基于事件驱动的水面无人艇同步故障检测与控制方法技术

技术编号:20361886 阅读:91 留言:0更新日期:2019-02-16 16:05
基于事件驱动的水面无人艇同步故障检测与控制方法,本发明专利技术涉及水面无人艇的故障检测与控制方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有水面无人艇故障检测和控制方法分开进行,成本高,SFDC模块网络通信带宽占用率大,数据传送消耗能量大,浪费能源的问题。过程为:一、建立水面无人艇系统的状态空间方程;二、设计基于积分型事件驱动的SFDC模块,并建立事件驱动条件下的增广残差系统;三、设计基于积分型事件驱动的SFDC模块的增益矩阵,得到残差信号和控制输入;四、设计积分型事件驱动机制,使增益矩阵成立;五、设计残差评价函数;六、设计残差评价函数阈值,完成水面无人艇故障检测。本发明专利技术用于水面无人艇同步故障检测与控制方法。

【技术实现步骤摘要】
基于事件驱动的水面无人艇同步故障检测与控制方法
本专利技术涉及水面无人艇的故障检测与控制方法。
技术介绍
水面无人艇由于其体积小、隐蔽性好、成本低、机动性高等特点,在多种领域内得到了广泛的应用,例如环境监测、水文测量、海洋资源勘探、污染物追踪、海岸监测、水面救援等。然而,水面无人艇由于海水侵蚀、极低的工作温度、超长的工作时间等因素,水面无人艇系统不可避免地会发生故障。为了提高水面无人艇的鲁棒性和可靠性,我们需要设计故障检测滤波器用以及时地检测水面无人艇系统可能发生的故障。现有水面无人艇故障检测和控制分开进行,成本高。通常,SFDC(同步故障检测和控制)模块位于母舰或陆地上,SFDC模块和水面无人艇的数据交互通过无线网络实现。在传统的连续数据传输以及周期型传输机制下,大量不必要的数据包通过通信网络进行传输,网络通信带宽占用率高而且会造成由大量数据传输产生的传送消耗能量大,浪费能源。由于网络通信带宽受限,以及水面无人艇自身能源有限,需要在保证水面无人艇系统性能的前提下减少数据传送,以此来降低网络带宽的占用率以及由数据传送消耗的能量。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有水面无人艇故障检测和控制方法分开进行,导致成本高,SFDC模块网络通信带宽占用率大,以及数据传送消耗能量大的问题,而提出基于事件驱动的水面无人艇同步故障检测与控制方法。为解决上述技术问题,本专利技术采用以下技术方案:步骤一、建立水面无人艇系统的状态空间方程;步骤二、基于步骤一建立的水面无人艇系统的状态空间模型,设计基于积分型事件驱动的SFDC模块,并建立事件驱动条件下的增广残差系统;步骤三、设计基于积分型事件驱动的SFDC模块的增益矩阵,根据SFDC模块的增益矩阵得到残差信号r(t)和控制输入u(t);步骤四、设计积分型事件驱动机制,使步骤三获得的SFDC模块的增益矩阵成立;步骤五、根据步骤三的残差信号r(t)设计残差评价函数;步骤六、设计残差评价函数阈值,根据残差评价函数完成水面无人艇故障检测。本专利技术的有益效果:本专利技术水面无人艇在积分型事件驱动条件下的同步故障检测与控制方法,主要包括基于观测器的故障检测滤波器和控制器设计,以及积分型事件驱动机制的设计方法。本专利技术建立水面无人艇系统的状态空间方程;基于水面无人艇的状态空间模型,设计基于积分型事件驱动的SFDC模块,并建立事件驱动条件下的增广残差系统;设计基于积分型事件驱动的SFDC模块的增益矩阵,根据SFDC模块的增益矩阵得到残差信号r(t)和控制输入u(t);基于SFDC模块的增益矩阵设计积分型事件驱动机制;根据残差信号r(t)设计残差评价函数;设计残差评价函数阈值以及相应的故障检测逻辑,根据残差评价函数完成水面无人艇故障检测。从附图3a、3b、3c、3d、3e和附图4可知,水面无人艇系统在无故障时,水面无人艇系统是渐进稳定的,同时在7秒的仿真时间内仅有8次数据传输;由附图7和附图11得到,在7秒的仿真时间内,仅发生4次网络数据传输,而且能够根据残差评价函数及时检测到系统故障,得出本专利技术降低了网络通信带宽占用率,减少了水面无人艇能源消耗,能够同时实现水面无人艇的控制以及故障检测,节约成本。本专利技术基于积分型事件驱动的SFDC模块,在水面无人艇系统无故障情况下,该模块能够保证水面无人艇的渐进稳定性;在水面无人艇系统发生故障时,该模块能够及时产生故障警报。