[发明专利]冗余控制的微小型水下机器人及故障诊断和容错控制方法

权利要求书

1.一种冗余控制的微小型水下机器人，其特征是：其壳体由下壳体，上前壳、上后壳拼接而成的流线型外形；壳体内部自前向后设置倾角罗盘舱、深度计、电池舱、多普勒速度计、电子舱、水平螺旋桨推进器和转向升沉舵机；深度计、电池舱、多普勒速度计平行排列共同位于倾角罗盘舱之后，转向升沉舵机位于两个水平螺旋桨推进器中间，两个水平螺旋桨推进器和一个升沉转向舵机横向平行排列、并共同位于水下机器人的尾部；倾角罗盘舱、电池舱和电子舱均为立方体外形的箱体，每个箱体由舱体、上盖、密封圈和螺钉组成，舱体上端面上开有环形密封槽，密封槽内装有O型密封圈，上盖与舱体间通过螺钉连接，并将O型密封圈压紧，实现端面密封，上盖左侧开有螺纹孔，通过螺纹实现与防水电缆螺旋接头连接，舱体外侧留有连接孔，螺钉穿过此连接孔并旋入骨架板上螺纹孔内，实现连接；电池舱内部的锂电池组通过导线同舱侧壁安装的电力传输插座和舱上盖上安装的充电插座相连；电力通过电力传输插座传出给电子舱；电子舱内部封装有核心控制系统，转向升沉舵机驱动控制系统，通信系统。

2.根据权利要求1所述的冗余控制的微小型水下机器人，其特征是：升沉舵轴在与推进器的电机输出轴相交处为曲轴结构。

3.根据权利要求2所述的冗余控制的微小型水下机器人，其特征是：壳体内设置骨架板，各部件均固定在骨架板上，骨架板为具有足够强度的支撑板，板上设计有槽和孔，各部件通过螺钉连接到骨架板上，骨架板位于水下机器人中心对称面偏下处。

4.根据权利要求3所述的冗余控制的微小型水下机器人，其特征是：各部件间电力及通讯连接通过传输接头实现，传输接头由多芯防水电缆、防水电缆螺旋接头、防水圆形连接器组成，防水电缆螺旋接头固连在部件舱体上，与防水电缆的一端连接，防水圆形连接器插头与防水电缆的另一端连接，防水圆形连接器插头与安装在部件侧壁上的防水圆形连接器插座连接。

5.根据权利要求4所述的冗余控制的微小型水下机器人，其特征是：下壳体内有六个支撑柱，两端带有螺纹孔的导柱与穿过骨架扳的支撑柱通过螺纹连接，导柱另一端与穿过上前壳或上后壳的螺钉连接，下壳体、上前壳、上后壳便与水下机器人内的骨架板装配到一起，形成完整的流线型支柱外形。

6.一种如权利要求1所述的冗余控制的微小型水下机器人的故障诊断和容错控制方法，其特征是：

首先进行水下机器人推进器或转向舵故障诊断：机器人运行过程中，推进器自诊断得到自身是否发生故障及故障程度信息并返回给核心控制系统；如果推进器自诊断有故障，则认为转向舵正常，当推进器自诊断无故障，倾角罗盘测得角度与目标角度对比获得的艏向角残差未超出阈值时，认为推进器和转向舵正常；当推进器自诊断无故障，倾角罗盘测得角度与目标角度对比获得的艏向角残差超出阈值时，认为转向舵出现故障，水下机器人转入主动诊断方式，主动诊断的过程如下：水下机器人首先转入定速直航，再转入定角度航行状态，根据故障时艏向角残差及角速度返回值的变化规律判断舵的故障类型；

其次，基于故障诊断结果进行控制力分配；推进器和转向舵正常时，控制力分配方法为：使二水平推进器的出力相同，通过调整转向、升沉舵来控制机器人的艏向角度和俯仰角度；转向舵卡死在固定角度时，控制力分配时通过控制二推进器推力差值的方法在抵消转向舵产生的转矩的同时控制机器人的艏向角度；发生推进器故障或舵缺损、丢失故障时，控制力分配则是通过线性二次型最优控制方法，进行基于故障的控制力优化分配，实现容错控制。

7.根据权利要求6所述的冗余控制的微小型水下机器人的故障诊断和容错控制方法，其特征是：所述的基于故障诊断结果进行控制力分配的具体方法为：

当推进器和转向舵均正常时，令二水平推进器出力相同，通过调整转向、升沉舵来控制机器人的艏向角度和俯仰角度；

当转向舵卡死在固定角度时，产生的力矩为只与速度相关的值A_r，此时容错控制需要通过增加二推进器推力差值的方法抵消转向舵产生的转矩，左右推进器推力按如下矩阵计算：

XANA=0Ar+11l-lT1T2]]>

其中：X_A，N_A为所需的力和力矩；l为推进器到水下机器人中心对称面的距离；T₁，T₂为左、右推进器推力；T₁，T₂按下述方程转换成左、右推进器的控制电

压u₁，u₂：

T1T2=k1k2u1u2]]>

其中：k₁，k₂为正的常数；

当推进器发生故障或转向舵发生缺损或丢失故障时，容错控制是基于如下的控制力优化分配方程实现的：

minT,δ{J=T1T2Tw100w2T1T2+αδ2}]]>

subject to ：

XANA=0Nδδr+11l-lT1T2]]>

T1T2=k1k2u1u2]]>

其中：N_δ为与速度有关的舵力参数，δ为舵角；上述方程基于推进器和转向舵的故障程度信息w₁，w₂，α，取值范围为(0，1)，通过线性二次型最优控制方法，进行基于故障的控制力优化分配，实现容错控制。