执行机构故障的多水下无人航行器容错一致控制方法研究
摘要
本文以多水下无人航行器系统编队执行资源勘探等任务为应用背景，以多水下无人
航行器作为研究对象，考虑当单艘或多艘水下无人航行器执行机构出现故障时，如何通
过多水下无人航行器系统协调层设计容错一致协调控制率，使得多航行器系统不会受到
执行机构故障影响仍可以协调达到最终一致控制效果。论文结合多水下无人航行器系统
结构特点，以多智能体线型二阶积分模型为基础，运用基于微分几何的精确反馈线性化
方法构建了多航行器协调控制系统。在弱通信限制、外部扰动限制以及航行器信息交换
及数据处理能力限制等通信约束条件下，分别从基于事件触发机制的被动容错角度和基
于故障诊断技术的主动容错角度出发，解决在特定通信拓扑环境中多水下无人航行器容
错一致性控制问题。本文主要研究内容分为以下几个部分：
首先，考虑无领航者模式下一艘或多艘航行器执行机构发生故障情况，通过低增益
反馈控制技术处理多水下无人航行器执行机构输入饱和受限问题，在航行器协调层设计
自适应事件触发被动容错一致控制器。对于水声信道不稳定问题，本文构造了异构有向
强连通通信拓扑结构以及异构马尔可夫随机切换拓扑结构，提出了多航行器自适应事件
触发被动容错一致协调控制方法，经证明所构造的控制器在运行过程中没有出现芝诺行
为。应用李雅普诺夫稳定性理论和矩阵论，分析并求得多水下无人航行器系统容错一致
控制能够实现稳定收敛的充分条件。当某些航行器执行机构发生故障时，通过容错一致
协调控制算法不断调整，各个航行器的空间位置及运动状态信息随时间推移能够趋于一
致，表明多水下无人航行器系统的稳定一致收敛没有因为执行机构故障而产生不良影响。
其次，受机器人执行机构故障诊断技术启发，考虑到无领航者模式下多航行器系统
某些航行器执行机构发生故障，在系统协调层提出了多航行器主动容错一致控制算法。
该算法主要包含三部分：一是可以重新调配的一致性控制器；二是一个执行机构故障诊
断单元，用于估计航行器的故障程度；三是航行器执行机构控制器重新配置机制。同样，
针对通信资源受限、水声信道不稳定等问题，本文考虑算法在异构有向强连通网络通信
拓扑以及异构压缩网络通信拓扑下的多航行器容错一致协调控制方法的有效性。仿真结
果显示基于反馈线性化的无领航者多水下无人航行器系统可以一致收敛且保持稳定状
态，表明多航行器系统能够协调完成容错一致控制任务。
最后，针对虚拟领航模式下多航行器整体系统中一艘或多艘航行器执行机构发生故
障情况，提出了主动容错一致控制算法。算法设计机理与上一部分相同，应用李雅普诺
哈尔滨工程大学博士学位论文
夫稳定性引理，分析并求得虚拟领航模式下多水下无人航行器系统主动容错一致控制够
实现稳定一致收敛的充分条件。考虑多航行器系统在异构无向网络通信拓扑以及异构无
向切换网络通信拓扑情况下算法的有效性，探索并分析了系统整体一致控制效果。仿真
结果表明对于多航行器系统在虚拟领航模式下所提出的主动容错一致协调控制算法，可
以使得各个航行器的空间位置状态信息以及运动状态信息随时间推移趋于虚拟领航者
状态，尤其是当某艘水下无人航行器执行机构出现严重故障情况下，系统中相对健康的
航行器仍可一致收敛，并不会受到严重故障的航行器运动状态信息的负面影响。以上研
究内容表明，文中所提出的通信拓扑结构以及协调控制器可以保证多航行器系统整体的
稳定性与鲁棒性。
关键词：
水下无人航行器；通信约束；执行机构故障；被动容错一致控制；主动容错一致控制
执行机构故障的多水下无人航行器容错一致控制方法研究
ABSTRACT
Thisresearchisconductedontheapplicationbackgroundofmulti-autonomous
underwatervehiclesystemsformationtoperformresourceexploitationandothertasks.This
researchaimstodesignfault-tolerantandconsistentcoordinationcontrollawsthroughth