附图说明图1为水面无人艇的运动坐标图,δ为方向舵偏角,ψ为航向角,p为横摇速度,φ为横摇角,为平摆速度,v为舵产生的横移速度,G为水面无人艇重心,X0为纵向轴,Y0为横向轴,Z0为竖向轴;图2为事件驱动条件下的水面无人艇同步故障检测与控制系统框图,y(t)为水面无人艇系统测量输出,y(tk)为事件驱动条件下的SFDC模块输入,f(t)为水面无人艇系统故障,w(t)为水面无人艇系统外部扰动,r(t)为残差信号r(t),u(t)为控制输入;图3a为实施一例在无系统故障时的水面无人艇舵产生的横移速度的状态曲线图,v(t)为水面无人艇的舵产生的横移速度;图3b为实施一例在无系统故障时的水面无人艇平摆速度的状态曲线图,为水面无人艇的平摆速度;图3c为实施一例在无系统故障时的水面无人艇航向角的状态曲线图,ψ(t)为水面无人艇的航向角;图3d为实施一例在无系统故障时的水面无人艇横摇速度的状态曲线图,p(t)为水面无人艇的横摇速度;图3e为实施一例在无系统故障时的水面无人艇横摇角的状态曲线图,φ(t)为水面无人艇的横摇角;图4为实施一例在无系统故障时事件触发器的触发时刻和触发间隔示意图;图5为实施一例在无系统故障时系统测量值曲线与网络传输值曲线图;图6a为实施一例在系统故障时的水面无人艇舵产生的横移速度的状态曲线图;图6b为实施一例在系统故障时的水面无人艇平摆速度的状态曲线图;图6c为实施一例在系统故障时的水面无人艇航向角的状态曲线图;图6d为实施一例在系统故障时的水面无人艇横摇速度的状态曲线图;图6e为实施一例在系统故障时的水面无人艇横摇角的状态曲线图;图7为实施一例在系统故障时事件触发器的触发时刻与触发间隔示意图;图8为实施一例在系统故障时系统测量值曲线与网络传输值曲线图;图9为实施一例在系统故障和系统无故障时的故障检测滤波器残差输出r(t)示意图;图10为实施一例在系统故障和系统无故障时的滤波器残差误差re(t)示意图;图11为实施一例在系统故障和系统无故障时的残差评价函数值χ(t)示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例进行详细阐述。具体实施方式一:本实施方式具体过程为:专利技术基于事件驱动的水面无人艇的同步故障检测与控制方法,具体是按照以下步骤进行的:步骤一、水面无人艇的运动坐标系如图1所示,在此我们只考虑水面无人艇的横移、平摆和横摇运动。根据运动学方程建立水面无人艇系统的状态空间方程;步骤二、基于步骤一建立的水面无人艇系统的状态空间模型,设计基于积分型事件驱动的SFDC模块,并建立事件驱动条件下的增广残差系统;步骤三、根据水面无人艇的性能指标要求,设计基于积分型事件驱动的SFDC模块的增益矩阵,根据SFDC模块的增益矩阵得到残差信号r(t)和控制输入u(t);步骤四、设计积分型事件驱动机制,使步骤三获得的SFDC模块的增益矩阵步骤三中的式(7)成立;步骤五、根据步骤三的残差信号r(t)设计残差评价函数;步骤六、设计残差评价函数阈值,根据残差评价函数完成水面无人艇故障检测。事件驱动条件下的水面无人艇同步故障检测与控制系统框图如图2。具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是,所述步骤一中水面无人艇的运动坐标系如图1所示,在此我们只考虑水面无人艇的横移、平摆和横摇运动。根据运动学方程建立水面无人艇系统的状态空间方程,表达式为:式中,为水面无人艇系统状态,其中v(t)为水面无人艇的舵产生的横移速度,为水面无人艇的平摆速度,ψ(t)为水面无人艇的航向角,p(t)为水面无人艇的横摇速度,φ(t)为水面无人艇的横摇角;为水面无人艇系统状态的导数;w(t)=[wψ(t),wφ(t)]T为水面无人艇系统外部扰动;wψ(t),wφ(t)分别为波浪对航向角和横摇角造成的扰动;y(t)为水面无人艇系统测量输出;u(t)为水面无人艇的控制输入;A,B,E本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于事件驱动的水面无人艇同步故障检测与控制方法,其特征在于:所述方法具体过程为:步骤一、建立水面无人艇系统的状态空间方程;步骤二、基于步骤一建立的水面无人艇系统的状态空间模型,设计基于积分型事件驱动的SFDC模块,并建立事件驱动条件下的增广残差系统;步骤三、设计基于积分型事件驱动的SFDC模块的增益矩阵,根据SFDC模块的增益矩阵得到残差信号r(t)和控制输入u(t);步骤四、设计积分型事件驱动机制,使步骤三获得的SFDC模块的增益矩阵成立;步骤五、根据步骤三的残差信号r(t)设计残差评价函数;步骤六、设计残差评价函数阈值,根据残差评价函数完成水面无人艇故障检测。

