CN108469731B - 一种波浪滑翔器故障监测与鲁棒控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波浪滑翔器故障监测与鲁棒控制方法，属于波浪滑翔器控制领域，包含如下步骤：波浪滑翔器主控计算机在每个控制节拍读取一次各设备发送来的数据，并存储；主控计算机对n个控制节拍的数据进行分析，判别是否发生故障；主控计算机进行综合分析，判断波浪滑翔器系缆是否发生断裂；主控计算机针对波浪滑翔器的故障情况，根据鲁棒控制方法，对波浪滑翔器进行运动控制；利用无线电模块，将波浪滑翔器运行状态信息按通信协议反馈至母船，进入下一设备故障检测周期。本发明能够对波浪滑翔器所搭载的传感器等设备的工作状态进行故障检测，并能判断波浪滑翔器系缆是否发生断裂，利用鲁棒控制方法，提升了波浪滑翔器在设备故障时的生存能力。

Description

一种波浪滑翔器故障监测与鲁棒控制方法

技术领域

本发明属于波浪滑翔器控制领域，尤其涉及一种波浪滑翔器故障监测与鲁棒控制方法。

背景技术

波浪滑翔器是近年来新兴的一种海洋观测设备。它依靠特殊的浮体与潜体机构实现将海洋中的波浪能转化为自身航行的推进力，无需螺旋桨等传统推进器即可完成长航时、大航程的海洋观测任务。波浪滑翔器的浮体上搭载有太阳能板，利用太阳能来为自身各种设备与传感器提供电力。相比于传统的海洋观测平台，它具有运行成本低廉、续航能力强、不产生环境污染、恶劣海况下生命力强等众多优点。因此，波浪滑翔器是一种具有广泛应用前景的海洋观测平台。

由于波浪滑翔器多用于执行长航时、大航程的海洋观测任务，海洋环境复杂多变，未知影响因素多，这就对波浪滑翔器控制器的鲁棒性提出了较高的要求。当波浪滑翔器上的一个或多个设备出现故障时，如传感器传输有效数据过低、野值过多、舵机损坏、系缆断裂等，便要求主控计算机能够及时自主发现故障并采取相应的鲁棒控制措施，使波浪滑翔器的生存能力得到提高。当某些设备出现故障，使波浪滑翔器不能继续完成作业任务时，要求波浪滑翔器能够保持在原位等待母船救援。除此之外，波浪滑翔器由于受能源限制，所搭载的控制系统功耗低，运算能力相对较弱，因此要求故障检测与鲁棒控制方法在尽可能减少系统运算开销的情况下满足实际使用需求。

传统的野值判别方法，如基于残差特性的野值辨别方法，通过使用莱特准则，再通过对残差变化率的分析来识别数据中的野值，但该方法仅适合静止观测数据的处理，由于波浪滑翔器时刻处于运动状态，其设备反馈数据不符合正态分布，故该方法便不再适合波浪滑翔器设备反馈数据的野值辨别。

莫宏伟等人提出的公开号为CN103245373A的专利，一种水下机器人传感器故障诊断方法，采用实数编码，利用欧氏距离计算和判断传感器危险状态。考虑了传感器输出信息保持不变、在某时刻突然发生跳变、在时间轴上振荡三种故障情况。考虑的设备故障情况相对较少，不能更有针对性地判别处理故障。

韩婵等人提出的申请号为201510633491.8的专利，一种基于多模型参数估计的舵机故障检测与诊断方法，针对四种典型舵机故障类型，建立相应的单参数故障模型，并将自适应与观测器结合建立参数估计器，通过多模型切换机制给出最准确的故障信息，但该方法过于复杂，稳定性较差。

论文《The intelligent control system for an unmanned wave glider》中针对海洋环境扰动尤其是海流作用下波浪滑翔器路径跟踪存在的稳态误差问题，提出了一种提出了一种改进S面航向控制器，以解决大扰动下弱机动载体的航向控制问题。但对故障的判断不够全面。

