CN103869807A - 小型水下机器人故障诊断装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型水下机器人的故障诊断装置，由传感器系统、嵌入式控制器、光端机及水面监控系统连接而成；传感器系统中的各传感器与嵌入式控制器的信号输入端通过信号传输线连接，嵌入式控制器通过光纤与光端机的信号输入端连接，光端机的输出端与水面监控系统连接。本发明弥补了有关水下机器人故障诊断的空白，提供了一种能有效的检测、隔离小型水下机器人故障的装置。

Description

小型水下机器人故障诊断装置

技术领域

本发明涉及一种水下机器人状态监控技术，特别涉及一种水下机器人故障诊断装置。 

背景技术

海洋是人类发展的四大战略空间(陆、海、空、天)中继陆地之后的第2大空间,是生物资源、能源、水资源和金属资源的战略性开发基地,是最有发展潜力的空间,对我国经济与社会发展产生着直接、巨大的支撑作用。作为人类探索和开发海洋的助手,水下机器人特别是无人水下机器人UUV(Unmanned Underwater Vehicle)将在这一领域发挥重要作用。 

公开号为CN1709766的专利，介绍了一种浮力和推进器双驱动方式远程自治水下机器人，用于海洋水下工程技术领域。该发明包括：机器人主体，一对主翼，一对推进器和垂直尾翼，机器人主体的外部是整流用的透水壳，主翼和垂直尾翼具有低流体阻力翼型，主翼设置于透水壳后部，对称分布于透水壳左右两侧，垂直尾翼设置于透水壳尾部，在透水壳的垂直对称面内。推进器设置在主翼的外侧。该发明具有推进器驱动和浮力驱动两种驱动方式，在浮力驱动模式下依靠浮力和重心的调节产生推力和控制运动方向，具有高的续航能力，在推进器驱动模式下依靠推进器产生推力，依靠左右推进器的推力差和重心调节控制运动方向，具有高机动能力。 

美国专利号为US5995992的专利公开了一种用于海洋科学测量与搜索的6英尺长，直径为13英寸的自治水下机器人。介绍了它的计算机系统，I/O口，水下浮力，回收框架，电池动力，高速串口，实时数据采集及其控制系统的设计。 

以上发明专利均是有关无人水下机器人装置的设计，但由于海洋深处工作环境的复杂性，不可预测性，水下机器人一旦出现故障，不仅机器人无法完成水下作业任务，而且机器人本身也难以回收，损失巨大。因此其可靠性技术研究与设计十分关键。而直接服务于水下机器人可靠性控制技术的研究几乎还是空白，小型无人水下机器人的故障检测与隔离技术的研究未见任何专利公开。 

发明内容

本发明的目的，就是为了解决上述问题而提供了一种水下机器人系统的故障检测与隔离装置。 

本发明的目的是这样实现的： 

本发明的一种小型水下机器人故障诊断装置，包括传感器系统、嵌入式控制器、光端机及水面监控系统，所述传感器系统包括设置于水下机器人上，用以测量水下机器人在水中的深度，并将测得的深度数据转变为深度电压信号的深度传感器；用以测量水下机器人的航行速度，并将测得的航行速度数据转变为速度电压信号的速度传感器；用以测量水下机器人的水下姿态，并将测得的方向数据转变为姿态电压信号的姿态传感器；用以测量水下机器人前视环境，并将测得的图像数据转变为电压信号的声纳传感器；用以测量水下机器人周围环境，并将测得的图像数据转变为电压信号的光学成像传感器；用以测量水下机器人电池组状态，并将电池组状态数据转变为电压信号电池监控传感器；用以测量水下机器人推进器转速，并将推进器转速数据转变为电压信号的推进器监控传感器； 

所述嵌入式控制器设置在水下机器人上，该嵌入式控制器的信号输入端与所述深度传感器、速度传感器、姿态传感器、声纳传感器、光学成像传感器、电池监控传感器、推进器监控传感器信号连接，以接收所述深度传感器、速度传感器、姿态传感器、声纳传感器、光学成像传感器、电池监控传感器、推进监控传感器发送过来的深度电压信号、速度电压信号、姿态电压信号、声纳电压信号、光学电压信号、电池状态电压信号、推进器状态电压信号。该嵌入式控制器内部设有用以驱动传感器信号传输任务的通信模块； 

