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

2018-12-01 -

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