发明内容

本发明的目的在于公开能够提高波浪滑翔器生存能力与容错率的一种波浪滑翔器故障监测与鲁棒控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种波浪滑翔器故障监测与鲁棒控制方法，包含如下步骤：

步骤(1)：波浪滑翔器主控计算机在每个控制节拍读取一次各设备发送来的数据，并将单个控制节拍用于波浪滑翔器的鲁棒控制，将n个控制节拍的数据存储下来用于波浪滑翔器故障监测：

主控计算机在n个控制节拍内读取n次各设备发送来的数据，将n个控制节拍的数据中的第i个设备数据记为P_i(i＝1,2......m,m≤n)。

步骤(2)：主控计算机对n个控制节拍的数据进行分析，根据波浪滑翔器设备故障监测方法，判别各设备是否发生故障：

进一步地，波浪滑翔器设备故障监测方法：

步骤(2.1)：计算n个控制节拍内主控计算机有效读取数据频率：

根据数据野值判别方法，记n个控制节拍内主控计算机读取到的野值数据个数为m_o，则野值频率为：

计算n个控制节拍内主控计算机读取到的数据均值：

进一步地，数据野值判别方法：

从第一个设备数据开始，计算第i个设备数据和第i-1个设备数据的关于控制节拍的变化率k：

上式中，Δt为主控计算机的控制节拍；

若k>P_max，则第i个设备数据为野值数据，然后忽略第i个设备数据，对与第i+1个设备数据进行数据野值判别。

步骤(2.2)：当满足条件一至条件四共四个条件中的任意一个时，即认为第i个设备故障：

条件一：p_e小于控制系统可以接受的最小读取数据频率p_emin，即：

p_e＜p_emin；

条件二：p_o大于控制系统可以接受的最大野值频率p_omax，即：

p_o＞p_omax；

条件三：

小于第i个设备反馈数据的理论最小阈值P_min或大于第i个设备反馈数据的理论最大阈值P_max，即下式不成立：

条件四：在n个控制节拍内主控计算机读取到的n个控制节拍的数据中的第i个设备数据有效，但持续不变，即：

步骤(3)：主控计算机根据系缆状态监测方法对各设备的工作状态与n个控制节拍读取到的纵倾姿态传感器数据进行综合分析，判断波浪滑翔器系缆是否发生断裂；

进一步地，系缆状态监测方法：

上式中，|Δθ|是波浪滑翔器的纵倾角变化幅度，|Δθ|_max是由实验确定的波浪滑翔器的纵倾角变化幅度最大值。

步骤(4)：主控计算机针对波浪滑翔器的故障情况，根据鲁棒控制方法，对波浪滑翔器进行运动控制；

进一步地，鲁棒控制方法：

当波浪滑翔器潜体艏向传感器工作正常时，输入的S面控制率f：

上式中，Δψ_G＝ψ_d-ψ_G，ψ_d为期望潜体艏向角，ψ_G为实际潜体艏向角，Δu为S面偏移，K为最大舵角；

当波浪滑翔器潜体艏向传感器出现故障，浮体艏向传感器工作正常时，输入的S面控制率f：

上式中，Δψ_F＝ψ_d-ψ_F，ψ_F为实际浮体艏向角，e₁为第一艏向角偏差阈值，e₂为第二艏向角偏差阈值；

当波浪滑翔器的浮体艏向传感器和潜体艏向传感器均出现故障，或主控计算机监测到GPS定位模块发生故障时，波浪滑翔器主控计算机将控制舵机打至最大舵角，使波浪滑翔器保持在原位做回转运动。

