【Paper】2021_The leaderless multi-AUV system fault-tolerant consensus strategy under heterogeneous co

news/2024/12/30 0:07:06/

Lin X, Tian W, Zhang W, et al. The leaderless multi-AUV system fault-tolerant consensus strategy under heterogeneous communication topology[J]. Ocean Engineering, 2021, 237: 109594.

文章目录

  • 1 Introduction
  • 2 Preliminaries and problem formulation
    • 2.1 Graph theory
    • 2.2 The AUV dynamic model
    • 2.3 Problem formulation
  • 3 Main results
  • 4 Numerical example

1 Introduction

Autonomous underwater vehicle (AUV)
fault-tolerant consensus control (FTCC)
partial loss of effectiveness (PLOE)
active faulttolerant consensus control (AFTCC)

2 Preliminaries and problem formulation

2.1 Graph theory

G p G_p Gp
V p V_p Vp
ε m n \varepsilon_{mn} εmn
N i ( G ( t ) ) N_i(G(t)) Ni(G(t))
V s Vs Vs
L ( G s ( t ) ) L(G_s(t)) L(Gs(t))
l s m n ls_{mn} lsmn

2.2 The AUV dynamic model

6-DOF (degree of freedom)
在这里插入图片描述

Shipbuilding and Marine Engineering (SNAME)
the International Pool Conference (ITTC)


This article selects the torpedo-like AUV to study, whose rolling impact on translational motion so small that the speed of rolling has been neglected in the passage. This Kinematics model shows in equation (2), and the Kinetics model expresses in equation (3), respectively.
译文: 本文选取鱼雷型AUV作为研究对象,其横滚对平动运动的影响很小,因此在航道中忽略了横滚的速度。该运动学模型如式(2)所示,动力学模型如式(3)所示。

η ˙ = J ( η ) v (2) \dot{\eta} = J(\eta) v \tag{2} η˙=J(η)v(2)

( M A + M R ) v ˙ + C R ( v ) v + Y ( v ) v + g M ( η ) = F T τ (3) (M_A + M_R) \dot{v} + C_R(v)v + Y(v)v + g_M(\eta) = F T_\tau \tag{3} (MA+MR)v˙+CR(v)v+Y(v)v+gM(η)=FTτ(3)

η i = [ x i , y i , z i , θ i , ψ i ] T ∈ R 5 \eta_i = [x_i, y_i, z_i, \theta_i, \psi_i]^{\text{T}} \in \R^5 ηi=[xi,yi,zi,θi,ψi]TR5 表示位置状态
v i = [ u i , v i , w i , q i , r i ] T ∈ R 5 v_i = [u_i, v_i, w_i, q_i, r_i]^{\text{T}} \in \R^5 vi=[ui,vi,wi,qi,ri]TR5 表示速度状态
J ( v ) J(v) J(v) 雅各比 Jacobian 矩阵
M R M_R MR 惯性矩阵 inertia matrix
M A M_A MA 额外的惯性矩阵 additional inertia matrix
C R ( v ) C_R(v) CR(v) 科里奥利矩阵 Coriolis matrix
Y ( v ) Y(v) Y(v) 阻尼和向心矩阵 the damping and centripetal matrix.
g M ( η ) g_M(\eta) gM(η) 是个向量,表示广义浮力和重力,这里等于 0
F T τ FT_\tau FTτ 是 AUV 的控制器输入


AUV 的模型可以转换为
[ η ˙ v ˙ ] = [ I 0 0 − M T − 1 ] [ J ( η ) v Q ( η , v ) ] + [ 0 M T − 1 γ ( ς ) ] F T τ \left[\begin{matrix} \dot{\eta} \\ \dot{v} \\ \end{matrix}\right] = \left[\begin{matrix} I & 0 \\ 0 & -M^{-1}_T \\ \end{matrix}\right] \left[\begin{matrix} J(\eta) v \\ Q(\eta, v) \\ \end{matrix}\right] + \left[\begin{matrix} 0 \\ M_T^{-1} \gamma(\varsigma) \\ \end{matrix}\right] FT_\tau [η˙v˙]=[I00MT1][J(η)vQ(η,v)]+[0MT1γ(ς)]FTτ

