CN113467488B - X舵水下航行器的多层级容错控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下航行器技术领域，具体涉及X舵水下航行器的多层级容错控制系统，包括：驱动执行部分，用于驱动X舵水下航行器航行和上浮；航行控制部分，用于控制驱动执行部分驱动X舵水下航行器航行；容错控制部分，用于根据X舵水下航行器的实际航行信息，判定当前X舵水下航行器的故障类型，并根据故障类型生成分级控制指令发送至航行控制部分或驱动执行部分，从而改变驱动X舵水下航行器的当前航行状态或轨迹。本发明具备多源故障诊断和多层级容错控制能力，可解决X舵水下航行器容错控制手段单一、应对故障能力有限的技术问题。

Description

X舵水下航行器的多层级容错控制系统

技术领域

本发明涉及水下航行器技术领域，具体涉及X舵水下航行器的多层级容错控制系统。

背景技术

近几十年来，水下航行器作为海洋工程装备中的一支生力军，在海洋防务及经济等方面发挥了重要作用，其应用范围从初期实验室研究逐步扩展到了商业、民用和军事等诸多领域，并承担了越来越重要的任务，包括但不限于：水下探测、采样、海事搜救、海底地形测绘、水下预警、主动攻击等。随着科技的进步及海洋开发进程的飞速发展，人类对海洋的探索热情日趋升温，早已不局限于近、浅海等相对安全区域，而是进一步瞄准了“深远海”。尽管国内外对水下航行器的研究及应用已经日趋成熟，取得了显著成果，但在面向特殊工况及复杂任务时，现有水下航行器仍表现出严重的局限性，因此迫切需要开展多维度的智能升级。

在现有水下航行器的诸多技术瓶颈中，安全性问题是较为突出的一个。尤其是在深远海应用时，受复杂、未知的深远海环境影响，水下航行器可能面临非常严重的航行风险。相比于传统的十字舵型水下航行器，X舵水下航行器的操纵性和容错能力更加优良。但是，在目前的水下航行器研究中，容错控制手段比较单一，应对故障能力有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，克服现有的技术的不足，提供X舵水下航行器的多层级容错控制系统，其具备多源故障诊断和多层级容错控制能力，可解决X舵水下航行器容错控制手段单一、应对故障能力有限的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明所述的X舵水下航行器的多层级容错控制系统，包括：

驱动执行部分，用于驱动X舵水下航行器航行和上浮；

航行控制部分，用于控制驱动执行部分驱动X舵水下航行器航行；

容错控制部分，用于根据X舵水下航行器的实际航行信息，判定当前X舵水下航行器的故障类型，并根据故障类型生成分级控制指令发送至航行控制部分或驱动执行部分，从而改变驱动X舵水下航行器的当前航行状态或轨迹。

进一步地，所述分级控制指令，包括：抛载上浮指令和容错指令；

所述驱动执行部分，包括：

抛载装置，用于释放压载，实现X舵水下航行器上浮回收；

所述容错控制部分，包括：

故障诊断器，用于根据X舵水下航行器的实际航行信息，判断X舵水下航行器当前是否有故障，确定X舵水下航行器当前处于故障状态后，判定当前X舵水下航行器的故障类型；所述故障类型包括：致命故障和非致命故障；

