AUV主动应急自救机制与策略

陈柱,徐国华,王冠学,刘炎,翟云峰,郑煜 430074华中科技大学 船舶与海洋工程学院,湖北 武汉

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要:[目的]为保障高速自主式水下机器人(AUV)的航行安全,研制一套智能应急自救系统。[方法]首先,摘介绍应急自救系统的组成与功能,对其进行可靠性分析与设计;其次,重点研究多信道信息采集融合机制、主动应急机制、故障优先级整定机制和应急处理决策机制;再次,设计应急专家决策模型,提出一种基于离散规则应VxWorks急操舵的应急处理方法;最后,基于 实时操作系统编制应急系统控制软件,并搭建半实物仿真平台进行系统联调仿真试验。[结果]试验结果验证了该应急自救机制与策略的可靠性和可行性。[结论]该应急AUV系统弥补了传统应急手段的不足,对 的应急自救具有重要的借鉴作用。关键词:AUV应急自救;故障优先级自整定;专家应急自救策略;离散应急操舵规则;半实物仿真中图分类号:U676.1;U674.941 文献标志码:A DOI:10. 19693/j.issn.1673-3185. 01027

0引言

水下机器人是海洋资源勘探和开发的重要工具之一,其中自主式水下机器人(AUV)已被广泛运用于海洋探测、开发、搜救等领域。然而,水下AUV作业环境复杂多变, 的控制难度大,因此AUV的安全航行和应急回收成为亟待解决的难AUV安全设计[1],向先波等[2]基题。关于传统的PC/104于 工控机硬件平台建立了智能自救系统, AUV但无法在 控制系统出现失电等严重故障时进行应急自救。Li等[3]设计了以系统电源检测为核心的安全自救系统,并配置了应急气囊,但无法针对中央控制器故障采取应急措施。AUV本文拟基于一艘高速 研制相应的主动应急自救系统,采用硬件冗余、机械冗余、通信信道冗余等多种冗余方式提高应急自救系统的可靠性,以弥补传统应急手段的不足;将对不同工况下可能出现的多种故障进行优先级自动整定,以保证应急系统采取更合理的响应措施;提出合理的 智能应急策略,包括每条决策的起始动作、中间动作和最终动作,并将应急决策存储于专家决策规则库中,以便在试验过程中进行在线修改和对比分析。同时,在应急操舵上浮操纵过程中,将采用AUV离散操舵控制方法实现 的上浮和纵倾角双AUV重控制,以降低应急工况对 的精度控制要AUV求,由此保证 的安全航行和快速应急自救回收。

1 系统组成与功能

应急自救系统由应急备用电源、应急计算机、1所驱动信号开关、执行机构和执行对象组成,如图示。其中,应急执行机构分为艏部充气气囊装置和应急缆释放装置,均安装于艏部透水舱中,如图2所示。AUV应急自救系统的功能包括:实时采集 全AUV机数据并进行数据融合;实时检测 机载设备工作状态、通信状态、舱室环境状态、轴系环境状态及位姿状态;对检测故障进行优先级整定;依据故障优先级输出应急专家决策;视情执行应急操

3舵上浮、艏部气囊充气和释放应急缆这 种应急 指令,完成应急回收。3图 所示为应急自救系统的功能流程图。 AUV航行是一个典型的多阶段任务系统[4]。在正常航行工况下,水下调度的核心为水下主控单元,此时应急单元仅用于获取全机信息、故障检测、应急决策、通过水声信道反馈数据至水面、监听并接收水上干预指令。在应急航行工况下,水下主控单元停止工作,水下调度的核心改为应急单元,用于执行应急决策动作。在正常航行工况下,应急系统将针对获取的AUV全机原始传感器数据进行故障检测和故障优先级整定,一旦检测出需应急处理的高优先级AUV故障,则仲裁切换模块立即将 作业工况切换至应急工况,同时根据故障优先级进行应急决策,输出应急结论并执行应急处理。应急自救系统的4处理机制如图 所示。

