CN104075735B - 惯性测量装置自诊断方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性测量装置自诊断方法及装置，装置包括传感单元、存储单元、诊断单元、反馈单元和故障处理单元；传感单元用于采集惯性测量装置待检测节点的数据，转换后发送至诊断单元；诊断单元用于对节点定位，并从存储单元调用诊断程序进行诊断，将诊断结果存入存储单元的同时发送到反馈单元；反馈单元对收到的诊断结果进行数据类型转换后发送控制信号到故障处理单元；故障处理单元进行故障处理。本发明故障自动诊断装置与惯性测量装置一体化设计，完全由诊断单元控制，实现自动诊断功能；诊断单元分析数据包含待测节点的位置信息，实现了快速故障定位。本发明可应用于惯性测量装置工作全过程，实现惯性测量装置工作状态的全面监测。

Description

惯性测量装置自诊断方法及装置

技术领域

本发明涉及惯性测量装置技术领域，具体涉及一种惯性测量装置故障自动诊断方法及装置。

背景技术

惯性测量装置作为惯性导航系统的核心单元，为惯性导航系统实时提供准确的位置和姿态信息，其由惯性敏感器组件和仪表电路及电源组件构成。惯性敏感器组件由互相正交的三个加速度计和三个陀螺仪构成，分别用于测量加速度和角速度。仪表电路用于转换并处理加速度计和陀螺仪的输出信号，以此作为惯性测量装置的输出。电源组件通过电压变换，分别为加速度计、陀螺仪和仪表电路供电。目前，新一代惯性测量装置的结构和功能越来越复杂，当其发生故障时，给故障定位带来了极大的难度，增加了故障的排故时间和经济成本。

由上所述，迫切需要利用智能自诊断技术，开发适用于惯性测量装置的智能自诊断方法和设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种与惯性测量装置一起使用的全过程故障自动诊断方法及装置，它方便地实现对惯性测量装置工作状态的检测和快速故障定位。

按照本发明的一方面，一种惯性测量装置的自诊断装置，包括传感单元、存储单元、诊断单元、反馈单元和故障处理单元；

传感单元包括AD转换器、第一转换电路和FPGA；AD转换器，其输入端口分别连接惯性测量装置的电压信号诊断节点和第一转换电路的输出端口，输出端口连接FPGA的输入端口，用于将来自惯性测量装置和第一转换电路的电压信号转换为数字信号并传送给FPGA；第一转换电路，其输入端口连接惯性测量装置的电流信号诊断节点，输出端口连接AD转换器的输入端口，用于将来自惯性测量装置的电流信号转换为电压信号并传送给AD转换器；FPGA，其输入端口连接惯性测量装置的数字信号诊断节点，以及AD转换器的输出端口，其输出端口分为数据端口和地址端口，分别与诊断单元对应输入端口连接，用于接收来自惯性测量装置和AD转换器的数字信号，根据数字信号的输入端口确定待诊断节点，并获取该节点对应的地址信号，进而建立待测节点数据和地址之间的关联，将数字信号中的数据信号和对应的地址信号发送到诊断单元；

诊断单元采用DSP实现，其输入端口与FPGA的输出端口和存储单元的输出端口连接；输出端口分为数据输出端口和地址输出端口，数据输出端口分别连接存储单元的输入端口、反馈单元的输入端口、故障处理单元的数字信号输入端口，地址输出端口连接反馈单元的输入端口，诊断单元用于接收来自FPGA的数据信号和对应的地址信号，依据地址信号从存储单元调用对应的诊断程序和诊断判据，将数据信号调入对应的诊断程序中，得到的诊断结果发送到存储单元中进行保存，同时还将诊断结果转换为诊断数据信号和诊断地址信号，将该诊断数据信号直接发送到故障处理单元的数字信号输入端口或者与诊断地址信号一同发送至反馈单元；