所述光端机为一对装置，分别设置在水面母船和水下机器人上，两个光端机之间通过光纤连接，通过RS-485串口通信实现数据传输；水下机器人上的光端机输入端与嵌入式系统输出端连接，水面母船上的光端机输出端与水面监控系统连接，保证水下传感器信息传输到水面监控系统； 

所述水面监控系统设置在水面母船上，该水面监控系统内部设有传感器信号传输任务的通信模块﹑利用传感器历史数据进行训练并对水下机器人进行故障检测隔离的主元分析CMAC-PCA模块﹑实现水下机器人系统故障检测的传感器信号平方预期误差SPE计算模块、完成水下机器人系统故障隔离的传感器信号平方预期误差SPEi计算模块。 

上述的一种小型水下机器人故障诊断装置，其中，所述嵌入式控制器包括有信号放大滤波模块﹑与信号放大滤波模块电路连接的A/D转换器、多路开关模块、串行通信口及微处理器，所述多路开关模块输入端与各深度传感器、速度传感器、姿态传感器、声纳传感器、光学成像传感器、电池监控传感器、推进监控传感器连接，所述多路开关模块输出端与信号放大滤波模块电路输入端连接，A/D转换器信号输入端与信号放大滤波模块电路的输出端连接，所述微处理器与A/D转换器信号输出端连接，并与串行通信口连接。 

上述的一种小型水下机器人故障诊断装置，其中，所述水面监控器包括故障数据显示模块﹑DSP硬件电路接口模块﹑串行通信口﹑供电电源、控制开关，所述供电电源给整个装置供电，DSP硬件电路接口模块的输入端通过串行通信口与水下机器人信号预处理器连接，输出端接故障数据显示模块。 

上述的一种小型水下机器人故障诊断装置，其中，所述DSP硬件电路接口模块，包括DSP系统电源电路﹑时钟与复位电路﹑液晶显示接口电路；所述DSP硬件电路接口模块的芯片为数字信号处理器。 

上述的一种小型水下机器人故障诊断装置，其中，所述故障数据显示模块包括一液晶显示器，所述液晶显示器为可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能的显示器。 

上述的一种小型水下机器人故障诊断装置，其中，所述DSP硬件电路接口模块的输出端与故障数据显示模块连接，液晶显示器模块显示传感器平方预期误差SPEi和具体的故障传感器标识。 

根据上述技术方案得到的本发明弥补了有关水下机器人故障检测与隔离的空白，提供了一种水下机器人故障诊断装置。本发明具有以下优点： 

1.用主元分析CMAC-PCA对水下机器人状态信号进行处理，利用状态信号的历史数据对PCA进行训练，利用训练后的PCA模型进行未来时刻水下机器人信号重构预测；计算水下机器人系统的平方预期误差SPE，寻找水下机器人系统的平方预期误差SPE分布与其故障状态间存在映射关系； 

2.分别用水下机器人某个部件i的状态重构值代替下一时刻该部件的实测信号，其它部件仍用实测信号，将各部件下一时刻的实测信号与重构预测信号相减，差值平方求和得到水下机器人对该部件i的平方预期误差SPEi，实现水下机器人系统的故障隔离，并提供一种实用的水下机器人系统故障诊断方法与装置。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图； 

图2为本发明中DSP系统电源电路的原理图； 

图3为本发明中的时钟与复位电路原理图； 

图4为本发明中的液晶显示接口电路图； 

图5为本发明的工作原理流程图。 

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明作进一步说明。 

参看图1，一种小型水下机器人故障诊断方法与装置，由水下机器人传感器系统1、嵌入式控制器2、光端机3、水面监控系统4连接而成。水下机器人传感器系统1包括有深度传感器11﹑速度传感器12、姿态传感器13、声纳传感器14、光学成像传感器15、电池监控传感器16、推进监控传感器17及信号传输线；深度传感器11﹑速度传感器12、姿态传感器13、声纳传感器14、光学成像传感器15、电池监控传感器16、推进监控传感器17与嵌入式控制器2的信号输入端通过信号传输线连接。嵌入式控制器2的信号输出端与光端机31（水下部分）连接，光端机31输出端与光端机32（水面部分）连接，光端机31与光端机32之间通过485串行光纤通讯线连接；光端机32的输出端与水面监控系统4的信号输入端连接。 

