[发明专利]多关节仿生机器鱼传感器故障诊断与容错控制方法及系统

说明书

本发明涉及一种多关节仿生机器鱼的传感器故障诊断与容错控制方法，所述控制方法包括：根据当前期望偏航角，控制多关节仿生机器鱼的水下航行；获取传感器采集的在时刻k下各关节状态下的实际偏航角度；根据各关节状态，得到预测偏航角度；根据实际偏航角度及预测偏航角度，确定偏航角度误差；基于有限脉冲响应滤波器跟踪模型，确定信噪比；根据偏航角度误差及信噪比，判断传感器是否发生故障；根据判断结果，重构实际偏航角，经闭环控制使偏航角达到当前期望值。本发明通过偏航角度误差及信噪比双判据判别传感器故障，提高故障判断的准确性；且可在传感器故障后进行容错控制，从而提高多关节仿生机器鱼的安全性、可靠性。

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，特别涉及一种多关节仿生机器鱼的传感器故障诊断与容错控制方法及系统。

背景技术

21世纪是海洋开发的世纪，海洋中蕴含丰富的生物资源、能源、水资源和金属资源，是最有发展前景的战略性开发基地，对国家的兴衰安危、民族的生存发展和经济的持续繁荣产生着直接、巨大的影响。作为人类探索和开发海洋的助手，水下机器人在民用领域和海洋军事方面都占有一席之地。仿生机器鱼作为水下机器人的一个重要分支，通过师法自然，模仿鱼类的外形和游动方式，采用先进的控制理念，提升水下机器人系统性能。相比于传统的水下螺旋桨推进器，仿生机器鱼有低噪声、高机动、高效率等优点。

目前，针对水下机器人故障诊断与容错控制的主要研究平台是以螺旋桨推进的水下自主航行器。相较于传统螺旋桨推进的水下机器人，基于中枢模式发生器（Centralpattern generator，CPG）驱动的多关节连杆式尾部仿生机器鱼具有机械结构复杂、系统非线性强、各驱动关节间耦合度高的特征，此特征在保障仿生机器鱼优异运动性能的同时，也给控制系统实现故障诊断与容错控制带来了挑战。由于仿生机器鱼与传统螺旋桨推进的水下自主航行器在结构和驱动方式上存在差异，面向螺旋桨推进的水下自主航行器的故障诊断与容错控制方法难以直接应用于仿生机器鱼，导致仿生机器鱼水下航行无法得到安全可靠控制。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了确保仿生机器鱼的可靠运行，本发明的目的在于提供一种多关节仿生机器鱼的传感器故障诊断与容错控制方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下方案：

一种多关节仿生机器鱼的传感器故障诊断与容错控制方法，所述控制方法包括：

根据当前期望偏航角，控制多关节仿生机器鱼的水下航行；

获取传感器采集的在时刻k下所述多关节仿生机器鱼在各关节状态下的实际偏航角度；

基于有限脉冲响应滤波器跟踪模型，根据所述多关节仿生机器鱼的各关节状态，得到时刻k对应的预测偏航角度；

根据实际偏航角度及预测偏航角度，确定偏航角度误差；

基于有限脉冲响应滤波器跟踪模型，确定信噪比；

根据偏航角度误差及信噪比，判断所述传感器是否发生故障；

如果所述传感器没有发生故障，则反馈所述实际偏航角度，经过闭环控制，达到期望偏航角；

如果所述传感器发生故障，则基于仿生机器鱼神经网络模型，根据所述传感器发生故障前各时刻的所述多关节仿生机器鱼的各关节状态及对应的实际偏航角度，重构传感器信号，得到重构偏航角度；

反馈所述重构偏航角度，经过闭环控制，达到期望偏航角。

可选地，所述有限脉冲响应滤波器跟踪模型的构建方法具体包括：

获取历史数据，所述历史数据包括所述多关节仿生机器鱼的各关节状态及对应的实际偏航角度；

根据各关节状态及对应的实际偏航角度，建立有限脉冲响应滤波器跟踪模型；

采用最小均方误差方法，对所述有限脉冲响应滤波器跟踪模型进行训练，更新所述有限脉冲响应滤波器跟踪模型的权重参数矢量，得到更新后的有限脉冲响应滤波器跟踪模型。