①课题来源与背景 本课题主要依托于国家自然科学基金项目1项、教育部博士点基金项目1项、高技术船舶项目1项，某部预研项目1项。 水下机器人是海洋探测与开发的重要工具，也是海军国防的重要装备。其中自主式水下机器人（AUV）以无人无缆模式工作在复杂的海洋环境中，安全性是其基本要求，在线故障诊断与容错控制技术是保障AUV安全性的基础和关键技术，机电控制抛载和纯物理机械抛载组合的多模式抛载技术则可以保证在紧急情况下，AUV可抛载上浮，实现自救。 ②研究目的与意义 本课题围绕AUV故障诊断、容错控制以及安全自救问题开展研究，为提高海洋环境中AUV以及其它水下作业装备的安全性与可靠性提供理论与技术支撑。通过本课题的研究，获得复杂海洋环境干扰抑制及AUV故障特征增强方法，AUV传感器故障检测方法，解决AUV推进器弱故障检测与故障程度辨识问题，提出适应于欠驱动AUV的主动式容错控制方法，研制多种触发模式的深海AUV抛载自救系统，提高其水下实验研究、工程应用的可靠性和安全性，减小由于机器人故障、抛载自救能力不足导致的机器人丢失的可能性，避免不必要的经济损失及造成的不良社会影响，加快自主式水下机器人的实用化进程。 ③主要论点与论据 针对复杂海洋环境持续海流干扰及随机涡旋干扰等问题，本项目采用特征提取、融合检测等过程对含有外部随机干扰影响的AUV导航传感器故障进行诊断，并基于主元分析方法实现外部持续干扰影响下的推进器故障诊断，有效抑制了干扰，提高了检测数据的可靠性。 针对AUV 推进器故障检测和分离困难、且难以准确获得故障程度的问题，本项目采用定量信息定性化、模糊支持向量域等过程对含有外部随机干扰影响的AUV推进器故障进行诊断，并基于三维曲面拟合方法实现推进器故障程度辨识，为后续的主动容错控制器提供了更多的故障信息。 针对AUV推进器故障容错控制问题，本项目提出基于推力分配、不同功率执行器间使用优先等级、自适应容错以及广义不确定性项在线估计等方法的伪逆二次规划容错控制方法，有效地实现了AUV在推进器一定故障程度下的安全运行。 针对AUV发生严重故障，无法完成作业的情况，本课题提出考虑多种触发模式的抛载自救策略，发明了机电混合控制抛载与纯物理机械结构抛载结合的抛载自救系统。通过百余次海上实验100%的抛载成功率，验证了装置的可靠性。 ④创见与创新 本课题系统地开展了海洋环境中自主式水下机器人故障特征提取与故障检测技术、故障模式识别与故障程度辨识技术、容错控制技术、安全性技术等核心内容的研究工作，形成的成果已用于我国的智水系列水下机器人上。课题的创新点概述如下： （1）实现了模糊定性状态转换，过滤了系统奇异行为分支，检测出了故障程度较小的AUV推进器弱故障，通过降低固有模态函数矩阵维数，增大故障特征值与噪声特征值的差值和比值，提高传感器故障信号奇异点定位精度，增强观测残差对传感器故障的敏感度，实现融合故障特征对故障部件的一致性描述。 （2）重构了AUV故障传感器信号，提高了AUV推进器故障程度辨识精度，提高故障模式分类器的分类准确率，为复杂海洋环境下AUV故障诊断提供理论基础与技术支撑。 （3）解决了舵桨联控式AUV推进器推力分配问题，基于故障程度的指数等级因子方法确定推进器使用优先等级，为舵桨联控式AUV容错控制方法探索了一种新途径；将推进器故障视为一种不确定性项，为全驱动型AUV推进器自适应容错控制提供了一种新思路。 （4）研制了具有多模式抛载功能的深水AUV安全自救装置，形成了具有自主知识产权的机电混合控制抛载机构及纯物理机械超深抛载机构及超时抛载机构，降低了系统功耗、填补了AUV系统失电状态下的抛载技术的空白，提高了机械式抛载的精度，为保证AUV系统安全性，加快AUV实用化进程提供了技术基础。 ⑤社会经济效益，存在的问题 本项目研究获得的弱故障检测与故障程度辨识技术可以有效地区分故障与信号的耦合，预防故障恶化，避免部件或系统失效带来的生产效率的降低和生产成本的增加，同时，其诊断结果可以为系统运行、维护、维修提供有益的指导，为故障预测和健康管理提供参考。 该技术已成功应用于大庆油田深井探测装备的故障检测，军用水下探测ROV状态监测，节支总额超过800万元，同时，在本课题研究成果支撑下，近三年来本单位获得直接效益500余万元。 本项目发明的水下应急抛载技术作为水下机器人安全性的重要保障措施，已得到了实践检验。其在AUV外场试验过程中，120余次100%的抛载成功率验证了该技术的可靠性，并且在2次AUV失联情况下，成功抛载，为避免价值千万元的AUV系统丢失起到关键性作用，实现了其自身价值，具有显著的社会效益。 存在问题：应进一步拓展该技术在民用领域中应用。

哈尔滨工程大学

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