【技术特征摘要】
1.基于事件驱动的水面无人艇同步故障检测与控制方法,其特征在于:所述方法具体过程为:步骤一、建立水面无人艇系统的状态空间方程;步骤二、基于步骤一建立的水面无人艇系统的状态空间模型,设计基于积分型事件驱动的SFDC模块,并建立事件驱动条件下的增广残差系统;步骤三、设计基于积分型事件驱动的SFDC模块的增益矩阵,根据SFDC模块的增益矩阵得到残差信号r(t)和控制输入u(t);步骤四、设计积分型事件驱动机制,使步骤三获得的SFDC模块的增益矩阵成立;步骤五、根据步骤三的残差信号r(t)设计残差评价函数;步骤六、设计残差评价函数阈值,根据残差评价函数完成水面无人艇故障检测。2.根据权利要求1所述基于事件驱动的水面无人艇同步故障检测与控制方法,其特征在于:所述步骤一中建立水面无人艇系统的状态空间方程,表达式为:式中,为水面无人艇系统状态;其中υ(t)为水面无人艇的舵产生的横移速度,为水面无人艇的平摆速度,ψ(t)为水面无人艇的航向角,p(t)为水面无人艇的横摇速度,φ(t)为水面无人艇的横摇角;为水面无人艇系统状态的导数;ω(t)=[ωψ(t),ωφ(t)]T为水面无人艇系统外部扰动;ωψ(t),ωφ(t)分别为波浪对航向角和横摇角造成的扰动;y(t)为水面无人艇系统测量输出;u(t)为水面无人艇的控制输入;A,B,E1为水面无人艇系统矩阵;C为水面无人艇系统的输出矩阵;考虑水面无人艇系统故障,则水面无人艇系统的状态空间方程为:其中,f(t)为水面无人艇系统故障,E2为给定的常值矩阵;ω(t)和f(t)满足L2[0,∞)范数有界,C为行满秩矩阵且(A,C)为可观测的。3.根据权利要求1或2所述基于事件驱动的水面无人艇同步故障检测与控制方法,其特征在于:所述水面无人艇系统矩阵A,B,E1表达式如下:其中,Kυr,Kυp,Kdυ,Kdr,Kdp为给定增益,Tυ,Tr为给定时间常数,ζ和ωn分别表示阻尼系数和无阻尼自然频率。4.根据权利要求3所述基于事件驱动的水面无人艇同步故障检测与控制方法,其特征在于:所述步骤二中基于步骤一建立的水面无人艇系统的状态空间模型,设计基于积分型事件驱动的SFDC模块,并建立事件驱动条件下的增广残差系统;具体过程为:基于积分型事件驱动的SFDC模块为其中,y(tk)为事件驱动条件下的SFDC模块输入,为滤波器状态,为滤波器输出,r(t)为残差信号,u(t)为控制输入,矩阵L,V,K为要设计的SFDC增益矩阵;为的一阶导数;定义ey(t)=y(tk)-y(t),v(t)=[ωT(t)fT(t)]T,其中,ey(t)为上一次网络传输的水面无人艇系统输出y(tk)与当前水面无人艇系统输出y(t)之差,v(t)为增广残差系统的扰动向量,z(t)为滤波器误差,re(t)为残差误差,xc(t)为增广残差系统状态;得到如下积分型事件驱动条件下的增广残差系统:其中,为xc(t)的一阶倒数;Ac,Bc,Ec为增广残差系统的系统矩阵。5.根据权利要求4所述基于事件驱动的水面无人艇同步故障检测与控制方法,其特征在于:所述增广残差系统的系统矩阵Ac,Bc,Ec表达式如下所示:其中,Ak为Ak=A+BK,Al为Al=A-LC。6.根据权利要求5所述基于事件驱动的水面无人艇同步故障检测与控制方法,其特征在于:所述步骤三中设计基于积分型事件驱动的SFDC模块的增益矩阵,具体过程为:基于积分型事件驱动的SFDC模块的增益矩阵由下式给出:其中,为矩阵变量,X1为正交矩阵X的第1行至第p行组成的矩阵,X2为正交矩阵X的第p+1行至第n行组成的矩阵,∑为矩阵C的非零奇异值构成的对角矩阵;p为矩阵C的秩,n为水面无人艇系统状态的维数;W11,W22为任意正定矩阵,为正交矩阵。7.根据权利要求6所述基于事件驱动的水面无人艇同步故障检测与控制方法,其特征在于:所述基于积分型事件驱动的SFDC模块的增益矩阵具体获得过程为:定义李雅普诺夫函数:V(t)=xT(t)P1x(t)+zT(t)P2z(t),并对V(t)=xT(t)P1x(t)+zT(t)P2z(t),求导得:其中,P1,P2为任意正定矩阵;定义函数如下:其中,γ为残差系统的H∞性能指标;将代入式(9),得到其中ε1,ε2为任意给定正实数,R1为任意正定矩阵;定义变量对于任意给定正实数ρ1,ρ2,得到其中,为向量xcv(t)的转置,Φ'为中间变量;Ω为需要设计的触发参数矩阵;f(t)表示信号在t0-t的积分值,将信号f(t)的时间t改为s,将s作为积分变量,对信号f(s)进行积分;假设在积分型事件驱动条件下,下式成立:其中,t0为增广残差系统初始时刻,t为增广残差系统当前时...

【专利技术属性】
技术研发人员:费中阳王旭东关朝旭杨柳刘鑫宇
申请(专利权)人:哈尔滨工业大学
类型:发明
国别省市:黑龙江,23

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