容错控制器，用于当故障诊断器判定当前X舵水下航行器的故障类型为致命故障时，生成抛载上浮指令发送至抛载装置；

以及，当故障诊断器判定当前X舵水下航行器的故障类型为非致命故障时，生成容错指令发送至航行控制部分；

所述抛载装置接收抛载上浮指令后，驱动X舵水下航行器放弃当前航行轨迹进行上浮回收；

所述航行控制部分接收容错指令后，驱动X舵水下航行器改变当前航行状态。

更进一步地，所述容错控制器，还用于根据当前X舵水下航行器的实际航行信息，判断X舵水下航行器当前是否超出预设安全航行阈值。

再进一步地，所述驱动执行部分，还包括：

推进器，用于为X舵水下航行器在前进方向上进行提供控制力矩；

X舵，用于为X舵水下航行器俯仰、转向和横倾提供控制力矩；

所述航行控制部分，包括：

航行控制器，用于根据X舵水下航行器的实际航行信息和理想航迹信息，进行运动制导和跟踪控制推算，得到推进器和X舵的控制力矩；

推进控制器，用于控制推进器实现航行控制器得到的推进器的控制力矩；

舵力分配器，用于控制X舵实现航行控制器得到的X舵的控制力矩。

还进一步地，所述非致命故障，包括：感知故障；

所述容错指令，包括：容错运动控制指令；

所述容错运动控制指令，包括：系统状态重构指令；

当故障诊断器判定当前X舵水下航行器的故障类型为感知故障时，所述容错控制器，具体用于生成系统状态重构指令发送至航行控制器，使航行控制器中增设故障状态观测器；

所述故障状态观测器，用于为生成X舵水下航行器的实际航行信息，提供故障传感器的估计数据。

又进一步地，当容错控制器发送系统状态重构指令至航行控制器，且判定X舵水下航行器当前超出预设安全航行阈值时，所述容错控制器生成抛载上浮指令发送至抛载装置。

在上述技术方案中，所述非致命故障，包括：X舵故障；

所述容错指令，包括：容错运动控制指令和降格容错运动控制指令；

所述容错运动控制指令，包括：控制分配重构指令和跟踪控制重构指令；

所述降格容错运动控制指令，包括：制导重构指令；

当故障诊断器判定当前X舵水下航行器的故障类型为X舵故障时：

所述容错控制器，具体用于生成控制分配重构指令至舵力分配器，改变控制X舵的控制值。

优选地，当故障诊断器判定当前X舵水下航行器的故障类型为X舵故障，所述容错控制器发送控制分配重构指令至舵力分配器后，还判定X舵水下航行器当前超出预设安全航行阈值时：

所述容错控制器，具体用于生成跟踪控制重构指令至航行控制器，从而改变跟踪控制推算。

优选地，当故障诊断器判定当前X舵水下航行器的故障类型为X舵故障，所述容错控制器发送跟踪控制重构指令至航行控制器后，还判定X舵水下航行器当前超出预设安全航行阈值时：

所述容错控制器，具体用于生成制导重构指令至航行控制器，从而改变运动制导推算。

优选地，当故障诊断器判定当前X舵水下航行器的故障类型为X舵故障，所述容错控制器发送制导重构指令至航行控制器后，还判定X舵水下航行器当前超出预设安全航行阈值时：所述容错控制器生成抛载上浮指令发送至抛载装置。

本发明所述的系统可判定当前X舵水下航行器的故障类型，并故障的类型对X舵水下航行器进行分级控制，具备机动灵活的故障诊断及容错控制能力。由此，本发明可大幅提升X舵水下航行器的故障应对能力，从而提升航行器在水下航行时的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例的系统结构示意图；

图2为本发明实施例中系统控制流程示意图；

图3为本发明实施例中系统判断故障类型流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供的X舵水下航行器的多层级容错控制系统，包括：

驱动执行部分30，用于驱动X舵水下航行器航行和上浮；

航行控制部分20，用于控制驱动执行部分30驱动X舵水下航行器航行；

容错控制部分10，用于根据X舵水下航行器的实际航行信息，判定当前X舵水下航行器的故障类型，并根据故障类型生成分级控制指令发送至航行控制部分20或驱动执行部分30，从而改变驱动X舵水下航行器的当前航行状态或轨迹。

如图2所示，在本实施例中，X舵水下航行器的实际航行信息通过设置在X舵水下航行器内的多源传感器进行采集。所述传感器在获取实际航行信息后，发送至容错控制部分10。容错控制部分10对实际航行信息进行智能滤波处理，去除环境噪声及电磁干扰影响后，判定当前X舵水下航行器的故障类型。

