CN114348227A

CN114348227A - 具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统和控制方法

Info

Publication number: CN114348227A
Application number: CN202210095118.1A
Authority: CN
Inventors: 王旭东; 耿涛; 刘彬; 叶锦华; 刘淑君
Original assignee: Guangdong Hust Industrial Technology Research Institute
Current assignee: Guangdong Hust Industrial Technology Research Institute
Priority date: 2022-01-26
Filing date: 2022-01-26
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2042-01-26
Also published as: CN114348227B

Abstract

本发明提供一种具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统和控制方法，该系统包括磁性材料件、磁编码芯片、控制电路板以及减速舵机，控制电路板和减速舵机呈相对立地布置，磁编码芯片安装于控制电路板面对减速舵机输出轴的一侧，磁性材料件安装于电机输出轴面对磁编码芯片的一端，磁性材料件的南极和北极以电机输出轴的轴心所在的直线为中心呈径向布置。本发明通过以上结构可以实现当电机输出轴转动的时候，会带动磁性材料件一同转动，进而会改变磁场，通过舵机控制器中的故障诊断和观测器，可以实现在线辨识舵机角度响应模型，当舵角传感器出现故障的时候依靠观测器估计出舵角进而实现控制。

Description

具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统和控制方法

技术领域

本申请涉及舵机技术领域，尤其涉及一种具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统和控制方法。

背景技术

喷水推进器是利用喷射水流产生的反作用力驱动船舶前进的一种推进器。喷水推进器具有操纵灵活，吃水浅，噪音低等优点，随着无人船行业的兴起，越来越多的无人船选用喷水推进器作为船舶的推进系统。

传统的喷水推进器转向机构和倒车控制机构多采用液压驱动的方式，液压系统结构复杂难以维护且体积、重量大，不适合用于小型喷水推进器。因此，小型喷水推进器多采用舵机直接驱动转向机构和倒车控制机构。

小型喷水推进器上的舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。在喷水推进器的运行过程中，舵机接收船舶航行控制器的指令并转动给定的角度，实现对喷水推进器转向喷嘴角度和倒车斗角度的控制，从而实现船舶的转向和前、后退动作控制。喷水推进器的转向控制和倒车控制极其重要，一旦转向和倒车控制的舵机发生故障，轻则让船偏离航线、重则导致船舶在运行过程中失控，从而发生严重事故。

因此，亟需一种具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统和控制方法来解决上述问题。

发明内容

针对上述问题，本申请的目的在于提供一种具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统和控制方法，以实现对喷水推进器上的舵机控制，保证舵机对转向控制和倒车控制。

本申请的目的采用以下技术方案实现：

第一方面，在本发明提供的另一个实施例中，提供了一种具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统，包括磁性材料件、磁编码芯片、控制电路板以及减速舵机，控制电路板和减速舵机呈相对立地布置，磁编码芯片安装于控制电路板面对减速舵机输出轴的一侧，磁性材料件安装于电机输出轴面对磁编码芯片的一端，磁性材料件的南极和北极以电机输出轴的轴心所在的直线为中心呈径向布置。

本发明通过以上结构可以实现当电机输出轴转动的时候，会带动磁性材料件一同转动，进而会改变磁场，而这种磁场的改变会被磁编码芯片感应到并通过换算得到电机输出轴的真实角度。

在一些可选的实施例中，所述电机输出轴的轴心所在的直线依次穿过磁性材料件的几何中心以及磁编码芯片的几何中心。

在一些可选的实施例中，所述具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统还包括控制器，控制器用于通过输出加载到减速舵机电压时间序列和舵机角度反馈的时间序列得到减速舵机的响应状态序列，并基于该响应状态序列在线辨识减速舵机的激励响应模型。

在一些可选的实施例中，所述具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统还包括基于辨识得到的模型构造舵角状态观测器，所述舵角状态观测器通过加载到舵机上的电压估计舵机输出舵角值。

第二方面，本申请提供了一种具备传感器容错能力的推进器舵机控制方法，包括以下步骤：

按照随机序列依次输出电压值到减速舵机上并记录每个时刻对应的舵角测量值；

根据已有的舵机模型计算每个时刻对应的舵角预测值，并计算舵角测量值和舵角预测之间的方差；

根据所述方差与预设的阈值对比，判断舵机模型参数是否需要更新；若方差未超过阈值时，模型参数不需要更新，若方差超过阈值时，更新模型参数；

通过磁编码芯片读取到当前时刻的舵角测量值，通过辨识预测模型和上次时刻的电压输出值计算当前时刻舵角预测值，并判断传感器测量值是否故障；

若发生故障，则使用观测器值计算当前电压输出；若未发生故障，则使用测量值计算当前电压输出。

作为本发明的进一步方案，在按照随机序列依次输出电压值到减速舵机之前，还包括对具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统上电，以完成初始化功能。

