專利名稱：一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)故障檢測(cè)裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)，屬于無纜深潛器航跡跟蹤控制及故障檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。同時(shí)本發(fā)明公開了其故障檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
深潛器是具有水下觀察和作業(yè)能力的活動(dòng)深潛水裝置，主要用來執(zhí)行水下考察、海底勘探、海底開發(fā)和打撈、救生等任務(wù)。與有纜深潛器相比，無纜深潛器具有更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力，更便于執(zhí)行反水雷、沿海地區(qū)潛艇跟蹤以及情報(bào)、監(jiān)視和偵察任務(wù)等。無纜深潛器航跡跟蹤控制是指通過操舵儀，使得無纜深潛器的航跡跟蹤設(shè)定軌跡。無纜深潛器在巡航過程中不可避免地會(huì)受到洋流等的影響；各種信號(hào)通過無線網(wǎng)絡(luò)在水中傳輸時(shí)容易受到無線電或其他信號(hào)的干擾，且信號(hào)在水中傳輸時(shí)會(huì)有較大幅度的衰減或漂移。因此，如何實(shí)現(xiàn)無纜深潛器航跡的精確跟蹤控制，提高無纜深潛器巡航的安全性及工作效率是一個(gè)十分有價(jià)·值的問題。在對(duì)無纜深潛器的航跡進(jìn)行控制的過程中，航跡、航向偏差以及舵角反饋信息傳輸至舵角控制器，而舵角控制器與操舵儀發(fā)出的信號(hào)經(jīng)控制信號(hào)接收裝置最終傳輸至舵機(jī)，舵機(jī)通過舵桿控制舵實(shí)現(xiàn)航向調(diào)整，并最終使得實(shí)際航跡較好地跟蹤設(shè)定航跡。在航跡跟蹤控制過程中，如果航跡控制器、舵角控制器、控制信號(hào)接收裝置出現(xiàn)階躍型、斜坡型故障，或者舵機(jī)出現(xiàn)卡死型故障，則不能實(shí)現(xiàn)無纜深潛器航向的精確控制，從而影響到航跡跟蹤控制的效果。因此，當(dāng)無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，如何及時(shí)檢測(cè)故障的發(fā)生并采取措施消除故障是有重要意義的。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)故障檢測(cè)裝置和方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)無纜深潛器航跡跟蹤控制過程精確、快捷的故障檢測(cè)。本發(fā)明通過如下技術(shù)手段加以實(shí)現(xiàn)一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)故障檢測(cè)裝置，系統(tǒng)由GPS接收天線、GPS接收裝置、電羅經(jīng)、舵角反饋裝置、航跡控制器、舵角控制器、航跡跟蹤參考模型、控制信號(hào)接收裝置、操舵儀、舵機(jī)、舵、故障檢測(cè)濾波器、參考?xì)埐钅Ｐ?、殘差信?hào)分析裝置、故障報(bào)警裝置組成。航跡跟蹤參考模型生成設(shè)定航跡；GPS接收裝置接收GPS輸出的無纜深潛器實(shí)際航跡信息，并計(jì)算設(shè)定航跡與實(shí)際航跡之間的偏差；電羅經(jīng)自動(dòng)、連續(xù)地提供無纜深潛器的航向信號(hào)，計(jì)算設(shè)定航向與實(shí)際航向之間的偏差，且航跡偏差與航向偏差傳到航跡控制器；航跡控制器根據(jù)無纜深潛器的航跡、航向偏差，無纜深潛器航跡狀態(tài)以及航跡跟蹤參考模型狀態(tài)生成控制輸入，并將相應(yīng)的控制輸入傳到舵角控制器；舵角反饋裝置檢測(cè)并反饋舵角信號(hào)，航跡控制器所生成的控制輸入、航跡偏差、航向偏差、舵角反饋信號(hào)傳輸至舵角控制器，舵角控制器發(fā)送控制輸入至控制信號(hào)接收裝置；舵機(jī)通過舵桿與舵連接，操舵儀通過Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線將控制輸入傳輸至控制信號(hào)接收裝置?？刂菩盘?hào)接收裝置既可以接收舵角控制器的信號(hào)，又可以接收操舵儀的控制信號(hào)，并根據(jù)收到的信號(hào)控制轉(zhuǎn)舵。參考?xì)埐钅Ｐ陀糜谠O(shè)計(jì)故障檢測(cè)濾波器；故障檢測(cè)濾波器生成殘差信號(hào)；故障報(bào)警裝置安裝在操舵儀上；殘差信號(hào)分析裝置計(jì)算并比較殘差評(píng)價(jià)函數(shù)與給定閾值的大小。所述的航跡跟蹤參考模型為xk_t] =Jxt +4. = Hxk,其中4、yk、tk分別為航跡跟蹤參考模型狀態(tài)、航跡跟蹤參考模型輸出及航跡跟蹤參考模型輸入，J、H為具有與. 、Λ相匹配維數(shù)的實(shí)數(shù)矩陣，k為自然數(shù)或零；設(shè)置航跡狀態(tài)方程為Xw=AXfBufE1 ω k+E2fk·