如图3所示，所述故障类型包括：致命故障和非致命故障。所述分级控制指令，包括：抛载上浮指令和容错指令。

所述致命故障为导致X舵水下航行器无法继续航行的故障，X舵水下航行器只能通过抛载上浮指令实现应急上浮回收。

所述非致命故障为经过容错指令的控制改进，可使X舵水下航行器继续航行的故障。

如图1所示，所述驱动执行部分30，包括：

抛载装置306，用于释放压载，实现X舵水下航行器上浮回收；

推进器301，用于为X舵水下航行器在前进方向上进行提供控制力矩；

X舵，用于为X舵水下航行器俯仰、转向和横倾提供控制力矩。

在本实施例中，X舵水下航行器的X舵有四个舵面，分别为第一舵面302、第二舵面303、第三舵面304和第四舵面305。四个舵面提供X舵水下航行器俯仰、转向、横倾等状态的力和力矩。

如图1所示，所述容错控制部分10，包括：

故障诊断器101，用于根据X舵水下航行器的实际航行信息，判断X舵水下航行器当前是否有故障，确定X舵水下航行器当前处于故障状态后，判定当前X舵水下航行器的故障类型；

容错控制器102，用于当故障诊断器101判定当前X舵水下航行器的故障类型为致命故障时，生成抛载上浮指令发送至抛载装置306；

以及，当故障诊断器101判定当前X舵水下航行器的故障类型为非致命故障时，生成容错指令发送至航行控制部分20；

所述抛载装置306接收抛载上浮指令后，驱动X舵水下航行器放弃当前航行轨迹进行上浮回收；

所述航行控制部分20接收容错指令后，驱动X舵水下航行器改变当前航行状态。

所述容错控制器102，还用于根据当前X舵水下航行器的实际航行信息，判断X舵水下航行器当前是否超出预设安全航行阈值。

在本实施例中，X舵水下航行器在保持安全进行时，其航行状态数据在预设安全航行阈值范围内。若X舵水下航行器超出预设安全航行阈值，则表明当前X舵水下航行器处于非安全状态，其航行状态需要改变至安全状态。

如图1所示，所述航行控制部分20，包括：

航行控制器201，用于根据X舵水下航行器的实际航行信息和理想航迹信息，进行运动制导和跟踪控制推算，得到推进器301和X舵的控制力矩；

推进控制器202，用于控制推进器301实现航行控制器201得到的推进器301的控制力矩；

舵力分配器203，用于控制X舵实现航行控制器201得到的X舵的控制力矩。

在本实施例中，航行控制器201分别与推进控制器202和舵力分配器203连接。推进控制器202控制推进器301。舵力分配器203分别控制X舵的四个舵面。推进控制器202和舵力分配器203的控制数据由航行控制器201提供。

舵力分配器203根据航行控制器201输出的俯仰、转向、横倾控制力矩和X舵的力矩-舵角映射关系，来进行优化分配，来得到X舵四个舵面的舵角输入；在有故障情况下，可接收容错控制器102的分配重构指令，对优化分配策略进行重构。舵力分配器203采用多目标-多约束的优化策略，优化目标包括：俯仰力矩误差最小、转向力矩误差最小、横倾力矩最小、操舵能耗最小；约束条件包括：X舵第一舵面302、第二舵面303、第三舵面304、第四舵面305的舵角、舵速及操舵频率饱和约束等；在俯仰力矩误差、转向力矩误差、横倾力矩、操舵能耗等四个优化目标之前均有可调权值系数，该权值系数可由容错控制器的分配重构指令进行调整，当存在X舵故障时，可减小横倾力矩和操舵能耗前面的权值系数，优先保障X舵水下航行器的安全性。