步骤(5)：利用无线电模块，将波浪滑翔器运行状态信息按通信协议反馈至母船，并返回步骤(1)进入下一设备故障检测周期。

本发明的有益效果为：

本发明能够对波浪滑翔器所搭载的传感器等设备的工作状态进行故障检测，并能判断波浪滑翔器系缆是否发生断裂，利用鲁棒控制方法，提升了波浪滑翔器在设备故障时的生存能力。

附图说明

图1是波浪滑翔器控制系统的运行流程图；

图2是双体艏向融合S面控制率坐标系示意图；

图3是波浪滑翔器硬件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

实施例1：

如图3，存在一个波浪滑翔器，包括浮体1，主控计算机2，继电器3，浮体艏向传感器4，GPS定位模块5，纵倾姿态传感器6，无线电模块7，潜体8，舵机9，潜体艏向传感器10。舵机9可以实时反馈当前舵角δ，浮体艏向传感器4用以测量波浪滑翔器浮体艏向ψ_F，潜体艏向传感器10用以测量波浪滑翔器潜体艏向ψ_G。GPS定位模块5用以测量波浪滑翔器的实时经纬度坐标(x,y)。纵倾姿态传感器6用以测量波浪滑翔器浮体的纵倾角θ。主控计算机与波浪滑翔器中其他设备之间的数据传输均采用串口通信的方式完成。

如图1，一种波浪滑翔器故障监测与鲁棒控制方法，包含如下步骤：

步骤(1)：波浪滑翔器主控计算机在每个控制节拍读取一次各设备发送来的数据，并将单个控制节拍用于波浪滑翔器的鲁棒控制，将n个控制节拍的数据存储下来用于波浪滑翔器故障监测：

主控计算机在n个控制节拍内读取n次各设备发送来的数据，将n个控制节拍的数据中的第i个设备数据记为P_i(i＝1,2......m,m≤n)。

步骤(2)：主控计算机对n个控制节拍的数据进行分析，根据波浪滑翔器设备故障监测方法，判别各设备是否发生故障：

进一步地，波浪滑翔器设备故障监测方法：

步骤(2.1)：计算n个控制节拍内主控计算机有效读取数据频率：

根据数据野值判别方法，记n个控制节拍内主控计算机读取到的野值数据个数为m_o，则野值频率为：

计算n个控制节拍内主控计算机读取到的数据均值：

进一步地，数据野值判别方法：

从第一个设备数据开始，计算第i个设备数据和第i-1个设备数据的关于控制节拍的变化率k：

上式中，Δt为主控计算机的控制节拍；k的物理意义为：对于浮体艏向传感器与潜体艏向传感器数据，表示波浪滑翔器的浮体与潜体的艏摇角速度；对于舵机，表示舵轴的旋转角速度；对于GPS定位模块，表示波浪滑翔器的航速；对于纵倾姿态传感器，表示波浪滑翔器的纵摇角速度。

若k>P_max，则第i个设备数据为野值数据，然后忽略第i个设备数据，对与第i+1个设备数据进行数据野值判别。

步骤(2.2)：当满足条件一至条件四共四个条件中的任意一个时，即认为第i个设备故障：

条件一：p_e小于控制系统可以接受的最小读取数据频率p_emin，即：

p_e＜p_emin；

条件二：p_o大于控制系统可以接受的最大野值频率p_omax，即：

p_o＞p_omax；

条件三：

小于第i个设备反馈数据的理论最小阈值P_min或大于第i个设备反馈数据的理论最大阈值P_max，即下式不成立：

条件四：在n个控制节拍内主控计算机读取到的n个控制节拍的数据中的第i个设备数据有效，但持续不变，即：

步骤(3)：主控计算机根据系缆状态监测方法对各设备的工作状态与n个控制节拍读取到的纵倾姿态传感器数据进行综合分析，判断波浪滑翔器系缆是否发生断裂；

进一步地，系缆状态监测方法：

上式中，|Δθ|是波浪滑翔器的纵倾角变化幅度，|Δθ|_max是由实验确定的波浪滑翔器的纵倾角变化幅度最大值。判断此时连接波浪滑翔器浮体与潜体的系缆发生断裂。此时主控计算机通过继电器关闭对潜体艏向传感器和舵机的供电