嵌入式控制器2密封于水下机器人载体中，包括有信号放大滤波模块﹑与信号放大滤波模块电路、A/D转换器、多路开关模块、485串行通信口及微处理器，多路开关模块输入端与各信号传感器连接，所述多路开关模块输出端与信号放大滤波模块电路输入端连接，A/D转换器信号输入端与信号放大滤波模块电路的输出端连接，所述微处理器与A/D转换器信号输出端连接，并与485串行通信口连接。 

光端机3,包括密封于水下机器人载体中的光端机31和水面母船上的光端机32，两者通过光纤连接，采用RS-485串口通信方式传送水下机器人的传感器信号； 

水面监控系统3，包括故障数据显示模块﹑DSP硬件电路接口模块﹑485串行通信口﹑供电电源、控制开关，所述供电电源给整个装置供电，DSP硬件电路接口模块的输入端通过485串行通信口与水下机器人信号预处理器连接，输出端接故障数据显示模块。 

水面监控系统3中，还包括一故障传感器的隔离模块，所述隔离模块与DSP硬件电路接口模块的输出端连接，该隔离模块分别用某个传感器i的重构值代替下一时刻该传感器的实测信号，其它两传感器仍用实测信号，将各传感器下一时刻的实测信号与重构预测信号相减，差值平方求和得到水下机器人对该传感器i的平方预期误差SPEi，当SPEi存在跳变时，则对应的部件i正常，当SPEi不存在跳变时，则对应的部件i故障，从而隔离出具体的故障部件。 

DSP硬件电路接口模块，包括DSP系统电源电路﹑时钟与复位电路﹑液晶显示接口电路；DSP芯片采用TI公司的C54X系列TMS320VC5402数字信号处理器；振动位移数值显示模块采用ST7920控制器驱动的点阵液晶显示模块OCM4×8C，该模块可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。DSP系统电源电路如图2所示，时钟与复位电路分别如图3所示，液晶显示接口电路如图4所示。上述电路对于本领域技术人员来说，是熟知的，在此不做详细描述。 

设置于水下机器人上的深度传感器用以测量水下机器人的水中深度，并将测得的深度数据转变为深度电压信号； 

设置于水下机器人上的速度传感器用以测量水下机器人的航行速度，并将测得的航行速度数据转变为速度电压信号； 

设置于水下机器人上的姿态传感器用以测量水下机器人的转首、纵倾和横摇方向，并将测得的方向数据转变为相应电压信号； 

设置于水下机器人上的声纳传感器用以测量水下机器人的前方图像，并将测得的图像数据转变为相应电压信号； 

设置于水下机器人上的光学成像传感器用以测量水下机器人的周围的图像，并将测得的图像数据转变为相应电压信号； 

设置于水下机器人上的电池监控传感器用以测量水下机器人电池组工作状态，并将测得的状态数据转变为相应电压信号； 

设置于水下机器人上的推进监控传感器用以测量水下机器人推进器的工作状态，并将测得的状态数据转变为相应电压信号； 

设置在水下机器人上的嵌入式控制器的信号输入端与所述深度传感器、速度传感器、姿态传感器、声纳传感器、光学成像传感器、电池监控传感器、推进器监控传感器信号连接，以接收所述深度传感器、速度传感器、姿态传感器、声纳传感器、光学成像传感器、电池监控传感器、推进监控传感器发送过来的深度电压信号、速度电压信号、姿态电压信号、声纳电压信号、光学电压信号、 电池状态电压信号、推进器状态电压信号。 

