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基于非线性滤波的UUV系统故障诊断方法研究

摘要

故障诊断技术能为水下无人航行器（UnmannedUnderwaterVehicle，UUV）在复杂

多变的水下环境中实现自主、智能可持续的水下任务提供有力保障，拓展UUV在海洋

勘探、资源利用和环境监测等领域的应用前景。本论文旨在研究基于滤波器的故障诊断

方法，以实现对UUV系统传感器和执行机构的故障检测与定位。本文的主要研究内容

有：

首先，对UUV故障诊断任务的应用背景和研究现状进行介绍，剖析UUV故障检

测与诊断的理论框架及其决策逻辑。为了更好地结合UUV的结构和性能特点设计出准

确的滤波器，建立UUV五自由度运动模型。分析UUV常见传感器和执行机构的故障

的内在诱因，实现UUV典型故障表征。阐述非线性滤波算法的基本原理，为设计适应

于UUV非线性特性的故障诊断方法提供理论基础和技术路线。

其次，研究基于扩展卡尔曼滤波的UUV传感器故障检测方案。针对残差直接阈值

检验法在水下传感器中，噪声与故障的辨识能力弱的缺点，引入残差协方差矩阵，设计

适用于卡方检验的故障评价函数，确定故障的发生。为了快速辨识故障传感器，采用相

互关联的状态变量融合检检测，决策出水下传感器具体自由度的故障。为缩短残差矩阵

卡方检验法对小幅度，缓变故障检测效果的迟滞时间，使用一种基于残差矩阵最大特征

值的缓变故障检测算法，仿真表明算法的优化会明显提高对缓变故障诊断的及时性和准

确性。

再次，针对粒子滤波在UUV执行机构故障检测中，由于粒子退化而导致估计错误

的问题。采用一种具有自适应变异概率的遗传粒子滤波算法，对低权重粒子进行遗传算

法的交叉与变异操作来促进低权重粒子向高概率区域移动，为UUV执行机构的故障诊

断提供更精确的状态估计结果。根据UUV的执行机构配置，扩展UUV五自由度空间

运动方程，建立能够估计UUV执行器控制力（矩）损失的故障模型。并使用预定义的

阈值来检执行机构是否发生故障。考虑到控制信号变化率较高时，较大的估计推力（矩）

变化会误判为执行机构故障而增加阈值确定的难度，引入控制量的影响改进修正贝叶斯

算法来分析输入的损失程度。并通过执行机构故障仿真验证算法在UUV闭环控制时检

测出执行机构故障的可行性。

最后，针对UUV传感器故障和执行机构的故障区分的难题，使用一种基于多传感

器信息与控制信号融合的系统级故障检测策略。通过UUV相互关联状态的不同传感器

哈尔滨工程大学硕士学位论文

残差变化趋势的一致性和控制器指令系统响应的相似性两个标准，诊断UUV的故障是

否存在于水下传感器或是执行机构。为了量化检测指标，实现对UUV系统执行机构故

障更精确的定位，设计一种多模型似然概率比的故障辨识方法。计算自适应遗传粒子滤

波器对UUV正常模型和各执行机构故障模型估计出的状态，与实际观测值之间的似然

概率的比值，决策出UUV的具体故障执行机构。仿真结果表明，多模型似然概率比得

方法对于不同类型的UUV执行机构故障具有较好的区分度。按照本文所设计的基于非

线性滤波方法的UUV系统故障辨识流程，UUV控制系统可以有效地进行故障检测和辨

识。

关键词：水下无人航行器；故障诊断；非线性滤波；执行机构；水下传感器

基于非线性滤波的UUV系统故障诊断方法研究

Abstract

FaultdiagnosistechnologycanprovideastrongguaranteeforUnmannedUnderwater

Vehicle(UUV)toachieveautonomous,intelligentandsustainableunderwatertasksinintricate

andvariableaquaticenvironments,expandtheapplicationprospectsofUUVinmarine

exploration,resourceutilizationandenvironmentalmonitoring.Thisp