19、无人水下航行器容错控制技术综述

无人水下航行器容错控制技术综述

1. 冗余控制

在水下航行器运行过程中，推进器故障是一个常见且严重的问题。推进器故障可能由多种原因引起，如螺旋桨中有固体物体、推进器进水或转子故障等。这些故障会导致水下航行器无法跟踪任务空间轨迹，从而产生任务空间误差。

推进器冗余是解决这一问题的重要手段。如果水下航行器配备的推进器数量多于产生所需运动的最小数量，那么在推进器发生故障时，可以利用多余的推进器产生力，使航行器能够以较小的误差跟踪任务空间轨迹。例如，有研究通过引入冗余解决方案来分配推进器力，以在故障情况下产生所需的运动。

不过，当损坏的推进器使航行器处于欠驱动状态时，这个问题仍有待全面解决。但总体而言，冗余为容错控制方案的开发提供了重要的解决方案。此外，还有研究利用推进器的固有冗余来处理推进器故障，以及将推进器故障视为航行器动态模型中的不确定性，并设计滑模控制器来实现容错控制。

2. 故障检测与诊断（FDD）方法

故障检测是识别系统中故障的过程，一旦识别出故障，就会进行故障诊断。故障诊断包括故障隔离（确定检测到的故障的位置、类型和时间）和故障识别（确定检测到的故障的大小和时变特征）。FDD方法可以分为无模型（数据驱动）方法和基于模型的方法，这两种方法又可进一步分为定量和定性方案。也有文献将FDD分为基于规则、基于模型和无模型三种类型。

2.1 基于规则的方法

基于规则的方法通过从工程师和操作员对特定系统的知识中推导诊断规则来解决问题。这些方法不需要对水下航行器进行精确的动态建模，执行速度快，但规则库具有经验性，当多个故障同时发生时，故障隔离较为困难。专家系统和神经网络分别是定量和定性方法中比较重要的技术。