yk=Cxk,其中&、％、《11、4、)^分別為無纜深潛器航跡的狀態(tài)值，控制輸入，外部擾動(dòng)，故障，無纜深潛器航跡的量測(cè)輸出值，A、B、C、Ep E2為具有與xk、uk, ω k、fk、yk相匹配維數(shù)的實(shí)數(shù)矩陣。一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)的故障檢測(cè)方法，包括如下步驟I)通過故障檢測(cè)濾波器狀態(tài)方程
_7] 4+i =+BiKyk+(I言 4 ]rk = Cik及參考?xì)埐钅Ｐ?Thl — AfrXk + BwJ tJk =CnJk+DlJk設(shè)計(jì)故障檢測(cè)濾波器并計(jì)算殘差信號(hào)；其中，λ k的值為I或O, pm彡pk彡pM, dm彡dk彡dM, pm, pM, dm, dM為正整數(shù)。2)構(gòu)造殘差評(píng)價(jià)函數(shù)IMI., =J=W1并取取殘差評(píng)價(jià)函數(shù)閾值為
J Y 斤........^
Λ ......SLipiIHIri
h r*3)殘差信號(hào)分析裝置比較I |r| |τ與Jth的值，若當(dāng)I |r| IT>Jth時(shí)，殘差信號(hào)分析裝置將相應(yīng)的信息傳輸?shù)讲俣鎯x上的故障報(bào)警裝置；當(dāng)I |r| It < Jth，殘差信號(hào)分析裝置繼續(xù)計(jì)算I Irl It的值，并比較I Irl It與Jth的大小關(guān)系;其中分別為故障檢測(cè)濾波器的狀態(tài)及殘差信號(hào)；分別為參考?xì)埐钅Ｐ蜖顟B(tài)及參考?xì)埐钅Ｐ洼敵?，^,("^ 、8 、(；、0 為具有與^,71;，1'1;，x fk, 相匹配維數(shù)的實(shí)數(shù)矩陣，t1； t2為自然數(shù)或零，且本發(fā)明在以一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)故障檢測(cè)裝置和方法為背景的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置GPS接收裝置、航跡控制器、舵角控制器、故障檢測(cè)濾波器、參考?xì)埐钅Ｐ?、殘差信?hào)分析裝置、故障報(bào)警裝置等，并通過合理連接各物理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)無纜深潛器航跡跟蹤控制過程中的故障檢測(cè)。本發(fā)明中用于故障檢測(cè)的硬件連接關(guān)系簡(jiǎn)單，故障檢測(cè)快捷有效、易于推廣，可改善無纜深潛器對(duì)設(shè)定航跡的跟蹤能力，具有實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。


圖I是本發(fā)明的航跡跟蹤控制系統(tǒng)硬件連接及信號(hào)傳遞關(guān)系圖。圖2是本發(fā)明的故障檢測(cè)、報(bào)警裝置硬件連接及信號(hào)傳遞關(guān)系圖。其中實(shí)線表示硬件之間的連接關(guān)系，帶箭頭的虛線表示信號(hào)傳遞方向。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所述一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)故障檢測(cè)裝置，由航跡跟蹤控制模塊和故障檢測(cè)模塊組成，航跡跟蹤控制模塊包含GPS接收天線、GPS接收裝置、電羅經(jīng)、舵角反饋裝置、航跡控制器、舵角控制器、航跡跟蹤參考模型、控制信號(hào)接收裝置、操舵儀、舵機(jī)、舵等裝置，故障檢測(cè)模塊包含故障檢測(cè)濾波器、參考?xì)埐钅Ｐ?、殘差信?hào)分析裝置、故障報(bào) 警裝置等。航跡控制器、舵角控制器生成控制輸入，以使得無纜深潛器實(shí)際航跡跟蹤設(shè)定航跡；殘差信號(hào)分析裝置計(jì)算并比較殘差評(píng)價(jià)函數(shù)與給定閾值的大小，當(dāng)殘差評(píng)價(jià)函數(shù)的值大于給定閾值時(shí)，故障報(bào)警裝置閃爍并發(fā)出報(bào)警聲音。