步骤(4)：主控计算机针对波浪滑翔器的故障情况，根据鲁棒控制方法，对波浪滑翔器进行运动控制；

进一步地，鲁棒控制方法：

当波浪滑翔器潜体艏向传感器工作正常时，输入的S面控制率f：

上式中，Δψ_G＝ψ_d-ψ_G，ψ_d为期望潜体艏向角，ψ_G为实际潜体艏向角，Δu为S面偏移，K为最大舵角；

当波浪滑翔器潜体艏向传感器出现故障，浮体艏向传感器工作正常时，输入的S面控制率f：

上式中，Δψ_F＝ψ_d-ψ_F，ψ_F为实际浮体艏向角，e₁为第一艏向角偏差阈值，e₂为第二艏向角偏差阈值；

当波浪滑翔器的浮体艏向传感器和潜体艏向传感器均出现故障，或主控计算机监测到GPS定位模块发生故障时，波浪滑翔器主控计算机控制舵机打至最大舵角，使波浪滑翔器保持在原位做回转运动。

步骤(5)：利用无线电模块，将波浪滑翔器运行状态信息按通信协议反馈至母船，并返回步骤(1)进入下一设备故障检测周期。

舵机故障监测方法：除满足以上所述故障判定准则外，当在相邻两个控制节拍内的数据均不是野值，后一时刻实际舵角δ₂与前一时刻期望舵角δ_d之间的差的绝对值大于前一时刻实际舵角δ₂与前一时刻期望舵角δ_d之间的差的绝对值，即

|δ_d-δ₂|＞|δ_d-δ₁|；

此时认为舵机出现故障。

如图2，当波浪滑翔器潜体艏向传感器出现故障时，为保证波浪滑翔器仍具备艏向控制能力，可采用浮体艏向角来替代潜体艏向角，但如果直接将S面控制率中的潜体艏向角用浮体艏向角来替换是不可以的。其原因为：波浪滑翔器浮体艏向角的改变是依靠潜体先打舵转向，再由系缆拉动浮体转向，浮体的艏向角相对于潜体具有一定的滞后效应。如果直接将S面控制率中的潜体艏向角用浮体艏向角来替换，则在浮体正朝向期望艏向转动的过程中，在某一时刻，潜体艏向角就已经到达了期望艏向，之后浮体继续朝向期望艏向转动，这时潜体就会产生超调，潜体艏向偏差Δψ_G与浮体艏向偏差Δψ_F符号相反，但如果直接将S面控制率中的潜体艏向角用浮体艏向角来替换，则此时潜体艏向偏差Δψ_G反而会加大，而不是趋近于0。直到Δψ_F符号改变，且舵机向反方向打至一定舵角时，潜体才达到最大超调。这就会造成波浪滑翔器艏向难以收敛，控制效果极差，甚至控制失败。因此当波浪滑翔器潜体艏向传感器发生故障时，应采用双体艏向融合S面控制率。设置e₁、e₂为两个艏向角偏差阈值，当|Δψ_F|≥e₂时，即当前浮体艏向与期望潜体艏向偏差过大时，采用较大的比例参数和较小的微分参数使浮体艏向尽快收敛；当e₁≤|Δψ_F|＜e₂，即浮体艏向即将接近期望潜体艏向时，采用较小的比例参数和较大的微分参数抑制潜体艏向的超调；当0≤|Δψ_F|＜e₁时，舵角归零，使潜体艏向不再产生超调，直至浮体艏向偏差由于潜体拖曳或海流作用等原因不再满足该范围内时再恢复打舵。

应该注意的是，当波浪滑翔器潜体艏向传感器发生故障时，双体艏向融合S面控制率是将潜体艏向控制在一个有限的偏差范围Φ内，当0≤|Δψ_F|＜e₁时，潜体即处于偏差范围Φ内。偏差范围Φ与实际海况以及控制参数的选取有关，需要试验加以确定。

当波浪滑翔器的浮体与潜体艏向传感器均出现故障时，波浪滑翔器主控计算机将控制舵机打至最大舵角，使波浪滑翔器保持在原位做回转运动。

与现有技术相比，本发明能够对波浪滑翔器所搭载的传感器等设备的工作状态进行故障检测，并能判断波浪滑翔器系缆是否发生断裂，利用鲁棒控制方法，提升了波浪滑翔器在设备故障时的生存能力。

