降低故障推进器使用优先等级，但该方法对求得的解进行二次近似处理后，与最优解之间存在偏差。学者采用遗传算法对控制矩阵重构问题进行优化，省去了常规加权伪逆重构中的二次近似处理，仿真结果表明该方法具有较为理想的容错控制性能，但基于遗传算法优化在实际工作中需要考虑实时性问题。学者提出的伪逆二次规划算法在进行控制分配时可快速得到控制量最优解，并将推进器的权值调整函数表示为故障程度系数的指数形式，大幅度降低了故障推进器使用优先等级，但本文作者在实验研究中发现，由于推力瞬间变化过大会导致推力不能及时调整，而达不到预期目的。

因此，将滑模算法与推力二次调整相结合的自主式水下机器人推进器故障容错控制方法，将故障推进器权值系数的变化值与故障程度系数相关联，来调整故障推进器的使用优先等级，控制器通过调整后的权值矩阵计算故障引起的控制性能不足并进行补偿，可有效降低传统滑模容错控制存在静差问题；采用双极性函数sigmoid代替符号函数，并设计自适应律控制切换增益和边界层厚度根据系统状态自适应调节，可在降低控制输出抖振的同时，维持较高的跟踪精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种基于滑模算法与推力二次调整的自主式水下机器人推进器容错控制方法，解决传统滑模容错控制存在静差问题，同时解决采用滑模控制时会因固定切换增益和边界层厚度引起的抖振问题，提出基于滑模算法与推力二次调整的自主式水下机器人推进器容错控制方法。

基于滑模算法与推力二次调整的自主式水下机器人推进器容错控制方法，步骤如下：

(1)在现有的自主式水下机器人动力学模型的基础上，利用常用的推进器故障表示方法，描述故障后的自主式水下机器人动力学模型，为后续容错控制器设计做准备；

(2)根据滑模控制器设计流程，推导出无故障情况下的控制律，并利用lyapunov稳定性理论进行稳定性分析；

(3)采用双极性sigmoid函数来代替步骤2所得控制律中的符号函数sgn(s)；

(4)采用自适应策略来对切换增益和边界层厚度进行在线估计以及调整，并将所得的切换增益和边界层厚度代入至原控制律中，并利用lyapunov稳定性理论进行稳定性分析；

(5)将上述步骤所获得的控制律，通过推力分配算法分配给各个执行器以进行控制，考虑到故障推进器故障大小对自主式水下机器人力及力矩的影响，采用推进器的优先权矩阵表示推进器的使用优先等级，在故障诊断给出诊断结果后，为保护故障推进器，降低其使用优先等级，把故障程度系数λ反馈给推力分配器，通过调整各个推进器所对应的权值元素wi的大小，改变推进器优先等级、调节分配结果；

(6)采用故障诊断系统提供的故障描述因子矩阵与推进器权值矩阵获得推进器故障的影响向量，在上述步骤所获得的控制律中加入该影响向量补偿推进器故障引起的控制性能不足，完成整个推进器容错控制过程。

所述步骤(2)的滑模控制器设计流程以及推导出无故障情况下的控制律步骤为：

(2.1)根据路径规划器提供的期望轨迹信息，利用自主式水下机器人的二阶动力学模型，在滑模设计的框架下，采用线性滑模面构建无故障情况下的控制器；

(2.2)在故障诊断给出诊断结果后，为保护故障推进器，降低其使用优先等级，把故障程度系数λ反馈给推力分配器，通过调整各个推进器所对应的权值元素wi的大小，达到改变推进器优先等级、调节分配结果的目的；

(2.3)采用故障诊断系统提供的故障描述因子矩阵与推进器权值矩阵获得推进器故障的影响向量，在(2.1)所获得的控制律中加入该影响向量补偿推进器故障引起的控制性能不足，完成整个推进器容错控制过程。

步骤(3)所述的sigmoid函数表达式按下式计算：

上式中，k为切换增益，ρ为边界层厚度。

所述步骤(5)权值元素wi调节的方式按下式计算：

wi＝1/λwi0

其中wi0为初始权值系数，λ为故障诊断提供的故障幅值。

本发明与现有技术相比的有益效果主要体现在：

与现有的自主式水下机器人容错控制方法相比，本发明提出了一种滑模算法与推力二次调整相结合的容错控制方法，该方法既有效容纳了推进器故障的影响，由解决了传统基于滑模容错控制方法存在的状态量的实际值与期望值存在静差的问题，同时，通过根据故障诊断系统提供的诊断信息改变推进器优先等级，避免了故障推进器的进一步恶化，并对控制量中的切换增益和边界层厚度在线自适应调整，克服了现有滑模控制中控制输出存在明显抖振的问题，大大提高了自主式水下机器人的跟踪精度，降低了推进器的能耗。