本發(fā)明按照附圖I中的連接方式對(duì)航跡跟蹤控制模塊中的各裝置進(jìn)行硬件連接。操舵儀安裝在駕駛艙，且可根據(jù)航向、航跡及舵角偏差情況經(jīng)控制信號(hào)接收裝置傳輸信號(hào)至舵機(jī)，并由舵機(jī)控制轉(zhuǎn)舵以達(dá)到調(diào)整航向的目的。航跡跟蹤參考模型生成設(shè)定航跡，GPS接收裝置每隔m(0. 5<m<3)秒自動(dòng)接收無纜深潛器的航跡信息，并計(jì)算設(shè)定航跡與實(shí)際航跡之間的偏差；電羅經(jīng)以采樣周期n(0. 5〈n〈3)對(duì)無纜深潛器航向進(jìn)行采樣，計(jì)算設(shè)定航向與實(shí)際航向之間的偏差；航跡偏差與航向偏差傳到航跡控制器，航跡控制器根據(jù)航跡偏差與航向偏差生成控制信號(hào)。航跡、航向偏差及舵角反饋裝置所反饋的舵角信號(hào)傳到舵角控制器，且舵角控制器構(gòu)建相應(yīng)的控制輸入并傳輸至一個(gè)零階保持器，即控制信號(hào)接收裝置。控制信號(hào)接收裝置既可以接收舵角控制器的控制信號(hào)，又可以接收操舵儀的控制信號(hào)，且將最近收到的控制信號(hào)傳輸至舵機(jī)。舵機(jī)根據(jù)收到的信號(hào)控制轉(zhuǎn)舵，達(dá)到調(diào)整航向的目的，進(jìn)而保證較好的航跡跟蹤控制效果。如果航跡控制器及舵角控制器發(fā)生故障，或者舵機(jī)出現(xiàn)卡死型故障，則航跡控制器及舵角控制器所生成的控制輸入中會(huì)包含故障信號(hào)，且故障信號(hào)最終體現(xiàn)在殘差信號(hào)中。按附圖2中的方式對(duì)故障檢測(cè)模塊中各硬件進(jìn)行連接。對(duì)于離散時(shí)間無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)，設(shè)無纜深潛器航跡狀態(tài)方程、故障檢測(cè)濾波器狀態(tài)方程、航跡跟蹤參考模型、參考?xì)埐钅Ｐ头謩e如公式(I)、(2)、(3)、(4)所示，Xw=AXfBufE1 ω k+E2fk(I)yk=Cxk,4+l = Axk + h{ljk + (I — 4 )yk Pi 4 ]( 2)rk 二Xk.f =Jxk +4(3)I* = ,,Xm =AfrXk+BnJk(A)Jk =()rxt+Dirfk
其中xk，uk,cok，fk，yk, .TA,rk, Xts tk, J·,, ;分別為無纜深潛器航跡的狀態(tài)值,控制輸入，外部擾動(dòng)，故障，無纜深潛器航跡的量測(cè)輸出值，故障檢測(cè)濾波器狀態(tài)，殘差信號(hào)，航跡跟蹤參考模型狀態(tài)，航跡跟蹤參考模型輸入，航跡跟蹤參考模型輸出，參考?xì)埐钅Ｐ蜖顟B(tài)及參考?xì)埐钅Ｐ洼敵?；公?1-4)中的各常數(shù)矩陣可根據(jù)航向角、舵角及深潛器轉(zhuǎn)首角速度等參數(shù)計(jì)算得到，具體來說，是與上述變量具有相匹配維數(shù)的實(shí)數(shù)矩陣。由無纜深潛器航跡的狀態(tài)值、故障檢測(cè)濾波器狀態(tài)、航跡跟蹤參考模型狀態(tài)、參考?xì)埐钅Ｐ蜖顟B(tài)構(gòu)建擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)向量及擴(kuò)展閉環(huán)系統(tǒng)，利用李亞普諾夫方法、線性矩陣不等式設(shè)計(jì)系統(tǒng)的航跡跟蹤控制器及故障檢測(cè)濾波器增益。在處理航跡 跟蹤控制器及故障檢測(cè)濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要使得無纜深潛器航跡的量測(cè)輸出值與航跡跟蹤參考模型的量測(cè)輸出值之間的誤差jv++-Λ.盡可能的小，另一方面要使得殘差信號(hào)與參考?xì)埐钅Ｐ洼敵鲋g的誤差4-又盡可能的小，此時(shí)采用雙目標(biāo)優(yōu)化方法，即使得a(yk -γ,) + ( -aHri -又)的值最小，其中a e [O, I]。利用數(shù)學(xué)中的凸分析方法可以很容易地求取-爲(wèi))+.(1-α)(η. -. )的最小值。當(dāng)設(shè)計(jì)完成航跡跟蹤控制器及故障檢測(cè)濾波器增益后，可以根據(jù)公式(2)計(jì)算殘差信號(hào)，殘差信號(hào)分析裝置根據(jù)計(jì)算所得到的殘差信號(hào)，構(gòu)造殘差評(píng)價(jià)函數(shù)