2 可靠性设计

5为提高应急系统的可靠性,应在如下 个方面进行冗余设计: 1)供电冗余。AUV应急系统由 主电源和独立的应急备用电源进行冗余供电。当主电源失电时由应急备用电源进行供电,以保证应急执行机构正常动作。2)应急执行机构的驱动信号冗余。应急执行机构采用电信号和压力开关信号冗余驱动。当电信号失效时,若外界水压触发压力开关输出动作信号,即可驱动执行机构。3)应急缆释放装置的执行机构冗余。应急缆释放装置采用电磁铁驱动和机械式水压缸冗余驱动。当电信号驱动装置动作无效时,若外界水压触发水压缸动作,即可执行应急缆释放动作。4)应急通信信道冗余。应急计算机与水下主控单元计算机采用以太网和串口双信道通信,以太网信道为主用,串口信道为备用。当主信道故障时,可自动切换至备用信道。5)应急数据源冗余。AUV的深度和高度数据是应急系统的决策输入,应急单元可以从导航单元、深度计和高度计AUV获取 的深度和高度数据,由此实现应急信息数据源的冗余。

3 数据获取与故障检测

AUV搭载水下主控单元,在正常工况下是水下定时周期调度的核心;搭载导航单元,采用组合AUV导航算法采集并输出 运动过程中的经纬度、速度等信息;搭载操舵控制单元,用于控制舵机并采集舱室环境信息和轴系信息;搭载动力与电力系统控制单元,用于控制推进器转速并反馈推进系统和电力系统的信息;搭载数据存储单元,用于AUV存储 的水下运动数据;搭载应急单元,作为应急自救系统的核心。为实现硬件冗余[5],所有2参与判断处理的器件均配置 套。正常工况下,应急单元从水下主控单元获取AUV全机信息。应急工况下,应急单元可通过与AUV导航单元建立串口信道,以获取 位姿、速度等信息;与操舵控制单元建立串口信道,执行应急操舵动作和舵机安全保护动作;与动力系统控制CAN单元建立 总线通信信道,执行应急控制推进器动作和电力系统控制动作;与数据存储单元建立串口信道,以存储应急工况下的全机数据。应急单元获取的信息包括: 1)电力系统信息,包括配电系统状态、低电量报警状态、锂电池系统状态、600 V失电状态、6 6个供电回路开关状态、个回路熔断器状态及变频器运行状态。2)动力系统信息,包括推进系统状态、电机实时转速、电机实时功率及电机温度。3)舵机系统信息,包括4个舵机(围壳舵、方

4 故障优先级自整定

故障诊断的方法有很多,Sun等[7]提出了一种高斯粒子滤波方法用于对船舶推进器进行故障诊Frank[8断, ]将故障诊断方法分为了基于模型分3析、基于信号处理和基于知识这 类。在故障诊断中,普通冲突消解策略[9]仅根据 向舵、左艉舵和右艉舵)的通信状态、卡舵状态、舵机温度信息及舵机电源信息。5)导航传感器工作状态信息,包括GPS工作状态、DVL工作状态、深度计工作状态、高度计工作状态及避碰声呐工作状态。6)舱室环境信息,包括舱室烟雾信息、舱室温度信息、舱室湿度信息及舱室漏水信息。7)轴系信息,包括轴系温度、轴系转速、轴系扭矩及推力轴承压力信息。8)AUV水下控制单元的通信状态信息,包括CAN以太网通信状态、串口通信状态及 总线通信状态。9)AUV位姿信息,包括纵倾角值、距水面深度值、离底高度值及避碰距离。10)应急处理的上浮效果信息。数据融合,即利用计算机对各种信息源进行处理、控制和决策的一体化过程[6],主要包括: 1 )应急单元和水下主控单元采用以太网信道通信时,具备失联后重连的功能。2 )应急单元对部分数据源的选择具备自主判断能力。以获取深度信息为例,将优先获取导航单元信息,其次为深度计信息。3 CAN )应急单元挂接于 总线上,可以根据CAN总线的收发心跳报文来监测其他总线上的通信单元状态。4)应急单元通信时具备一定的容错能力,允许信号恢复。5部分数据融合方式如图 所示。 故障概率对故障进行排序,忽视了故障验证时间对系统诊断效率的影响,有一定的局限性[10]。而故障树策略,即采用适当的逻辑门将顶事件、中间事件和底事件自上而下逐级连接起来构成的逻辑关系,虽然可以在系统管理和维修中有效指导故障分析、寻找故障原因、制定维修策略及故障预防[11] ,但并不适用于多故障并发且故障处理优先

