[發明專利]一種基于行為的UUV推進操縱系統異常辨識方法

有效

• 申請號: 201410381881.6
• 申請日: 2014-08-06
• 公開（公告）號: CN104252575B
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 嚴浙平;趙錦陽;郝悅;李本銀
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種基于行為的UUV推進操縱系統異常辨識方法。

背景技術

隨著海洋開發的飛速發展，人們對UUV作業的智能作業水平也提出了更高的要求，這使得UUV的安全性和可靠性在研究和應用中顯得至關重要。UUV作為一種復雜的非線性系統，一旦發生異常，不但不能完成預期的作業任務，而且有可能造成重大經濟損失。因此，對UUV系統進行早期的異常行辨識具有重要的實現意義。在UUV各種異常中，推進操縱系統的故障率通常較高的，而且推進操縱系統的異常有可能引發不可挽回的后果，所以對推進操縱系統的異常進行辨識顯得尤為重要。

目前，國內學者對UUV推進器故障診斷進行研究，王玉甲在2008年01期《彈箭與制導學報》的《水下機器人推進器故障融合診斷方法研究》文章中采用模糊邏輯與神經網絡結合的技術進行推進系統的工作狀態進行監測，上海海事大學朱大奇等在2010年01期《系統仿真學報》的《無人水下機器人推進系統故障診斷與容錯控制》的文章中針對UUV執行器和傳感器故障辨識問題構造了一種基于遞歸神經網絡的故障辨識模型，但是由于需要大量的樣本進行訓練，對新故障的辨別能力有限，而本發明從行為角度出發，只要UUV的行為發生異常，就能發現故障。還有很多學者對推進器故障開展了研究，王麗榮等在2005年8月的《哈爾濱工程大學學報》的《滑模觀測器在水下機器人推力器故障診斷中的應用》文章中設計滑模觀測器只針對UUV推進器故障進行診斷，并通過模糊規則判定推進器故障的危害程度，而在實際應用中往往是推進器與舵共同作用實現UUV三維空間空間運動，所以有必要對推進器和舵同時進行異常辨識，而且UUV作為復雜的非線性系統，三維空間運動下的UUV推進系統異常辨識十分復雜，本發明設計針對的是由推進器和舵構成的推進操縱系統，在三維空間對工作狀態下UUV的行為進行監控，在異常發生后，根據二維運動空間的特定辨識行為實現對推進操縱異常點的準確定位，以及異常危害級別的判定，這降低了異常辨識的難度，時提高了異常辨識準確性。

發明內容

本發明的目的是提供一種實時監測三維運動空間下UUV行為來檢測推進操縱系統是否存在異常，根據實時獲得的UUV位姿速度信息和推進操縱系統空間分布特點，匹配UUV在簡單運動空間中的異常辨識行為，實現對異常點位置的準確定位，最后評價危害級別的基于行為的UUV推進操縱系統異常辨識方法。

本發明的目的是這樣實現的：

(1)觀測器對UUV的狀態信息包括位置、速度、角度進行實時估計，與從UUV傳感器實時得到的狀態信息進行比較獲得狀態信息的殘差信息，其中觀測器為：

為狀態向量x₁、x₂的估計值，其中x₁＝[η₁,η₂]^T∈R^6×1、其中x、y、z表示船體坐標系下三軸速度，φ、θ、z表示橫搖角、縱傾角、偏航角；M為包括附加質量的慣性矩陣，M∈R^6×6；C(·)為哥氏力及向心力矩陣，C(·)∈R^6×6；G(·)為流體阻力以及由重力和浮力產生的恢復力向量之和；τ為獨立控制輸入，τ∈R^6×1；Λ₁為正定常對角增益矩陣，Λ₂為正定常反饋增益矩陣；

(2)設置殘差上下限閾值和時間窗K，剔除誤警的殘差信號，初步判斷UUV行為是否發生異常；

(3)從辨識行為庫中匹配特定的二維空間辨識行為，判定自身的異常點定位及危險級別；

(4)系統根據實時采集到系統狀態數據的殘差特性對UUV推進操縱系統進行不同異常模式的匹配，實現對推進操縱系統的異常點的準確定位，異常模式f_n的取值為左推進器異常、右推進器異常、垂直舵卡右舵、垂直舵卡左舵、水平舵卡上舵、水平舵卡下舵六種異常模型,r_i的取值為三軸速度u、v、w、偏航角速度q、縱傾角速度r五個狀態項的殘差，M_f的第i行第j列取值為0、1、-1，分別表示“小偏差”、“較大正偏差”、“較大負偏差”，推進操縱系統異常點辨識的規則矩陣如M_f所示，

(5)對異常的危害級別進行判定，對UUV推進操縱系統異常進行危害級別的判定,異常危害級別辨識矩陣M_μd如下：