附图说明

图1为本发明的容错控制方法的结构框图。

图2(a)为静水环境下本发明与传统容错控制方法的纵向速度对比跟踪结果。

图2(b)为静水环境下本发明与传统容错控制方法的艏向角度对比跟踪结果。

图2(c)为静水环境下本发明与传统容错控制方法的速度误差对比跟踪结果。

图2(d)为静水环境下本发明与传统容错控制方法的角度误差对比跟踪结果。

图3(a)为静水环境下节拍为0.2s时本发明与传统容错控制方法的左主推对比控制输出结果。

图3(b)为静水环境下节拍为0.2s时本发明与传统容错控制方法的右主推对比控制输出结果。

图3(c)为静水环境下节拍为0.2s时本发明与传统容错控制方法的前侧推对比控制输出结果。

图3(d)为静水环境下节拍为0.2s时本发明与传统容错控制方法的后侧推对比控制输出结果。

图4(a)为有流环境下本发明与传统容错控制方法的纵向速度对比跟踪结果。

图4(b)为有流环境下本发明与传统容错控制方法的横向速度对比跟踪结果。

图5(a)为有流环境下本发明与传统容错控制方法的前纵推对比控制输出结果。

图5(b)为有流环境下本发明与传统容错控制方法的后纵推对比控制输出结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

基于滑模算法与推力二次调整的自主式水下机器人推进器容错控制方法，首先，为解决自主式水下机器人滑模容错控制中存在抖振的问题，以及切换增益和边界层厚度均对抖振和跟踪精度有影响，参数难以选择等问题，采用双极性函数去代替符号函数，实现切换增益和边界层厚度自适应调节，以削弱滑模容错控制的抖振现象；针对滑模容错控制方法在进行自主式水下机器人容错控制时，状态量的实际值与期望值存在静差问题，采用滑模控制与推力二次调整相结合的容错控制方法，该方法考虑了故障推进器使用优先等级问题，使得推进器优先权矩阵中的故障推进器权值系数随着故障程度的变化而变化，以降低故障推进器的控制电压；根据调整后的优先权矩阵去推导推进器故障引起的自主式水下机器人各自由度所受力，即力矩，与无故障时的偏差，在控制律中加入相应的控制补偿值去消除该偏差的影响，以达到容错控制的目的。本发明解决自主式水下机器人由于滑模控制中引入符号函数所带来的抖振问题，同时通过结合故障诊断系统提供的故障信息，降低故障推进器的使用等级，同时降低推进器故障对系统跟踪性能的影响，可用于自主式水下机器人推进器或其他执行器故障的容错控制等领域。

结合图1到图5对本发明的基于滑模算法与推力二次调整的自主式水下机器人容错控制方法进行阐述。本发明中的滑模算法与推力二次调整相结合的方法是针对自主式水下机器人受到外部干扰、推进器故障而提出来的。其中，双极性sigmoid函数替代原控制律中的sign函数，同时自适应调整sigmoid函数的切换增益和边界层厚度自动调整，能有效保持跟踪精度的同时，降低控制输出的抖振；在推力二次调整过程中，引入推进器的使用优先等级，并根据故障诊断系统提供的诊断信息，确定优先等级因子，再根据调整后的优先权矩阵去推导推进器故障引起的各自由度所受力，即力矩，与无故障时的偏差，在控制律中加入相应的控制补偿值去消除该偏差的影响，以达到容错控制的目的。

此基于滑模算法与推力二次调整的自主式水下机器人容错控制方法的结构框图如图1所示，其具体实施步骤如下：

1、在现有的自主式水下机器人动力学模型的基础上，利用常用的推进器故障表示方法，描述故障后的自主式水下机器人动力学模型，为后续容错控制器设计做准备；

2、根据滑模控制器设计流程，推导出无故障情况下的控制律，并利用lyapunov稳定性理论进行稳定性分析；

3、采用双极性sigmoid函数来代替步骤2所得控制律中的符号函数sgn(s)，其中sigmoid函数的表达式为式中，k为切换增益，ρ为边界层厚度；

4、采用自适应策略来对切换增益和边界层厚度进行在线估计/调整，并将所得的切换增益和边界层厚度代入至原控制律中，并利用lyapunov稳定性理论进行稳定性分析；

5、将上述步骤所获得的控制律，通过推力分配算法分配给各个执行器以进行控制，考虑到故障推进器故障大小对自主式水下机器人力及力矩的影响，采用推进器的优先权矩阵表示推进器的使用优先等级，在故障诊断给出诊断结果后，为保护故障推进器，降低其使用优先等级，把故障程度系数λ反馈给推力分配器，通过调整各个推进器所对应的权值元素wi的大小，达到改变推进器优先等级、调节分配结果的目的。其中，权值元素wi调节的方式：wi＝1/λwi0，其中wi0为初始权值系数，λ为故障诊断提供的故障幅值；

6、采用故障诊断系统提供的故障描述因子矩阵与推进器权值矩阵获得推进器故障的影响向量，在上述步骤所获得的控制律中加入该影响向量补偿推进器故障引起的控制性能不足，完成整个推进器容错控制过程。