然后将标准非线性函数模型简化为

ς ˙ = f ( ς ) + g M ( ς ) ⋅ F T τ (5) \dot{\varsigma} = f(\varsigma) + g_M(\varsigma) \cdot FT_\tau \tag{5} ς˙=f(ς)+gM(ς)FTτ(5)

h = μ ( ς ) (6) h = \mu(\varsigma) \tag{6} h=μ(ς)(6)

ς = [ η T , v T ] T \varsigma = [\eta^\text{T}, v^\text{T}]^\text{T} ς=[ηT,vT]T
μ ( ς ) = η \mu(\varsigma) = \eta μ(ς)=η
M T = M A + M R M_T = M_A + M_R MT=MA+MR
f ( ς ) = [ f 1 ( ς ) f 2 ( ς ) ⋯ f 10 ( ς ) ] = [ I 5 0 0 − M T − 1 ] [ J ( η ) v Q ( η , v ) ] f(\varsigma) = \left[\begin{matrix} f_1(\varsigma) & f_2(\varsigma) & \cdots & f_{10}({\varsigma}) \end{matrix}\right] = \left[\begin{matrix} I_5 & 0 \\ 0 & -M^{-1}_T \\ \end{matrix}\right]\left[\begin{matrix} J(\eta)v \\ Q(\eta, v) \end{matrix}\right] f(ς)=[f1(ς)f2(ς)f10(ς)]=[I500MT1][J(η)vQ(η,v)]
g ( ς ) = [ g 1 ( ς ) g 2 ( ς ) ⋯ g 5 ( ς ) ] = [ 0 M T − 1 γ ( ς ) ] g(\varsigma) = \left[\begin{matrix} g_1(\varsigma) & g_2(\varsigma) & \cdots & g_{5}({\varsigma}) \end{matrix}\right] = \left[\begin{matrix} 0 \\ M^{-1}_T \gamma(\varsigma) \\ \end{matrix}\right] g(ς)=[g1(ς)g2(ς)g5(ς)]=[0MT1γ(ς)]
γ ( ς ) = [ γ i j ( ς ) ] ∈ R 5 × 5 \gamma(\varsigma) = [\gamma_{ij}(\varsigma)] \in \R^{5 \times 5} γ(ς)=[γij(ς)]R5×5


u = B ( ς ) + Γ ( ς ) F T τ (7) u = B(\varsigma) + \Gamma(\varsigma) FT_{\tau} \tag{7} u=B(ς)+Γ(ς)FTτ(7)

B ( ς ) = [ L f 2 h 1 ( ς ) L f 2 h 2 ( ς ) L f 2 h 3 ( ς ) L f 2 h 4 ( ς ) L f 2 h 5 ( ς ) ] T B(\varsigma) = \left[\begin{matrix} L_f^2 h_1(\varsigma) & L_f^2 h_2(\varsigma) & L_f^2 h_3(\varsigma) & L_f^2 h_4(\varsigma) & L_f^2 h_5(\varsigma) \end{matrix}\right]^\text{T} B(ς)=[Lf2h1(ς)Lf2h2(ς)Lf2h3(ς)Lf2h4(ς)Lf2h5(ς)]T
Γ ( ς ) = [ Γ i j ( ς ) ] = [ L k j L f h i ( ς ) ] ∈ R 5 × 5 \Gamma(\varsigma) = [\Gamma_{ij}(\varsigma)] = \left[\begin{matrix} L_{kj} L_f h_i(\varsigma) \end{matrix}\right] \in \R^{5 \times 5} Γ(ς)=[Γij(ς)]=[LkjLfhi(ς)]R5×5


x ˙ i = v i v ˙ i = u i (8) \begin{aligned} \dot x_i = v_i \\ \dot v_i = u_i \\ \end{aligned} \tag{8} x˙i=viv˙i=ui(8)


2.3 Problem formulation

引入 N N N 个 AUV,第 k k k 个 AUV 的动态表示为(9)
s ˙ k ( t ) = v k ( t ) v ˙ k ( t ) = u k o ( t ) (8) \begin{aligned} \dot s_k(t) = v_k(t) \\ \dot v_k(t) = u_k^\red{o}(t) \\ \end{aligned} \tag{8} s˙k(t)=vk(t)v˙k(t)=uko(t)(8)

u k o ( t ) u_k^\red{o}(t) uko(t) 表示 AUV 执行器的输出

考虑执行器出故障时,用下式表示
u k o ( t k ) = ρ i ( t k ) u i ( t k ) u_k^\red{o}(t_k) = \rho_i(t_k) u_i(t_k) uko(tk)=ρi(tk)ui(tk)

u i ( t k ) u_i(t_k) ui(tk) 是名义上的
ρ i ( t k ) \rho_i(t_k) ρi(tk) 是表示出现故障的对角矩阵,元素在(0,1)之间取值, r i k ( t k ) = 1 r_{ik}(t_k)=1 rik(tk)=1 表示无故障


