自适应事件触发的网络化无人水面舰艇动力定位与故障检测

Unmanned surface vehicles (USVs) have found their applications in scientific characterization, oil and pollution clean-up, and military operations. Dynamic positioning technique can keep the positions of marine vehicles automatically without utilizing an anchor system. However, the occurrence of dynamic positioning propeller faults is inevitable. Then it is significant to investigate the dynamic positioning and propeller fault detection for networked USVs. By taking network-induced characteristics in USV dynamic positioning systems into full consideration, this project will propose the adaptive event-triggering mechanism-based co-design of dynamic positioning controller and fault detection filter for USV dynamic positioning systems: 1) The positive effects of network-induced delays and data drift are taken into account to establish dynamic positioning system models for USVs, and appropriate controller design schemes are proposed to reduce the position and yaw angle deviations; 2) The combined accumulated errors and mid period sampling-based adaptive event-triggering mechanism is proposed to reduce the communication network bandwidth occupation of dynamic positioning systems; 3) The case that premise variables and the corresponding fuzzy membership functions of sensors are different from those of the control station is taken into account to establish a T-S fuzzy model-based dynamic positioning system for USVs. Then the dynamic positioning controller and fault detection filter are co-designed with the fast detection of propeller faults being achieved. Finally, dynamic positioning experiments are developed to verify the merits of the derived theoretical results. This project is a perfect combination of networked control theory and industrial applications.

无人水面舰艇广泛应用于科学试验、海洋污染物清理及军事活动等。动力定位技术可以不用锚系自动保持舰艇位置，但动力定位推进器会不可避免地发生故障，因而开展网络化无人艇动力定位及推进器故障检测研究具有重要的意义。充分考虑无人艇动力定位系统的网络特性，本项目将提出基于自适应事件触发机制的无人艇动力定位控制器与故障检测滤波器协同设计方法：1）在考虑时延及数据漂移的积极影响的基础上建立无人艇动力定位系统模型，并通过合适的控制器设计减小船位、艏向偏差；2）提出基于累积误差与期中采样的自适应事件触发机制以减小动力定位系统对网络带宽的占用；3）在考虑传感机构与控制中心之间的前件变量及相应的模糊隶属函数的差别的基础上，建立基于T-S模糊模型的无人艇动力定位系统模型，并协同设计动力定位控制器与故障检测滤波器，实现推进器故障快速检测。最后，开展动力定位实验以验证理论成果。本项目是网络控制理论与工业应用的有益结合。

无人水面舰艇可广泛应用于军事活动、科学试验、潜水支援等。动力定位技术可以不用锚系而自动保持舰艇位置，但动力定位推进器会不可避免地发生故障，因而开展无人艇动力定位及故障检测研究具有重要的意义。本项目在控制系统的框架内考虑通信问题，实现无线网络环境下的无人艇高精度动力定位与快速故障检测。项目的主要研究内容及取得的重要结果包括：针对具有未知强耦合和执行器故障的互联非线性系统的分散事件触发容错控制问题，提出了一种新的分散自适应控制方案，以便使各子系统的输出能够跟踪目标轨迹；考虑固定与切换通讯拓扑结构的影响，为多无人艇系统构造了一个网络化多操作点协同动力定位控制协议以及相应的系统模型，并提出了动力定位控制方案；针对网络环境下质量切换无人艇的事件触发动力定位问题，建立了质量切换无人艇的切换动力定位系统模型，并提出了一种考虑切换特性的加权事件触发通信方案；基于多智能体深度确定性策略梯度算法，提出一种多无人艇目标围捕算法；提出一个考虑了切换拓扑的分布式扩张状态观测器，实现多无人艇在切换交互拓扑下的协同目标跟踪；针对具有速度限制与推进器故障的动力定位舰艇，研究了其轨迹跟踪控制问题；针对具有执行器故障的异构多智能体系统的协同输出调节问题，提出了一种新的双层分布式控制策略；提出一种无人艇航迹跟踪系统及方法、风浪干扰作用下的无人艇航向保持装置和方法；针对具有未知前件变量和外界干扰的T-S模糊系统的输出反馈控制问题，提出了一种基于观测器的H∞控制器设计方法；针对受外部干扰和误差约束的欠驱动无人艇，引入反步法和动态表面控制技术，研究了其轨迹跟踪控制问题；针对由T-S模糊模型描述的连续时间非线性系统，提出了基于降阶观测器的控制器综合方法。综上所述，针对无人水面舰艇动力定位的研究不仅具有显著的科学意义，而且具有重要的工程应用需求。