如图2和3所示，所述非致命故障，包括：感知故障和X舵故障；

所述容错指令，包括：容错运动控制指令和降格容错运动控制指令；

所述容错运动控制指令，包括：系统状态重构指令、控制分配重构指令和跟踪控制重构指令；

所述降格容错运动控制指令，包括：制导重构指令。

在本实施例中，容错运动控制指令的调节目标是使X舵水下航行器尽量保持原有的理想航迹。降格容错运动控制指令的调节目标是当X舵水下航行器无法保持原有的理想航迹时，使X舵水下航行器尽量趋近原有理想航迹。由此降格容错运动控制指令的调节等级比容错运动控制指令低。经过降格容错运动控制指令调节有效的X舵水下航行器的航迹与原有的理想航迹之间的误差要大于经过容错运动控制指令调节有效的X舵水下航行器的航迹与原有的理想航迹之间的误差。

如图2和3所示，当故障诊断器101判定当前X舵水下航行器的故障类型为感知故障时，所述容错控制器102，具体用于生成系统状态重构指令发送至航行控制器201，使航行控制器201中增设故障状态观测器；

所述故障状态观测器，用于为生成X舵水下航行器的实际航行信息，提供故障传感器的估计数据。

在本实施例中，所述感知故障，代表X舵水下航行器中的各传感器中至少一个传感器发生故障，导致无法获取完整的实际航行信息。所述故障状态观测器的作用是通过未故障的其余传感器对故障传感器能获取的信息进行估计，从而保证了X舵水下航行器的实际航行信息的完整。

如图3所示，当容错控制器102发送系统状态重构指令至航行控制器201，且判定X舵水下航行器当前超出预设安全航行阈值时，所述容错控制器102生成抛载上浮指令发送至抛载装置306。

在本实施例中，系统状态重构指令为容错运动控制指令的一种，只用于解决X舵水下航行器的感知故障。当系统状态重构指令有效，即将X舵水下航行器恢复安全状态时，X舵水下航行器继续航行。当系统状态重构指令无效，即无法将X舵水下航行器恢复安全状态时，容错控制器102生成抛载上浮指令发送至抛载装置306，使X舵水下航行器紧急回收，停止航行。

如图1和3所示，当故障诊断器101判定当前X舵水下航行器的故障类型为X舵故障时：

所述容错控制器102，具体用于生成控制分配重构指令至舵力分配器203，改变控制X舵的控制值。

在本实施例中，控制分配重构指令是直接作用于舵力分配器203，其余容错指令都作用于航行控制器201。舵力分配器203接收到控制分配重构指令后，会改变控制X舵的目标函数分配权值，实现控制分配重构。舵力分配器203直接控制X舵的四个舵面，控制分配重构指令可改变各X舵的工作状态，从而实现X舵水下航行器航行状态改变。

如图3所示，当故障诊断器101判定当前X舵水下航行器的故障类型为X舵故障，所述容错控制器102发送控制分配重构指令至舵力分配器203后，还判定X舵水下航行器当前超出预设安全航行阈值时：

所述容错控制器102，具体用于生成跟踪控制重构指令至航行控制器201，从而改变跟踪控制推算。

在本实施例中，当控制分配重构指令有效，即将X舵水下航行器恢复安全状态时，X舵水下航行器继续航行。当控制分配重构指令无效，即无法将X舵水下航行器恢复安全状态时，容错控制器102会生成跟踪控制重构指令至航行控制器201。

所述跟踪控制重构指令为容错运动控制指令的一种，其作用是使X舵水下航行器跟踪目标路径(理想航迹)。跟踪控制重构指令改变航行控制器201的跟踪控制推算。改变跟踪控制推算，不会导致修改X舵水下航行器的跟踪目标，从而使在X舵故障的情况下使X舵水下航行器继续跟踪目标路径(理想航迹)。此时，X舵故障可能为某个X舵舵面故障，其余X舵舵面正常工作，修改跟踪控制推算可能会影响X舵水下航行器的航行速度、状态等，但对航行轨迹的影响较小。

如图3所示，当故障诊断器101判定当前X舵水下航行器的故障类型为X舵故障，所述容错控制器102发送跟踪控制重构指令至航行控制器201后，还判定X舵水下航行器当前超出预设安全航行阈值时：