以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种波浪滑翔器故障监测与鲁棒控制方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤(1)：波浪滑翔器主控计算机在每个控制节拍读取一次各设备发送来的数据，并将单个控制节拍用于波浪滑翔器的鲁棒控制，将n个控制节拍的数据存储下来用于波浪滑翔器故障监测；

步骤(2)：主控计算机对n个控制节拍的数据进行分析，根据波浪滑翔器设备故障监测方法，判别各设备是否发生故障；

步骤(3)：主控计算机根据系缆状态监测方法对各设备的工作状态与n个控制节拍读取到的纵倾姿态传感器数据进行综合分析，判断波浪滑翔器系缆是否发生断裂；

步骤(4)：主控计算机针对波浪滑翔器的故障情况，根据鲁棒控制方法，对波浪滑翔器进行运动控制；

步骤(5)：利用无线电模块，将波浪滑翔器运行状态信息按通信协议反馈至母船，并返回步骤(1)进入下一设备故障检测周期；

所述的步骤(2)中的波浪滑翔器设备故障监测方法：

步骤(2.1)：计算n个控制节拍内主控计算机有效读取数据频率：

根据数据野值判别方法，记n个控制节拍内主控计算机读取到的野值数据个数为m_o，则野值频率为：

计算n个控制节拍内主控计算机读取到的数据均值：

步骤(2.2)：当满足条件一至条件四共四个条件中的任意一个时，即认为第i个设备故障：

条件一：p_e小于控制系统可以接受的最小读取数据频率p_emin，即：

p_e＜p_emin；

条件二：p_o大于控制系统可以接受的最大野值频率p_omax，即：

p_o＞p_omax；

条件三：

小于第i个设备反馈数据的理论最小阈值P_min或大于第i个设备反馈数据的理论最大阈值P_max，即下式不成立：

条件四：在n个控制节拍内主控计算机读取到的n个控制节拍的数据中的第i个设备数据有效，但持续不变，即：

所述的数据野值判别方法：

从第一个设备数据开始，计算第i个设备数据和第i-1个设备数据的关于控制节拍的变化率k：

上式中，Δt为主控计算机的控制节拍；

若k>P_max，则第i个设备数据为野值数据，然后忽略第i个设备数据，对与第i+1个设备数据进行数据野值判别；

所述的步骤(4)中的鲁棒控制方法：

当波浪滑翔器潜体艏向传感器工作正常时，输入的S面控制率f：

上式中，Δψ_G＝ψ_d-ψ_G，ψ_d为期望潜体艏向角，ψ_G为实际潜体艏向角，Δu为S面偏移，K为最大舵角；

当波浪滑翔器潜体艏向传感器出现故障，浮体艏向传感器工作正常时，输入的S面控制率f：

上式中，Δψ_F＝ψ_d-ψ_F，ψ_F为实际浮体艏向角，e₁为第一艏向角偏差阈值，e₂为第二艏向角偏差阈值；

当波浪滑翔器的浮体艏向传感器和潜体艏向传感器均出现故障，或主控计算机监测到GPS定位模块发生故障时，波浪滑翔器主控计算机控制舵机打至最大舵角，使波浪滑翔器保持在原位做回转运动。

2.根据权利要求1所述的一种波浪滑翔器故障监测与鲁棒控制方法，其特征在于：所述的步骤(1)具体为：

主控计算机在n个控制节拍内读取n次各设备发送来的数据，将n个控制节拍的数据中的第i个设备数据记为P_i,i＝1,2......m,m≤n。

3.根据权利要求1所述的一种波浪滑翔器故障监测与鲁棒控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中的系缆状态监测方法：

上式中，|Δθ|是波浪滑翔器的纵倾角变化幅度，|Δθ|_max是由实验确定的波浪滑翔器的纵倾角变化幅度最大值。

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