作为本发明的进一步方案，所述随机序列为预先设定的随机序列，随机序列为u(k)，k＝1…N；所述记录每个时刻对应的舵角测量值，舵角测量值为θ(k)，k＝1…N；每个时刻对应的舵角预测值为

，k＝1…N。

作为本发明的进一步方案，所述测量值和预测值之间的方差的计算公式为：

作为本发明的进一步方案，若方差超过阈值时，更新模型参数，所述更新模型参数的方法，包括以下步骤：按照随机序列依次输出电压并记录舵角测量值，辨识电压-舵角响应模型；更新模型和观测器中对应的参数。

作为本发明的进一步方案，若方差超过阈值时，根据输出电压序列和舵角测量值辨识新的模型参数，计算舵角角速度序列以及误差等式，构建误差代价函数，并求得模型参数，根据辨识得到的模型参数，更新预测模型和观测器。

作为本发明的进一步方案，所述计算舵角角速度序列r(0)＝0，

k＝2…N。其中T为采样时间间隔。

作为本发明的进一步方案，所述误差等式为

其中

误差代价函数为J(η)＝||e(k)||₂，η＝[a₁α₂a₄b₁b₂]，通过公式

求得模型参数η。

作为本发明的进一步方案，通过磁编码芯片读取到当前k时刻的舵角测量值θ(k)；通过辨识预测模型计算预测值

计算测量值和预测值的误差

判断误差是否在阈值之内，误差在阈值之内则未发生故障，误差超出阈值则发生故障。

作为本发明的进一步方案，所述观测器的表达式为

其中

作为本发明的进一步方案，若发生故障，则使用观测器值

通过

计算当前电压输出。

作为本发明的进一步方案，若未发生故障，则使用测量值θ，通过

计算当前电压输出。

第三方面，在本发明提供的又一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行如上述第一方面所述的具备传感器容错能力的推进器舵机控制方法对应的步骤。

第四方面，在本发明提供的再一个实施例中，提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有至少一可执行指令，所述可执行指令使处理器执行如上述第一方面所述的具备传感器容错能力的推进器舵机控制方法对应的步骤。

本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

本发明的具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统和控制方法，可以实现当电机输出轴转动的时候，会带动磁性材料件一同转动，进而会改变磁场，而这种磁场的改变会被磁编码芯片感应到并通过换算得到电机输出轴的真实角度；通过输出加载到减速舵机电压时间序列和舵机角度反馈的时间序列可以得到减速舵机的响应状态序列，并基于该响应状态序列在线辨识减速舵机的激励响应模型；实现小时间范围内的磁编码传感器信息错误、丢失等状况下的容错控制功能；通过舵机控制器中的故障诊断和观测器，可以实现在线辨识舵机角度响应模型，当舵角传感器出现故障的时候依靠观测器估计出舵角进而实现控制。

本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请进一步说明。

图1为本申请实施例提供的一种具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种具备传感器容错能力的推进器舵机控制方法完整的系统框图；

图3为本申请的一个实施方式提供的一种计算机设备的结构框图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本申请做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

下面将结合本发明示例性实施例中的附图，对本发明示例性实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例性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，本领域技术人员在没有作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。

现有的小型喷水推进器上的舵机接收船舶航行控制器的指令并转动给定的角度，实现对喷水推进器转向喷嘴角度和倒车斗角度的控制，一旦转向和倒车控制的舵机发生故障，轻则让船偏离航线、重则导致船舶在运行过程中失控，从而发生严重事故。

为解决上述问题，本发明实施例提供的一种具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统和控制方法，以实现对喷水推进器上的舵机控制，保证舵机对转向控制和倒车控制。

以下结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1为本发明提供的一种具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统的结构示意图。

参阅图1所示，本发明的一个实施例提供了一种具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统，包括磁性材料件40、磁编码芯片、控制电路板50以及减速舵机。所述智能转向舵机控制系统还包括减速箱10、电机20以及电机输出轴30。

所述控制电路板50和减速舵机呈相对立地布置，磁编码芯片安装于控制电路板50面对减速舵机输出轴的一侧，磁性材料件40安装于电机输出轴30面对磁编码芯片的一端，磁性材料件40的南极和北极以电机输出轴30的轴心所在的直线为中心呈径向布置。

在本发明实施例中，该布置的原因是当电机输出轴30的轴心转动的时候，会带动磁性材料件40转动，而由于该磁性材料的南极和北极是径向布置的，因此磁性材料的转动会改变磁场。