设置在水下机器人上的光端机31与水面母船上的光端机32通过光纤连接，采用RS-485串口通信方式传送水下机器人的传感器信号到水面监控系统； 

设置在水面母船上的水面监控系统与水下机器人上的光端机32输出端连接，以接收嵌入式控制器发送过来的各种信号进行主元分析CMAC-PCA处理，并进行水下机器人故障检测与隔离。该水面监控系统进行分析数据、检测传感器系统故障、隔离故障部件等功能主要由它内置的控制驱动程序完成，该控制程序包括485通信程序﹑主元分析CMAC-PCA程序﹑传感器系统的平方预期误差SPE计算程序、传感器i的平方预期误差SPEi计算程序和故障结果显示处理程序五部分，485通信程序驱动水下机器人嵌入式控制器完成传感器信号传输任务；主元分析CMAC-PCA程序是传感器故障检测、隔离工具，利用传感器历史数据进行训练；传感器系统的平方预期误差SPE计算程序实现水下机器人系统故障检测，传感器i的平方预期误差SPEi计算程序完成水下机器人故障部件隔离；故障结果显示程序对水下机器人的故障状态进行实时显示与报警。 

整个发明工作时如图5所示：深度传感器11﹑速度传感器12、姿态传感器13、声纳传感器14、光学成像传感器15、电池监控传感器16、推进监控传感器17及信号传输线；深度传感器11﹑速度传感器12、姿态传感器13、声纳传感器14、光学成像传感器15、电池监控传感器16、推进监控传感器17分别输出与各个信号对应的电压信号，并接入嵌入式控制器2；嵌入式控制器2中，对电压信号进行放大﹑滤波预处理及A/D转换，通过光端机3的485串行接口送入水下机器人水面监控系统4；在水面监控系统4中，对来嵌入式控制器2的不同时间系列的传感器电压信号进行主元分析CMAC-PCA处理，重构各个个传感器下一时刻的信号大小，与该时刻传感器实测信号相减再利用差值平方求和，得到水下机器人传感器系统的平方预期误差SPE(Squared Prediction Error)，对不同时刻传感器系统做相似处理，得到在各个时刻的水下机器人传感器系统的平方预期误差SPE大小分布，利用平方预期误差SPE跳变数值，来判定水下机器人系统是否发生故障；水下机器人系统的故障部件隔离方法，是分别用某个传感器i的重构值代替下一时刻该传感器的实测信号，其它两传感器仍用实测信号，将各传感器下一时刻的实测信号与重构预测信号相减，差值平方求和得到水下机器人对该传感器i的平方预期误差SPEi，当SPEi存在跳变时，则对应部件i正常，当SPEi不存在跳变时，则对应部件i故障。对检测到的故障部件进行隔离，最后对所有故障信息在液晶LCD上显示。 

本发明的工作过程：小型水下机器人，是本发明的实验载体，七种传感器（深度﹑速度、姿态、声纳、光学、电池监控、推进监控）安装在水下载体上，按照图1结构连接各个设备，再按图5的故障诊断流程进行水下机器人故障检测与隔离处理。按下水面监控系统4薄膜面板的＂信号采样＂按钮，则水面监控系统4启动通信程序驱动水下机器人嵌入式控制器2，通过光端机3的串行接口将传感器正常时的深度﹑速度、姿态、声纳、光学、电池监控、推进监控的电压信号送入水面监控系统4并保存；按下水面监控系统4薄膜面板的＂CMAC-PCA训练＂按钮，则水面监控系统4启动CMAC-PCA训练处理程序，用采集的深度﹑速度、姿态、声纳、光学、电池监控、推进监控的历史信号进行CMAC-PCA训练处理，得到保存了水下机器人传感器信息的CMAC-PCA模型；按下水面监控系统4薄膜面板的的＂故障检测＂按钮，则水面监控系统4启动故障检测程序，计算水下机器人传感器系统的平方预期误差SPE的分布并判定水下机器人系统的工作状态，由图4的液晶电路显示平方预期误差SPE的分布状况，并判定水下机器人系统有无故障发生；按下水面监控系统4薄膜面板的的＂故障隔离＂按钮，则水面监控系统4启动故障隔离程序，分别用某个传感器i的重构值代替下一时刻该传感器的实测信号，其它两传感器仍用实测信号，计算水下机器人对该传感器i的平方预期误差SPEi，由图4的液晶电路显示平方预期误差SPEi的分布状况，并判定具体的故障部件。 