所述容错控制器102，具体用于生成制导重构指令至航行控制器201，从而改变运动制导推算。

在本实施例中，当跟踪控制重构指令有效，即将X舵水下航行器恢复安全状态时，X舵水下航行器继续航行。当跟踪控制重构指令无效，即无法将X舵水下航行器恢复安全状态时，容错控制器102会生成生成制导重构指令至航行控制器201。

制导重构指令为降格容错运动控制指令，其调节目标是使X舵水下航行器趋近原有理想航迹。制导重构指令会改变航行控制器201中运动制导推算，从而会在一定范围内修改X舵水下航行器的跟踪目标，不能保证X舵水下航行器跟踪目标路径，只能保证X舵水下航行器尽可能趋近目标路径。此时，X舵水下航行器的实际航迹与目标路径无法达到大规模重合。

如图3所示，当故障诊断器101判定当前X舵水下航行器的故障类型为X舵故障，所述容错控制器102发送制导重构指令至航行控制器201后，还判定X舵水下航行器当前超出预设安全航行阈值时：所述容错控制器102生成抛载上浮指令发送至抛载装置306。

在本实施例中，当制导重构指令有效，即将X舵水下航行器恢复安全状态时，X舵水下航行器继续航行。当制导重构指令无效，即无法将X舵水下航行器恢复安全状态时，容错控制器102生成抛载上浮指令发送至抛载装置306，使X舵水下航行器紧急回收，停止航行。

制导重构指令为针对X舵故障的最后容错控制手段，也就是说，当所有容错指令都无效时，只能回收X舵水下航行器，停止航行。

在本实施例中，容错控制部分10能够成功监测X舵水下航行器的状态信息，并对故障信息进行在线分类、定位及诊断，所诊断的故障信息包括但不限于动力系统故障、感知故障、执行机构故障、通信故障、态势异常等。根据故障诊断结果做出容错控制决策，包括但不限于状态重构、控制重构、制导重构、分配重构、抛载上浮等。

如图2所示，容错控制部分10的控制流程如下：

所述故障诊断器101，完成故障感知及诊断的主要步骤如下：

步骤1、采集惯导、DVL、深度计、GPS、声学探测设备、漏水传感器、烟雾报警传感器等多源传感器信息，并读取X舵水下航行器各子系统的反馈状态信息，形成多源信息库，对上述信息采用智能滤波处理，去除环境噪声和航行器内部复杂电磁干扰的影响，得到X舵水下航行器的实时状态信息；

步骤2、基于X舵水下航行器的实时状态信息，构建故障树，对故障进行分类及定位；

故障类别包括但不限于：动力系统故障、感知故障、执行机构故障、通信故障、态势异常等；

其中，所述动力系统故障，包括：电池电量不足、回路供电异常、绝缘低等；

所述感知故障，包括：位置、速度、加速度等信息感知故障等；

所述执行机构故障，包括：推进器故障、X舵卡舵、X舵舵面破损等；

所述通信故障，包括：各控制器之间通信故障等；

所述态势异常，包括：耐压舱内、外界环境态势异常等。

步骤3、基于故障分类及定位情况，结合多元知识库和专家系统，对故障信息进行融合诊断，得到故障等级；

由故障诊断器101诊断的故障等级可分为致命故障和非致命故障两种。

所述致命故障包括：电池电量极低、关键回路短路、舱内起火、所有传感器故障、舱外出现突发的严重安全威胁等。出现此类故障时，X舵水下航行器的安全面临极大的危险，如果不能及时处理，可能面临航行器沉没或丢失的风险；

所述非致命故障包括：感知故障和与X舵相关的X舵故障，具体包括：部分传感器失效、部分执行器失效、部分通信失效等。在出现此类故障时，虽然X舵水下航行器的性能受到一定影响，但仍然能够通过一些容错手段来执行任务，不会面临严重的安全风险。