II r Ir= J Σ r: rk, T=Wl，且取殘差評(píng)價(jià)函數(shù)閾值為Jll, = sup II f' Hr =殘差信號(hào)分析裝
/ A、fk O
置比較I Irl It與Jth的值，當(dāng)I Irl |T>時(shí)，則故障發(fā)生，且殘差信號(hào)分析裝置將相應(yīng)的信息傳輸?shù)讲俣鎯x上的故障報(bào)警裝置，并通過紅燈閃爍及聲音提示用戶故障的發(fā)生；當(dāng)Irl |T< Jth，沒有故障發(fā)生，則殘差信號(hào)分析裝置繼續(xù)計(jì)算I Irl It的值，并比較I Irl It與Jth的大小關(guān)系。本發(fā)明中一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)故障檢測(cè)裝置和方法的特點(diǎn)是可以快速檢測(cè)無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)中的故障，使用簡(jiǎn)單方便。本發(fā)明快捷有效、硬件連接關(guān)系簡(jiǎn)單且易于推廣，便于實(shí)現(xiàn)無纜深潛器航跡跟蹤控制及故障檢測(cè)，從而改善無纜深潛器巡航的安全性及對(duì)設(shè)定航跡的跟蹤能力，具有實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)的故障檢測(cè)裝置，其特征在于系統(tǒng)由GPS接收天線、GPS接收裝置、電羅經(jīng)、舵角反饋裝置、航跡控制器、舵角控制器、航跡跟蹤參考模型、控制信號(hào)接收裝置、操舵儀、舵機(jī)、舵、故障檢測(cè)濾波器、參考?xì)埐钅Ｐ汀埐钚盘?hào)分析裝置、故障報(bào)警裝置組成。舵機(jī)通過舵桿與舵連接，故障報(bào)警裝置安裝在操舵儀上；航跡控制器、舵角控制器、控制信號(hào)接收裝置、操舵儀依次連接，電羅經(jīng)與GPS接收裝置連接后連接航跡控制器及操舵儀，GPS接收天線連接到GPS接收裝置的天線輸入端。航跡跟蹤參考模型生成設(shè)定航跡；GPS接收裝置接收GPS輸出的無纜深潛器實(shí)際航跡信息，并計(jì)算設(shè)定航跡與實(shí)際航跡之間的偏差；電羅經(jīng)計(jì)算設(shè)定航向與實(shí)際航向之間的偏差，將航跡偏差與航向偏差傳到航跡控制器；航跡控制器生成控制輸入，并將相應(yīng)的控制輸入傳到舵角控制器；舵角反饋裝置檢測(cè)并反饋舵角信號(hào)；舵角控制器根據(jù)舵角信號(hào)等生成控制輸入，并發(fā)送控制輸入至控制信號(hào)接收裝置；控制信號(hào)接收裝置根據(jù)收到的信號(hào)控制轉(zhuǎn)舵。參考?xì)埐钅Ｐ陀糜谠O(shè)計(jì)故障檢測(cè)濾波器；故障檢測(cè)濾波器生成殘差信號(hào)；殘差信號(hào)分析裝置計(jì)算并比較殘差評(píng)價(jià)函數(shù)與給定閾值的大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)的故障檢測(cè)裝置，其特征在于所述的航跡跟蹤參考模型為
3.一種根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)的故障檢測(cè)方法，其特征在于包括如下步驟 1)通過故障檢測(cè)濾波器狀態(tài)方程
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)故障檢測(cè)裝置，所述系統(tǒng)由GPS接收天線、GPS接收裝置、電羅經(jīng)、舵角反饋裝置、航跡控制器、舵角控制器、航跡跟蹤參考模型、控制信號(hào)接收裝置、操舵儀、舵機(jī)、舵、故障檢測(cè)濾波器、參考?xì)埐钅Ｐ汀埐钚盘?hào)分析裝置、故障報(bào)警裝置組成。本發(fā)明同時(shí)給出了該檢測(cè)裝置檢測(cè)故障的方法。本發(fā)明可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)的故障檢測(cè)，為無纜深潛器巡航的可操縱性和安全性提供保障，具有實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。
文檔編號(hào)G05B23/02GK102778888SQ20121023923
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月11日
發(fā)明者劉維亭, 尚婕, 張大偉, 李春華, 杜昭平, 楊奕飛, 王天寶, 王玉龍 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)