值得注意的是，本发明中的磁性材料件40，是指具有磁性的材料件，包括软磁材料、永磁材料和功能磁性材料等各种材料，故在此并不作进一步限定。

较优的是，所述电机输出轴30的轴心所在的直线依次穿过磁性材料件40的几何中心以及磁编码芯片的几何中心。

举例而言，磁性材料件40的南极和北极以该磁性材料件40的几何中心作为分界点，但不限于此。

为了使得磁编码芯片能够更好地反应到磁场的变化，本领域的技术人员可以将磁性材料件40与磁编码芯片之间的距离为1-2mm。

本发明通过以上结构可以实现当电机输出轴30转动的时候，会带动磁性材料件40一同转动，进而会改变磁场，而这种磁场的改变会被磁编码芯片感应到并通过换算得到电机输出轴30的真实角度。

在本发明实施例中，所述具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统还包括控制器，控制器用于通过输出加载到减速舵机电压时间序列和舵机角度反馈的时间序列得到减速舵机的响应状态序列，并基于该响应状态序列在线辨识减速舵机的激励响应模型。

所述具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统还包括基于辨识得到的模型构造舵角状态观测器，所述舵角状态观测器通过加载到舵机上的电压估计舵机输出舵角值。

本发明实施例的具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统，可以实现当电机输出轴30转动的时候，会带动磁性材料件40一同转动，进而会改变磁场，而这种磁场的改变会被磁编码芯片感应到并通过换算得到电机输出轴30的真实角度；通过输出加载到减速舵机电压时间序列和舵机角度反馈的时间序列可以得到减速舵机的响应状态序列，并基于该响应状态序列在线辨识减速舵机的激励响应模型；实现小时间范围内的磁编码传感器信息错误、丢失等状况下的容错控制功能。

参见图2所示，本申请实施例还提供一种具备传感器容错能力的推进器舵机控制方法，基于上述实施例中所述具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统进行转向舵机控制，所述智能转向舵机控制方法，包括以下步骤：

在本实施例中，在按照随机序列依次输出电压值到减速舵机之前，还包括对具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统上电，以完成初始化功能。

在本实施例中，所述随机序列为预先设定的随机序列，随机序列为u(k)，k＝1…N；所述记录每个时刻对应的舵角测量值，舵角测量值为θ(k)，k＝1…N；每个时刻对应的舵角预测值为

k＝1…N。

在本实施例中，所述测量值和预测值之间的方差的计算公式为：

因此，在本实施例中，本发明的一种具备传感器容错能力的推进器舵机控制方法的具体操作步骤如下：

S1、具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统上电完成初始化功能。

S2、控制系统按照预先设定的随机序列u(k)，k＝1…N输出电压值到减速舵机上，并记录每个时刻对应的舵角测量值θ(k)，k＝1…N。

S3、根据已有的舵机模型，计算每个时刻对应的舵角预测值

，k＝1…N。

S4.1、通过式

计算测量值和预测值之间的方差，若方差超于阈值则判断模型参数需要更新，若方差未超过阈值，模型参数不需要更新。

S4.2、根据输出电压序列和舵角测量值辨识新的模型参数，首先计算舵角角速度序列r(0)＝0，

k＝2…N，其中T为采样时间间隔。

S4.3、计算误差等式

其中

构建误差代价函数J(η)＝||e(k)||₂，η＝[a₁ α₂ a₄ b₁ b₂]。通过式

可以求得模型参数η。

S4.4、根据辨识得到的模型参数η更新预测模型和观测器。

S5、通过磁编码芯片读取到当前k时刻的舵角值θ(k)。

S6、通过辨识预测模型计算预测值

S7、计算测量值和预测值的误差

判断误差是否在阈值之内，从而判断是否发生故障

S7.1、若发生故障，通过式

以及式

计算得到观测值

S7.2使用观测器值

通过

计算当前电压输出。

S7.3、若未发生故障，则使用测量值θ，通过

计算当前电压输出。

本申请实施例提供的一种具备传感器容错能力的推进器舵机控制方法，用于实施上述实施例所记载的具备传感器容错能力的推进器舵机控制方法，其具体实现方式与上述具备传感器容错能力的推进器舵机控制方法的实施例中记载的实施方式、所达到的技术效果一致，部分内容不再赘述。

应该理解的是，上述虽然是按照某一顺序描述的，但是这些步骤并不是必然按照上述顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，本实施例的一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

图3示出根据本发明的一个实施方式的计算机设备的结构框图。前述实施例描述了具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统和控制方法的功能和结构，在一个可能的设计中，前述具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统和控制方法的通讯功能和结构可实现为计算机设备。