反馈单元包括DA转换器及第二转换电路；DA转换器的输入端口连接诊断单元的数据端口和地址端口，输出端口分别连接第二转换电路的输入端口、故障处理单元的电压信号输入端口，用于将来自诊断单元的诊断数据信号转换为电压信号，并根据诊断地址信号选择对应的端口发送给故障处理单元或者发送到第二转换电路的电压信号输入端口；第二转换电路的输入端口连接DA转换器的输出端口，第二转换电路的输出端口连接故障处理单元的电流信号输入端口，用于将DA转换器输出的电压信号转换为电流信号后发送到故障处理单元电流信号输入端口；

故障处理单元的电压信号输入端口连接DA转换器的输出端口，电流信号输入端口连接第二转换电路的输出端口，数字信号输入端口连接诊断单元的数据输出端口，故障处理单元的输出端口连接惯性测量装置的各诊断节点输入端口，用于接收来自DA转换器的电流信号、来自第二转换电路的电压信号和来自诊断单元的数字信号，根据上述信号控制故障处理单元中的故障处理执行件；

存储单元，其输入端口连接诊断单元的数据端口，输出端口连接诊断单元的输入端口，用于预存诊断程序和诊断判据，以及存储诊断结果。

进一步地，所述诊断单元预留有外部信号输入端口。

按照本发明的另一方面，一种惯性测量装置自诊断方法，其诊断步骤为：

采集待诊断节点的电压、电流、数字信号；

将电压信号转换为数字信号，将电流信号转换为电压信号后再转换为数字信号；

根据数字信号的输入端口确定待诊断节点，并获取该节点对应的地址信号，进而建立待测节点采集信号和地址之间的关联；

依据地址信号调用对应的诊断程序和诊断判据，将数据信号调入对应的诊断程序中，将诊断结果转换为诊断数据信号和诊断地址信号，并将诊断数据信号以数字信号输出；

根据诊断地址信号选择对应的输出端口，将诊断数据信号转换为电压信号或者电流信号后再通过选择的输出端口输出；

依据表征诊断结果的电压信号或者电流信号或者数字信号进行故障处理。

进一步地，所述方法应用于惯性测量装置通电开机时、惯性测量装置正常工作时、外部控制信号输入情况时的故障诊断，具体过程为：首先在惯性测量装置上电开机时，进入上电自诊断模式；然后在惯性测量装置正常工作的同时，按照设定的频率进入周期自诊断模式；最后，外部控制信号输入时，停止惯性测量装置正常工作，进入键控自诊断模式，当键控自诊断模式结束后，惯性测量装置恢复正常工作，并进入周期自诊断模式。

进一步地，所述诊断程序具有诊断故障和发送故障处理信号的功能，具体实现方式为：首先根据数据信号和判据诊断是否发生故障，若无故障则输出正常信号；若发生故障，在分析故障的性质种类和危害程度后，输出预先设定好的故障处理信号；正常信号和故障处理信号均包含数据信号和对应的地址信号，并以数字信号的形式输出。

进一步地，所述存储单元对诊断结果的数据存储结构包括属性：诊断时间、节点诊断结果和本次诊断的故障总数。

本发明通过上述方法和装置，可以控制诊断装置完成惯性测量装置上电自诊断功能、周期自诊断功能和键控自诊断功能。具体而言，本发明具有以下技术效果：

(1)本发明装置与惯性测量装置一体化设计，处于惯性测量装置的内部，与惯性测量装置一起工作，不需要外部检测设备，能自动实时的检测惯性测量装置的工作状态，进行故障诊断和故障处理；诊断单元分析的数据中包含了待测节点的位置信息，实现了快速故障定位。

(2)在惯性测量装置通电后，自动进行上电自诊断，检测惯性测量装置的关键模块和电路，保证惯性测量装置以无故障状态进入的工作状态，提高了可靠性。

(3)在惯性测量装置进入正常工作状态后，自动进行周期自诊断，即在不影响惯性测量装置正常工作的情况下，不需要外部指令，周期性的对惯性测量装置的关键模块和电路进行检测，保证惯性测量装置始终处于正常的工作状态，提高了可靠性。