L s ( G ( t ) ) Ls(G(t)) Ls(G(t)) 表示位置通信拉氏矩阵
L v ( G ( t ) ) Lv(G(t)) Lv(G(t)) 表示速度通信拉氏矩阵


3 Main results

分布式 FTCC 协议为:
u i ( t ) = χ i − 1 ( t ) u i h ( t ) u i h ( t ) = − k 1 ∑ j ∈ N i l s i j ⋅ s j ( t ) − k 2 ∑ j ∈ N i l v i j ⋅ v j ( t ) \begin{aligned} u_i(t) &= \red{\chi_i}^{-1}\red{(t)} ~\green{u_i^h(t)} \\ \green{u^h_i(t)} &= -k_1 \sum_{j\in N_i} ls_{ij} \cdot s_j(t) - k_2 \sum_{j\in N_i} lv_{ij} \cdot v_j(t) \\ \end{aligned} ui(t)uih(t)=χi1(t) uih(t)=k1jNilsijsj(t)k2jNilvijvj(t)

k 1 > 0 k_1 > 0 k1>0

χ i ( t ) \red{\chi_i(t)} χi(t):表示第 i i i 个 AUV 执行器的估计值
u i h ( t ) \green{u^h_i(t)} uih(t):表示理想控制器
u i o ( t ) u_i^o(t) uio(t):执行器的实际输出
u i e ( t ) u_i^e(t) uie(t):执行器的实际输出与理想输出的差值

如果 ρ i ( t ) = χ i ( t ) \rho_i(t) = \chi_i(t) ρi(t)=χi(t),那么 u i o ( t ) = u i h ( t ) u_i^o(t) = u_i^h(t) uio(t)=uih(t)


同时误差可以有如下描述:
u i e ( t k ) = u i o ( t k ) − u i h ( t k ) = ( ρ i ( t k ) − χ i ( t k ) ) ⋅ χ i − 1 ( t k ) u i h ( t k ) = ρ ~ i ( t k ) u i h ( t k ) \begin{aligned} u_i^e(t_k) &= u_i^o(t_k) - u_i^h(t_k) \\ &= (\rho_i(t_k) - \chi_i(t_k)) \cdot \chi_i^{-1}(t_k) u_i^h(t_k) \\ &= \tilde{\rho}_i(t_k) u_i^h(t_k) \\ \end{aligned} uie(tk)=uio(tk)uih(tk)=(ρi(tk)χi(tk))χi1(tk)uih(tk)=ρ~i(tk)uih(tk)

4 Numerical example

在这里插入图片描述

位置和速度通信拓扑图分别为 G 1 G_1 G1 G 2 G_2 G2
G 1 = [ 1 0 0 0 − 1 1 − 1 1 1 0 0 0 0 − 1 1 1 0 0 0 0 − 1 1 1 0 0 0 0 − 1 1 1 ] G_1 = \left[\begin{matrix} 1 & 0 & 0 & 0 & -\frac{1}{1} \\ -\frac{1}{1} & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & -\frac{1}{1} & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & -\frac{1}{1} & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & -\frac{1}{1} & 1 \\ \end{matrix}\right] G1=111000011100001110000111110001

G 2 = [ 1 0 0 0 − 1 1 0 1 0 − 1 1 0 − 1 1 0 1 0 0 0 0 − 1 1 1 0 0 − 1 1 0 0 1 ] G_2 = \left[\begin{matrix} 1 & 0 & 0 & 0 & -\frac{1}{1} \\ 0 & 1 & 0 & -\frac{1}{1} & 0 \\ -\frac{1}{1} & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & -\frac{1}{1} & 1 & 0 \\ 0 & -\frac{1}{1} & 0 & 0 & 1 \\ \end{matrix}\right] G2=101100010011001110011010110001


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