水下机器人可重构控制系统可靠性分析研究

Autonomous underwater vehicles often work in complex ocean environment, the unknown and variable external factors demand for high reliability of vehicles. And the reliability of the control system which is the core unit has become one of the most important indexes of underwater vehicles, which would affect the quality of work and even affect the survivability of underwater vehicles directly. Thus the reliability of underwater vehicles’ control system needs to be evaluated and predicted to find the weakness in reliability and then improve it, which means a lot in engineering application of underwater vehicles. In this project, aiming at the flexible and reorganizable control system, methods of predicting and evaluating the reliability of hardware and software system are discussed. The reliability model of distributed and reorganizable software system based on generalized random Petri network is built, and grey system theory is used to predict the reliability of hardware with poor-information. Then the integral reliability model of control system is established by considering both hardware and software factors, to evaluate the reliability of executing set function and completing task, which provides necessary support for designing high reliable control system.

自主式水下机器人往往运行于复杂的海洋环境，未知多变的外界因素要求机器人自身具有高度的可靠性。作为核心单元的控制系统，其可靠性已成为衡量水下机器人技术的重要指标之一，将直接关系到水下机器人任务完成的质量，甚至会影响到水下机器人的生存能力。因此，进行水下机器人控制系统的可靠性分析，以便发现可靠性薄弱环节，进而采取相应补救措施来提高系统可靠性，对水下机器人的工程化应用具有极其重要的意义。本项目针对具有柔性可重构功能的自主式水下机器人控制系统，研究其硬件系统及软件系统的可靠性预测评估方法。基于广义随机Petri网建立分布式可重构软件系统可靠性模型，采用灰色系统理论进行贫信息条件下硬件可靠性预测，在此基础上同时考虑软硬件两方面因素建立控制系统可靠性一体化模型，解决任务差异和系统重构造成的控制系统可靠性评估难题，综合地评价其执行设定功能或完成任务的可靠程度，为设计高可靠性的控制系统提供必要的支持。

我国是海洋大国。承担积极发展海洋经济重要角色的智能水下机器人往往运行于复杂海洋，其可靠性关乎任务完成的质量，甚至其生存能力。而且可靠性也是国内水下机器人技术与国际领先水平之间差距的一个重要方面。因此，对水下机器人控制软硬件系统的可靠性进行有效评估预测成为本项目研究的课题。项目主要针对水下机器人控制系统的软件和硬件进行了可靠性分析，并在此基础上对水下机器人软硬件控制系统整体可靠性进行评估。整个研究可分为四部分：一、首先进行嵌入式控制系统软件测试，由Logiscope提供的质量模型从质量度量元级、质量标准级和质量因素级对应用程序的质量进行评价。给出相应表格和饼状图检测结果。二、基于随机Petri网的可靠性分析，主要是基于马尔可夫链的状态分布对水下机器人软件控制系统的可靠性进行分析。采取随机Petri网模型基本结构的化简和瞬时状态的层次压缩方法来缓解状态空间爆炸，在给定水下机器人软件网络条件，对系统分解和基本结构化简来对系统进行可靠性分析。三、基于灰色理论的基本原理进行灾变预测。并给出预测结果和相应的准确程度。四、研究了蒙特卡罗方法评估控制系统可靠性的应用，探讨了该方法的收敛判据，提出了操作流程，基于非序贯概率仿真给出相应的可靠性评估结果。研究了改进的抽样算法原理及其应用，对常规抽样、等分散抽样、重要抽样和改进抽样方法的计算结果进行了比较分析。结合两个算例的可靠性评估图表结果，在相同的抽样次数条件下所提出的改进的抽样方法综合了等分散抽样和重要抽样的优点，收敛特性优于前三种方法，且稳定性最好。对水下机器人软硬件控制系统的整体可靠性评估提供了参考和依据。