如图3所示，在本发明的实施例中提供了一种计算机设备300，该计算机设备300包括存储器301和处理器302，存储器301中存储有计算机程序，该处理器302被配置为用于执行所述存储器301中存储的计算机程序。所述存储器301用于存储一条或多条计算机指令，其中，所述一条或多条计算机指令被所述处理器302执行以实现上述方法实施例中的步骤：

本申请实施例还提供了一种存储介质，该存储介质用于存储计算机程序，所述计算机程序被执行时实现本申请实施例中具备传感器容错能力的推进器舵机控制方法的以下步骤：

需要特别说明的是，存储介质用于存储的计算机程序具体实现方式与上述具备传感器容错能力的推进器舵机控制方法的实施例中记载的实施方式、所达到的技术效果一致，部分内容不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。

综上所述，本发明提供的技术方案具有以下优点：

本发明提供的具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统和控制方法，可以实现当电机输出轴30转动的时候，会带动磁性材料件40一同转动，进而会改变磁场，而这种磁场的改变会被磁编码芯片感应到并通过换算得到电机输出轴30的真实角度；通过输出加载到减速舵机电压时间序列和舵机角度反馈的时间序列可以得到减速舵机的响应状态序列，并基于该响应状态序列在线辨识减速舵机的激励响应模型；实现小时间范围内的磁编码传感器信息错误、丢失等状况下的容错控制功能；通过舵机控制器中的故障诊断和观测器，可以实现在线辨识舵机角度响应模型，当舵角传感器出现故障的时候依靠观测器估计出舵角进而实现控制。

本申请从使用目的上，效能上，进步及新颖性等观点进行阐述，已符合专利法所强调的功能增进及使用要件，本申请以上的说明书及说明书附图，仅为本申请的较佳实施例而已，并非以此局限本申请，因此，凡一切与本申请构造，装置，特征等近似、雷同的，即凡依本申请专利申请范围所作的等同替换或修饰等，皆应属本申请的专利申请保护的范围之内。

Claims

1.一种具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统，其特征在于，包括磁性材料件(40)、磁编码芯片、控制电路板(50)以及减速舵机；所述控制电路板(50)和减速舵机呈相对立地布置，磁编码芯片安装于控制电路板(50)面对减速舵机输出轴的一侧，磁性材料件(40)安装于电机输出轴(30)面对磁编码芯片的一端，磁性材料件(40)的南极和北极以电机输出轴(30)的轴心所在的直线为中心呈径向布置。

2.根据权利要求1所述的具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统，其特征在于，所述电机输出轴(30)的轴心所在的直线依次穿过磁性材料件(40)的几何中心以及磁编码芯片的几何中心。

3.根据权利要求1或2所述的具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统，其特征在于，所述具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统还包括控制器，控制器用于通过输出加载到减速舵机电压时间序列和舵机角度反馈的时间序列得到减速舵机的响应状态序列，并基于该响应状态序列在线辨识减速舵机的激励响应模型。

4.根据权利要求3所述的具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统，其特征在于，所述具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统还包括基于辨识得到的模型构造舵角状态观测器，所述舵角状态观测器通过加载到舵机上的电压估计舵机输出舵角值。

5.一种具备传感器容错能力的推进器舵机控制方法，其特征在于，基于权利要求1-4中任意一项所述具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统进行转向舵机控制，所述智能转向舵机控制方法，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的具备传感器容错能力的推进器舵机控制方法，其特征在于，在按照随机序列依次输出电压值到减速舵机之前，还包括对具备传感器容错能力的推进器舵机控制系统上电，以完成初始化功能。

7.根据权利要求6所述的具备传感器容错能力的推进器舵机控制方法，其特征在于，若方差超过阈值时，更新模型参数，所述更新模型参数的方法，包括以下步骤：

按照随机序列依次输出电压并记录舵角测量值，辨识电压-舵角响应模型；更新模型和观测器中对应的参数。

8.根据权利要求6所述的具备传感器容错能力的推进器舵机控制方法，其特征在于，若方差超过阈值时，根据输出电压序列和舵角测量值辨识新的模型参数，计算舵角角速度序列以及误差等式，构建误差代价函数，并求得模型参数，根据辨识得到的模型参数，更新预测模型和观测器。

9.根据权利要求8所述的具备传感器容错能力的推进器舵机控制方法，其特征在于，通过磁编码芯片读取到当时刻的舵角测量值；通过辨识模型计算预测值；计算测量值和预测值的误差。

10.根据权利要求9所述的具备传感器容错能力的推进器舵机控制方法，其特征在于，还包括判断计算的测量值和预测值的误差是否在阈值之内，误差在阈值之内则未发生故障，误差超出阈值则发生故障。