AUV级动态变化的系统。 在航行过程中的故障AUV具有并发特性,且故障优先级会随着 位姿等状态变化,故宜采用基于故障优先级的诊断机制。正常工况下,需检测的故障分为设备故障A1、通 A2、舱 A3、轴系环境失信故障 室环境失常A4 A5 5常 和位姿超限 共 类。其中,设备故障包B1括电力系统故障 、舵机系统和推进系统故障B2、导航设备故障B3;通信故障包括控制器和设B4,CAN备之间的以太网通信故障 总线通信故障B5 B6。故障优先级分为4和串口通信故障 级,其1级故障最严重,需优先处理;4中 级故障最轻微,可视情处理。所有故障可以细分为近百种故障子1事件,典型的故障子事件如表 所示。 表 1 典型故障子事件Table 1 Typical fault events故障等级 故障子事件600 V失电故障、6个供电回路开关状态异常、6个回路熔断器熔断、变频器运行故障、围壳1 舵和双艉舵均通信故障、双艉舵卡舵导致下级故障潜、应急单元和水下主控单元的以太网和串口信道均不通、位姿超限、避碰距离超出安全范围配电系统故障、锂电池报警、推进系统故障、2级故障舱室环境失常、轴系环境失常低电量报警、单个舵机通信故障、导航传感器3 数据无效、水下主控单元和其它控制单元的级故障CAN以太网或 总线通信故障、水下数据未存储故障推进器高温报警、单个舵机高温报警、水下主4级故障控单元和应急单元的以太网通信故障 1级故障发生时,应急单元需立刻执行应急AUV快速上浮;2动作并保证 级故障发生时,应急单元需首先保障设备安全,对故障设备进行断电处理后再进行操舵上浮处理;3级故障发生时,应急单元需在设定的时间内等待故障消除和信号恢复,若无法消除故障则进行应急操舵上浮处理; 4级故障发生时,AUV改为低速航行并等待故障AUV。消除或等待水声干预指令回收AUV在应急处理使 快速上浮的过程中,应急单元将启动应急处理效果监测模块以监测应急执行的效果,同时定义新的故障子事件并对其分配优先级。一般将应急操舵上浮无效、操舵控制单1元与应急单元通信故障定义为 级故障,将应急单元与动力和电力系统控制单元通信故障定义为2级故障,将导航单元与应急单元通信故障、数据3存储单元与应急单元通信故障定义为 级故障。2若应急操舵上浮和气囊充气上浮这 种措施均无AUV 2m 0效,且 离地高度小于 ,则定义为 级故 障,即最危险的故障,此时应急单元将立即释放应AUV。急缆回收 AUV对于是否将 由正常工况切换至应急工况,应急单元会基于故障优先级进行决策。通过2仲裁切换模块可以实现主动和被动 种切换模式,若水下主控单元和应急单元的通信信道正常,则应急单元命令水下主控单元停止水下调度工作,改为由应急单元接管,此为主动切换;若水下主控单元和应急单元均检测出两者之间的主、备用信道故障,则水下主控单元先自行停止调度工作,应急单元随后自行接管,此为被动切换。

5 专家应急决策模型

为合理地应急决策,基于专家知识设计了专6),该模型由元知识库、用户家应急决策模型(图接口、专家知识库、推理机和数据库组成,可以针对输入故障输出应急决策结论。 元知识库代表单一的应急决策基础知识,例如深度超限时,基于元知识库仅能输出操舵上浮减小深度的应急决策,若同时出现舵机故障的情况,则将无法处理,故需同时调用专家决策规则库。依据专家知识所设计的决策规则如下: 1)规则1。如果双艉舵通信故障,且围壳舵和推进器工作正常,则操纵围壳舵和推进器进行上浮。2)规则2。如果艏倾纵倾角大于10°,且AUV 0,气深度持续快速增加,则将推进器转速设置为囊充气上浮。

5.1 应急决策初始动作

每种应急决策动作均可分解为若干步骤,例如初始动作、中间动作和最后动作,其中中间动作和最后动作是初始动作的进一步说明。例如,对于低电量报警故障,初始动作为进行应急操舵上浮决策,中间动作为决定操纵艉舵和围壳舵以及

Fig.1 图1 应急自救系统原理图Schematic of emergency self-rescue system

图3 应急自救系统功能流程图Fig.3 System functional flow chart of emergency self-rescue system

图4 应急处理机制Fig.4 Emergency handling mechanism

图2 应急执行机构Fig.2 System emergency actuators

图5 部分数据融合方式Fig.5 Partial data fusion mode

Fig.6 图6 专家应急决策模型Expert emergency decision-making model

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