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。 

Claims (6)

1.一种小型水下机器人故障诊断装置，其特征在于，该装置包括传感器系统、嵌入式控制器、光端机及水面监控系统，所述传感器系统包括设置于水下机器人上，用以测量水下机器人在水中的深度，并将测得的深度数据转变为深度电压信号的深度传感器；用以测量水下机器人的航行速度，并将测得的航行速度数据转变为速度电压信号的速度传感器；用以测量水下机器人的水下姿态，并将测得的方向数据转变为姿态电压信号的姿态传感器；用以测量水下机器人前视环境，并将测得的图像数据转变为电压信号的声纳传感器；用以测量水下机器人周围环境，并将测得的图像数据转变为电压信号的光学成像传感器；用以测量水下机器人电池组状态，并将电池组状态数据转变为电压信号电池监控传感器；用以测量水下机器人推进器转速，并将推进器转速数据转变为电压信号的推进器监控传感器；

所述嵌入式控制器设置在水下机器人上，该嵌入式控制器的信号输入端与所述深度传感器、速度传感器、姿态传感器、声纳传感器、光学成像传感器、电池监控传感器、推进器监控传感器信号连接，以接收所述深度传感器、速度传感器、姿态传感器、声纳传感器、光学成像传感器、电池监控传感器、推进监控传感器发送过来的深度电压信号、速度电压信号、姿态电压信号、声纳电压信号、光学电压信号、电池状态电压信号、推进器状态电压信号。该嵌入式控制器内部设有用以驱动传感器信号传输任务的通信模块；

所述光端机为一对装置，分别设置在水面母船和水下机器人上，两个光端机之间通过光纤连接，通过RS-485串口通信实现数据传输；水下机器人上的光端机输入端与嵌入式系统输出端连接，水面母船上的光端机输出端与水面监控系统连接，保证水下传感器信息传输到水面监控系统；

所述水面监控系统设置在水面母船上，该水面监控系统内部设有传感器信号传输任务的通信模块﹑利用传感器历史数据进行训练并对水下机器人进行故障检测隔离的主元分析CMAC-PCA模块﹑实现水下机器人系统故障检测的传感器信号平方预期误差SPE计算模块、完成水下机器人系统故障隔离的传感器信号平方预期误差SPEi计算模块。

2.根据权利要求1所述的一种小型水下机器人故障诊断装置，其特征在于，所述嵌入式控制器包括有信号放大滤波模块﹑与信号放大滤波模块电路连接的A/D转换器、多路开关模块、串行通信口及微处理器，所述多路开关模块输入端与各深度传感器、速度传感器、姿态传感器、声纳传感器、光学成像传感器、电池监控传感器、推进监控传感器连接，所述多路开关模块输出端与信号放大滤波模块电路输入端连接，A/D转换器信号输入端与信号放大滤波模块电路的输出端连接，所述微处理器与A/D转换器信号输出端连接，并与串行通信口连接。

3.根据权利要求1所述的一种小型水下机器人故障诊断装置，其特征在于，所述水面监控器包括故障数据显示模块﹑DSP硬件电路接口模块﹑串行通信口﹑供电电源、控制开关，所述供电电源给整个装置供电，DSP硬件电路接口模块的输入端通过串行通信口与水下机器人信号预处理器连接，输出端接故障数据显示模块。

4.根据权利要求3所述的一种小型水下机器人故障诊断装置，其特征在于，所述DSP硬件电路接口模块，包括DSP系统电源电路﹑时钟与复位电路﹑液晶显示接口电路；所述DSP硬件电路接口模块的芯片为数字信号处理器。

5.根据权利要求3所述的一种小型水下机器人故障诊断装置，其特征在于，所述故障数据显示模块包括一液晶显示器，所述液晶显示器为可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能的显示器。

6.根据权利要求3所述的小型水下机器人故障诊断装置，其特征在于，所述DSP硬件电路接口模块的输出端与故障数据显示模块连接，液晶显示器模块显示传感器平方预期误差SPEi和具体的故障传感器标识。

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