Adaptive Fault-tolerant Control of Underwater Vehicles with Thruster Failures

要約

この論文では、スラスタ障害に対する自律的な水中車両（AUV）の軌道追跡のための断層耐性制御を提示します。
UAVミッション中の離散スイッチングイベントとしてAUVスラスターの障害を策定し、障害シナリオ全体で制御戦略のシフトを促進する際にソフトスイッチングアプローチを開発します。
AUVスラスター障害シナリオを数学的に定義し、ベイジアンアプローチを介して障害シナリオをキャプチャする断層耐性制御を開発します。
特に、AUV障害タイプがある場合、開発されたコントロールが障害状態をキャプチャし、線形の二次追跡コントローラーによってコントロールを維持します。
ベイジアンアプローチによる捕獲された断層状態を使用すると、ベイジアン後部の確率によって重み付けされた個々の障害シナリオの制御出力を集約することにより、制御法を導き出します。
開発された障害耐性制御は、適応的な方法で機能し、障害シナリオ全体でソフトスイッチングを保証し、異なるタイプの障害に特化した複雑な障害検出を必要としません。
耐えられるソフトスイッチングにより、障害タイプが変化すると安定したAUV軌道追跡が保証されます。これは、ハードスイッチング制御戦略の下で制御が減少することにつながります。
多様なAUVスラスター障害設定で数値シミュレーションを実施します。
結果は、提案されたコントロールがスラスター障害全体でスムーズな遷移を提供し、スラスタ障害と障害シフトの場合にAUV軌道追跡制御を効果的に維持できることを示しています。

要約(オリジナル)

This paper presents a fault-tolerant control for the trajectory tracking of autonomous underwater vehicles (AUVs) against thruster failures. We formulate faults in AUV thrusters as discrete switching events during a UAV mission, and develop a soft-switching approach in facilitating shift of control strategies across fault scenarios. We mathematically define AUV thruster fault scenarios, and develop the fault-tolerant control that captures the fault scenario via Bayesian approach. Particularly, when the AUV fault type switches from one to another, the developed control captures the fault states and maintains the control by a linear quadratic tracking controller. With the captured fault states by Bayesian approach, we derive the control law by aggregating the control outputs for individual fault scenarios weighted by their Bayesian posterior probability. The developed fault-tolerant control works in an adaptive way and guarantees soft-switching across fault scenarios, and requires no complicated fault detection dedicated to different type of faults. The entailed soft-switching ensures stable AUV trajectory tracking when fault type shifts, which otherwise leads to reduced control under hard-switching control strategies. We conduct numerical simulations with diverse AUV thruster fault settings. The results demonstrate that the proposed control can provide smooth transition across thruster failures, and effectively sustain AUV trajectory tracking control in case of thruster failures and failure shifts.

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