在故障诊断器101完成故障感知及诊断后容错控制器102，进行容错控制切换；

如图3所示，所述容错控制器102能够实现多层级容错控制，主要层级如下：

层级1：在航行控制器201中增设故障状态观测器，实现系统状态重构；对应系统状态重构指令；

层级2：调整舵力分配器203的优化目标函数分配权值，实现控制分配重构；对应控制分配重构指令；

层级3：调整航行控制器201的跟踪控制律，实现跟踪控制重构；对应跟踪控制重构指令；

层级4：调整航行控制器201的运动制导律，实现制导指令重构；对应制导重构指令；

层级5：发出抛载上浮指令，驱动抛载装置306，实现上浮回收；对应抛载上浮指令。

基于层级1、层级2、层级3，可以完成X舵水下航行器的容错控制；基于层级4，可以完成X舵水下航行器的降格容错控制；基于层级5，可以完成X舵水下航行器的应急上浮回收控制。

如图3所示，上述5个容错层级的调用及切换步骤如下：

Step1、判断故障诊断结果：若为致命故障，则转入Step2；若为非致命故障，则继续判断故障类型：若为感知故障，则转入Step3；若为X舵执行机构故障，则转入Step5；

Step2、调用层级5，发出抛载上浮指令，驱动抛载装置306，实现应急上浮回收；

Step3、调用层级1，在航行控制器201中增设故障状态观测器，实现系统状态重构；

Step4、判读Step3是否有效，若有效，则航行器可实现容错控制；若无效，则调用层级5，发出抛载上浮指令，驱动抛载装置306，实现应急上浮回收；

Step5、调用层级2，调整舵力分配器203的优化目标函数分配权值，实现控制分配重构；

Step6、判断Step5是否有效，若有效，则航行器可实现容错控制；若无效，则调用层级3，调整航行控制器201的跟踪控制律，实现跟踪控制重构；

Step7、判断Step6是否有效，若有效，则航行器可实现容错控制；若无效，则调用层级4，调整航行控制器201的运动制导律，实现制导指令重构；

Step8、判断Step7是否有效，若有效，则航行器可实现降格容错控制；若无效，则调用层级5，发出抛载上浮指令，驱动抛载装置306，实现应急上浮回收。

综上，本实施例可面向X舵水下航行器，实现多源故障的在线监测、滤波、分类、定位、诊断，以及多层级容错控制的调用与切换，从而大大提升X舵水下航行器的故障应对能力。

应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrative components)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。

本发明实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。

在一个或多个示例性的设计中，本发明实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片(disk)和磁盘(disc)包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种X舵水下航行器的多层级容错控制系统，其特征在于，包括：

驱动执行部分(30)，用于驱动X舵水下航行器航行和上浮；

航行控制部分(20)，用于控制驱动执行部分(30)驱动X舵水下航行器航行；

容错控制部分(10)，用于根据X舵水下航行器的实际航行信息，判定当前X舵水下航行器的故障类型，并根据故障类型生成分级控制指令发送至航行控制部分(20)或驱动执行部分(30)，从而改变驱动X舵水下航行器的当前航行状态或轨迹；

所述容错控制部分(10)，包括：

故障诊断器(101)，用于根据X舵水下航行器的实际航行信息，判断X舵水下航行器当前是否有故障，确定X舵水下航行器当前处于故障状态后，判定当前X舵水下航行器的故障类型；所述故障类型包括：致命故障和非致命故障；

