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基于非线性规划的X舵水下航行器容错控制

陈莺

陈莺. 基于非线性规划的X舵水下航行器容错控制[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(3): 1-9 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0133
引用本文: 陈莺. 基于非线性规划的X舵水下航行器容错控制[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(3): 1-9 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0133
CHEN Ying. Nonlinear Programming Based Fault-tolerant Control for X-rudder Underwater Vehicles with Rudder Failures[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0133
Citation: CHEN Ying. Nonlinear Programming Based Fault-tolerant Control for X-rudder Underwater Vehicles with Rudder Failures[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0133

基于非线性规划的X舵水下航行器容错控制

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0133
详细信息
    作者简介:

    陈莺:陈 莺(1990-), 女, 博士, 讲师, 主要研究方向为智能海洋装备技术

  • 中图分类号: U661.3; TJ630.33

Nonlinear Programming Based Fault-tolerant Control for X-rudder Underwater Vehicles with Rudder Failures

  • 摘要: X舵因具有优越的操纵性和安全性, 近年来被越来越多的应用于自主式水下航行器上。为了充分发挥X舵的容错能力, 提出一种面向舵故障的水下航行器容错运动控制算法, 并将其部署在一种X舵水下航行器原型上。容错运动控制算法由动力学控制和控制分配两部分组成。其中, 动力学控制中多闭环增量反馈控制算法的引入可以使输出的虚拟舵角指令平缓且平滑; 控制分配算法通过求解以分配误差和控制输出最小化为优化目标, 以舵故障、舵角饱和以及其他物理限制为约束条件的非线性规划问题, 实现了虚拟舵角向X舵执行机构控制输入的转换, 且赋予了X舵水下航行器容错运动能力。现场试验结果表明: 所提出的容错运动控制算法产生的舵角指令是平滑的, 且X舵水下航行器在舵故障后仍保持一定的航行控制能力, 这对设计应用于X舵水下航行器的容错操舵系统具有一定的指导意义。

     

  • 图  1  X舵AUV硬件布局

    Figure  1.  X-Rudder Underwater Vehicle Hardware Layout

    图  2  艇载软件中FSM的状态转换关系

    Figure  2.  State transition diagram of FSM adopted by onboard software

    图  3  AUV坐标系定义

    Figure  3.  Description of the AUV coordinate frames

    图  4  偏转角符号定义

    Figure  4.  Sign definition of deflection angle

    图  5  DIFC控制原理图

    Figure  5.  Principle diagram of DIFC

    图  6  AUV拖曳水池试验现场

    Figure  6.  AUV field tests in the towing tank

    图  7  X舵AUV深度控制结果

    Figure  7.  Depth control results

    图  8  X舵AUV航向控制结果

    Figure  8.  Heading control results

    图  9  X舵AUV各控制回路的误差

    Figure  9.  Evolution of errors in every control loop

    图  10  DIFC计算的虚拟舵角指令

    Figure  10.  Virtual rudder commands from DIFC

    图  11  指令转换得到的舵机控制输入

    Figure  11.  The actuator’s control inputs derived from command transformation

    图  12  卡舵时深度和航向控制曲线

    Figure  12.  Results of depth and heading control with rudder jamming

    图  13  卡舵时基于NLP的舵角指令转换结果

    Figure  13.  Results of NLP-based command transformation with rudder jamming

    图  14  卡舵时航向和深度控制过程中横摇角变化曲线

    Figure  14.  Roll angle during heading and depth control with rudder jamming

    表  1  X舵AUV主要参数

    Table  1.   Main Parameters of X-rudder AUV

    参数名参数值
    艇长/m2.964
    水下全排水体积/m30.229 5
    总质量/kg231.9
    最大推力/N75.6
    下载: 导出CSV

    表  2  卡舵故障设置

    Table  2.   Rudder jamming settings

    试验序号故障舵序号卡舵角度/(°)
    1舵10
    2舵2−5
    3舵3−10
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-17
  • 修回日期:  2023-11-22
  • 录用日期:  2023-12-08
  • 网络出版日期:  2024-03-12

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