PDF《基于贝叶斯估计的水下机器人罗盘故障检测》

修回日期:2015-04-03 基金项目:国家自然科学基金项目(61403150);

国家重点实验室开放基金项目(2012-O02);

福建省自然科学基金项目(2013J05091) 作者简介:林昌龙(1981-),男,福建厦门人,博士,讲师,主要从事水下机器人体系结构、控制和导航等方面的教学与科研工作. ・560・ 控制工程第22 卷 于数据方法两大类.基于模型方法包括状态估计法、 参 数估计法、状态参数同步估计法、一致空间法、因果模 型法、抽象层次法等;

基于数据方法包括统计法、神经 网络法、专家系统法、模糊逻辑法、模式识别法、时频 分析法、趋势分析法等[2] . 相应的研究成果包括: 文献[3]采用双重无迹卡尔曼 滤波器对状态和参数进行估计并进而实现对一个无人 机模型的故障检测和诊断;

文献[4,5]利用基于模糊推理 和专家系统相结合的方法实现了水下机器人在深水作 业过程中的故障诊断和智能自救决策;

文献[6]采用神经 网络信息融合法实现了推进器故障的检测;

文献[7]回顾 了基于一致空间的故障检测法在航天系统中的应用;

文献[8]采用基于强跟踪滤波器和小波阈值去噪相结合的 方法实现对无人直升机的故障检测. 虽然国内外学者在 AUV 故障检测方面已经做了大 量的工作,但所研究的对象大多是一些长期存在、 难以 自行恢复的故障.本文以电子磁通门罗盘为对象, 针对 它极易受到周围磁场的影响而产生时对时错的数据这 一情况展开研究, 期望能够快速地对电子罗盘工作于正 常状态或者故障状态做出判断. 本文首先建立了 AUV 全状态非线性模型和磁通门 罗盘的误差模型,然后介绍了递推贝叶斯预测理论, 最 后通过仿真和外场实验验证方法的正确性和有效性.

2 AUV 全状态非线性模型 将AUV 的初始位置设定为原点,x 轴、y 轴和 z 轴 分别指向正北、正东和地心,建立世界坐标系. 另外,选取 AUV 的重心为原点,沿AUV 纵轴向 前为 x 轴正方向,沿横轴向右为 y 轴正方向,z 轴垂直 于x轴和 y 轴并满足右手螺旋法则,由此建立 AUV 载 体坐标系.令,和为AUV 的横滚角、纵倾角和 偏航角, 则载体坐标系到世界坐标系的旋转变换矩阵为 (1) 式中, 和 为余弦 cos 和正弦 sin 函数,下同. 2.1AUV 运动学方程 令 表示 AUV 在世界坐标系下的位置;

表示 AUV 在载体坐标系下的速度;

表示AUV 在载体坐标系下的角速度;

则AUV 在世界坐 标系下和在载体坐标系下的速度和角速度关系可以分 别用式(2)和式(3)表示: (2) (3) 结合式(2)和式(3),可以得到 AUV 的运动学方程: (4) 2.2AUV 动力学方程 结合 AUV 所受到的推力、水动力、重力、浮力, 以及 AUV 在合外力/力矩作用下的运动规律, 可以得到 AUV 在载体坐标系下的空间六自由度动力学方程,如式(5~10)所示. (5) (6) (7) (8) (9) 第3期林昌龙等:基于贝叶斯估计的水下机器人罗盘故障检测 ・561・ (10) 式中,分别为螺旋桨推进器在

3 个轴向上产生的推力和推力矩;

, 分别为水平舵 和垂直舵的角位移;

分别为载体的质量、 重力、 浮力、 长度和稳心高;

为水的密度;

, , , , , 为相应的水动力系数. 其中,式(5~7)为AUV 沿坐标轴的平移运动方程, 式(8~10)为绕坐标轴的转动方程[9,10] . 由于所研究的 AUV 采用尾部推进器加水平/垂直 舵的机械结构,在运行过程中侧向速度、 垂直速度和横 滚角速率都很小,根据这一特点,在式(5~10)中省略了 它们的高阶项. 对式(5~10)中的带微分项和不带微分项进行分离和 整理,可以得到: (11) 式中, 是微分项的系数矩阵, 是式(5~10)等式 右边扣除微分项之后所得到的向量. 2.3AUV 全状态非线性模型 联立AUV运动学和动力学方程, 即式(4)和式(11), 可以得到 AUV 的全状态非线性方程: (12) 式中, 为状态向量,包括 AUV 的位置、姿态、速度 和角速度;