所有附图中粗实线为本发明方法所得结果，虚线为传统方法所得结果。

图2是本发明与传统容错控制方法在静水环境下且右主推发生20％推力损失的跟踪结果对比(粗实线为本发明方法所得结果，虚线为传统方法所得结果，下同)，从对比结果上看，本发明提出的容错控制策略在自主式水下机器人运动控制中有更高的跟踪精度；

图3是本发明与传统方法在静水环境下且右主推发生20％推力损失的控制输出对比，本发明方法进行容错控制时，为保护故障的右主推，右主推控制电压相比故障前的电压均值有所降低，也就说明通过本发明方法降低了右主推(故障推进器)的使用优先等级。

图4是本发明与传统容错控制方法在有流环境下且右主推发生20％推力损失的跟踪结果对比，从自主式水下机器人纵向速度、艏向角度的跟踪结果的均值、均方差以及故障后最大跟踪误差等方面来看，本发明方法在海流环境下比传统容错控制方法有更高的控制精度。

图5是本发明与传统滑模方法在有流环境下且右主推发生20％推力损失的控制输出对比，从前后两个推进器的输出电压的均值与均方差等方面来看，本发明在能有效降低控制量抖振。

基于滑模算法与推力二次调整的自主式水下机器人推进器容错控制方法，实现步骤如下：

(1)采用滑模算法与推力二次调整的自主式水下机器人推进器容错控制方法补偿故障影响时，所述方法的步骤如下：

(1.1)根据路径规划器提供的期望轨迹信息，利用自主式水下机器人的二阶动力学模型，在滑模设计的框架下，采用线性滑模面构建无故障情况下的控制器；

(1.2)在故障诊断给出诊断结果后，为保护故障推进器，降低其使用优先等级，把故障程度系数λ反馈给推力分配器，通过调整各个推进器所对应的权值元素wi的大小，达到改变推进器优先等级、调节分配结果的目的；

(1.3)采用故障诊断系统提供的故障描述因子矩阵与推进器权值矩阵获得推进器故障的影响向量，在(1.1)所获得的控制律中加入该影响向量补偿推进器故障引起的控制性能不足，完成整个推进器容错控制过程。

(2)所述步骤(1.1)提出了一种新的降低滑模控制输出抖振的方法，其步骤如下：

(2.1)采用双极性sigmoid函数代替原滑模控制器中的sign函数；

(2.2)为了能在降低控制抖振的同时，尽可能提高系统的跟踪精度，采用自适应技术在线调整sigmoid函数的切换增益和边界层厚度。

综上所述，本发明首先采用滑模控制器设计方法，利用自主式水下机器人动力学模型设计无故障情况下的控制律；对得到的控制律中的sign函数进行处理，即利用sigmoid函数替换原控制律中的sign函数，并利用自适应策略在线估计/调整sigmoid函数的切换增益和边界层厚度，以达到降低控制抖振的同时，维持较高的跟踪精度；然后，在进行推进器推力二次调整的过程，利用故障诊断提供的故障信息，利用加权因子降低故障推进器的使用优先等级；最后，在上述步骤所获得的控制律中加入推进器故障引起的控制性能不足，完成整个推进器容错控制过程。本发明是一种新型、有效的自主式水下机器人推进器容错控制方法。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。其可扩展应用于所有自主式水下机器人执行器容错控制的应用领域，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本明明权利保护范围之内。本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于滑模算法与推力二次调整的自主式水下机器人推进器容错控制方法，实现步骤如下：

(1)将推进器故障考虑到自主式水下机器人动力学模型当中，构建含有推进器故障描述因子矩阵的自主式水下机器人动力学模型；

(2)基于滑模控制方法，在lyapunov稳定性理论的基础上，推导出无故障情况下的控制律；

(3)为了削弱滑模控制的抖振现象，采用双极性sigmoid函数来代替步骤(2)所得控制律中的符号函数sgn(s)；

(4)为了使双极性sigmoid函数的切换增益和边界层厚度自动调整，达到削弱抖振的目的。采用自适应策略来对切换增益和边界层厚度进行在线估计/调整，并利用lyapunov稳定性理论进行稳定性分析；

(5)将步骤上述步骤所获得的控制律，通过推力分配算法分配给各个执行器以进行控制，考虑到故障推进器故障大小对自主式水下机器人力及力矩的影响，采用推进器的优先权矩阵表示推进器的使用优先等级，在故障诊断给出诊断结果后，为保护故障推进器，降低其使用优先等级，把故障程度系数λ反馈给推力分配器，通过调整各个推进器所对应的权值元素wi的大小，达到改变推进器优先等级、调节推力二次调整的目的；

(6)采用故障诊断系统提供的故障描述因子矩阵与推进器权值矩阵获得推进器故障的影响向量，在上述步骤所获得的控制律中加入该影响向量补偿推进器故障引起的控制性能不足，完成整个推进器容错控制过程。