容错控制器(102)，用于当故障诊断器(101)判定当前X舵水下航行器的故障类型为致命故障时，生成抛载上浮指令发送至抛载装置(306)；

以及，当故障诊断器(101)判定当前X舵水下航行器的故障类型为非致命故障时，生成容错指令发送至航行控制部分(20)；

所述驱动执行部分(30)，包括：

推进器(301)，用于为X舵水下航行器在前进方向上进行提供控制力矩；

X舵，用于为X舵水下航行器俯仰、转向和横倾提供控制力矩；

所述航行控制部分(20)，包括：

航行控制器(201)，用于根据X舵水下航行器的实际航行信息和理想航迹信息，进行运动制导和跟踪控制推算，得到推进器(301)和X舵的控制力矩；

舵力分配器(203)，用于控制X舵实现航行控制器(201)得到的X舵的控制力矩；

所述非致命故障，包括：X舵故障；

所述容错指令，包括：容错运动控制指令和降格容错运动控制指令；

所述容错运动控制指令，包括：控制分配重构指令和跟踪控制重构指令；

所述降格容错运动控制指令，包括：制导重构指令；

当故障诊断器(101)判定当前X舵水下航行器的故障类型为X舵故障时：

所述容错控制器(102)，具体用于生成控制分配重构指令至舵力分配器(203)，改变控制X舵的控制值；

当故障诊断器(101)判定当前X舵水下航行器的故障类型为X舵故障，所述容错控制器(102)发送控制分配重构指令至舵力分配器(203)后，还判定X舵水下航行器当前超出预设安全航行阈值时：

所述容错控制器(102)，具体用于生成跟踪控制重构指令至航行控制器(201)，从而改变跟踪控制推算。

2.根据权利要求1所述的X舵水下航行器的多层级容错控制系统，其特征在于，所述分级控制指令，包括：抛载上浮指令和容错指令；

所述驱动执行部分(30)，还包括：

抛载装置(306)，用于释放压载，实现X舵水下航行器上浮回收；

所述抛载装置(306)接收抛载上浮指令后，驱动X舵水下航行器放弃当前航行轨迹进行上浮回收；

所述航行控制部分(20)接收容错指令后，驱动X舵水下航行器改变当前航行状态。

3.根据权利要求2所述的X舵水下航行器的多层级容错控制系统，其特征在于，所述容错控制器(102)，还用于根据当前X舵水下航行器的实际航行信息，判断X舵水下航行器当前是否超出预设安全航行阈值。

4.根据权利要求3所述的X舵水下航行器的多层级容错控制系统，其特征在于，

所述航行控制部分(20)，还包括：

推进控制器(202)，用于控制推进器(301)实现航行控制器(201)得到的推进器(301)的控制力矩。

5.根据权利要求4所述的X舵水下航行器的多层级容错控制系统，其特征在于，所述非致命故障，包括：感知故障；

所述容错指令，包括：容错运动控制指令；

所述容错运动控制指令，包括：系统状态重构指令；

当故障诊断器(101)判定当前X舵水下航行器的故障类型为感知故障时，所述容错控制器(102)，具体用于生成系统状态重构指令发送至航行控制器(201)，使航行控制器(201)中增设故障状态观测器；

所述故障状态观测器，用于为生成X舵水下航行器的实际航行信息，提供故障传感器的估计数据。

6.根据权利要求5所述的X舵水下航行器的多层级容错控制系统，其特征在于，当容错控制器(102)发送系统状态重构指令至航行控制器(201)，且判定X舵水下航行器当前超出预设安全航行阈值时，所述容错控制器(102)生成抛载上浮指令发送至抛载装置(306)。

7.根据权利要求1所述的X舵水下航行器的多层级容错控制系统，其特征在于，当故障诊断器(101)判定当前X舵水下航行器的故障类型为X舵故障，所述容错控制器(102)发送跟踪控制重构指令至航行控制器(201)后，还判定X舵水下航行器当前超出预设安全航行阈值时：

所述容错控制器(102)，具体用于生成制导重构指令至航行控制器(201)，从而改变运动制导推算。

8.根据权利要求7所述的X舵水下航行器的多层级容错控制系统，其特征在于，当故障诊断器(101)判定当前X舵水下航行器的故障类型为X舵故障，所述容错控制器(102)发送制导重构指令至航行控制器(201)后，还判定X舵水下航行器当前超出预设安全航行阈值时：所述容错控制器(102)生成抛载上浮指令发送至抛载装置(306)。

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