面向故障容错 AUV 轨迹跟踪的自适应 Lyapunov 约束 MPC
系统与控制
2025-09-23 v1 系统与控制
摘要
自主 underwater 车（AUV）在任务执行过程中可能遭受多种故障，这对 AUV 在真实环境下的控制与运行构成挑战。本文针对 AUV 在推力故障下的故障容错轨迹跟踪问题进行了研究。我们提出了一种自适应 Lyapunov 约束模型预测控制（LMPC），保证在 AUV 在故障模式与正常模式之间切换时，轨迹跟踪具有稳定性。具体地，我们对不同的 AUV 推力故障进行建模，并基于贝叶斯方法构建在线故障识别机制。这有助于实现 AUV 状态的柔性切换，将识别到的并更新的 AUV 故障模型输入 LMPC 控制器用于控制律的推导。LMPC 中的 Lyapunov 约束确保在 AUV 状态转换期间，轨迹跟踪控制保持稳定，从而缓解 AUV 推力发生或恢复时可能出现的严重甚至致命的波动。我们在四推力平面 AUV 上进行数值仿真，结果表明该方法在四种推力故障类型之间实现了平滑过渡，轨迹跟踪误差低于基准自适应 MPC 和反步控制方法，后者具有快速故障识别和故障适应能力。
引用
@article{arxiv.2509.17237,
title = {Adaptive Lyapunov-constrained MPC for fault-tolerant AUV trajectory tracking},
author = {Haolin Liu and Shiliang Zhang and Xiaohui Zhang and Shangbin Jiao and Xuehui Ma and Ting Shang and Yan Yan and Wenqi Bai and Youmin Zhang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.17237},
year = {2025}
}