(4)在惯性测量装置暂停工作的情况下，通过外部控制指令可以选择任意的节点进行诊断。可在全部节点诊断方式下进行全面诊断，也可在指定诊断方式下进行针对性诊断。不仅丰富了诊断的方式，而且方便了故障排查。

(5)在以上三种模式的诊断过程中，一旦发现故障，故障诊断结果数据中包含了检测节点的位置信息，通过该信息可获得故障点的位置，实现了故障快速定位。

附图说明

图1是本发明惯性测量装置自诊断装置的结构示意图；

图2是本发明惯性测量装置自诊断装置的信号流程图；

图3是惯性测量装置自诊断装置的检测数据传输结构图；

图4是惯性测量装置自诊断装置的诊断结果数据存储结构图；

图5是惯性测量装置自诊断装置的自诊断方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，在实施例中，虽然仅有一组传感单元，但这一实施例的操作和具有多组传感单元的诊断装置和方法的操作相同。而且，在实施例中，对惯性测量装置中加速度计、陀螺仪、电源组件和仪表电路各选取了一个电流信号，一个电压信号和一个数字信号节点，而对于不同类型的惯性测量装置，各部件的节点个数和信号种类可能会不相同，但依据本发明的操作，可通过节点和信号种类的增减扩展到各类惯性测量装置的自诊断实施中。

如图1所示，本发明实例提供的惯性测量装置故障自动诊断装置包括传感单元、诊断单元、存储单元、反馈单元和故障处理单元五部分组成。惯性测量装置中各部件的输出端口连接传感单元的输入端口；传感单元的输出端口连接诊断单元的输入端口；诊断单元和存储单元连接，且输出端口连接反馈单元的输入端口；反馈单元的输出端口连接故障处理单元的信号输入端口，故障处理单元的输出端口连接惯性测量装置中各部件的输入端口。

图2所示为惯性测量装置与自诊断装置之间的详细信号流程。惯性测量装置分为加速度计、陀螺仪、电源组件和仪表电路四个部件。在本发明实例中，对这四个部件分别选取一个电流信号、一个电压信号以及一个数字信号作为诊断的节点。

传感单元由第一转换电路、AD转换器、FPGA组成，用于采集惯性测量装置的选取的诊断节点信号。数字信号直接由FPGA采集；电压信号通过AD转换器转换为数字信号后由FPGA采集；电流信号通过第一转换电路转换为电压信号，由AD转换器转换为数字信号后再由FPGA采集。FPGA根据数字信号的输入端口确定诊断的节点，并转换为对应的地址信号。传输的数据结构如图3所示，并按时序号发送到诊断单元。

诊断单元由DSP构成，内预置所有诊断节点的自诊断程序。首先，DSP读取存储单元中的所有诊断判据后发送到对应的诊断程序中，用于初始化诊断程序中的判据变量。然后，DSP接收FPGA同步发送的数据信号和其对应的地址信号，并根据地址信号调用对应的诊断程序。诊断程序具有诊断故障和发送故障处理信号的功能，其首先根据数据信号和判据诊断是否发生故障，若无故障则输出正常信号；若发生故障，在分析故障的性质种类和危害程度后，输出预先设定好的故障处理信号。最后，正常信号和故障处理信号都包含数据信号和对应的地址信号，以数字信号的形式发送到反馈单元。诊断的结果发送到存储单元进行数据保存。数据存储结构如图4所示，保存诊断的时间、每个节点的诊断结果、统计的本次诊断的故障总数。其中，若某个节点发生故障后，存储信息为1，正常时存储信息为0。

另外，诊断单元还具有外部信号输入接口，外部信号可以控制诊断单元调用指定诊断程序，对节点进行选择性的诊断。

DSP内预置的自诊断程序的算法根据诊断信号的特点进行设计。算法遵循的原则如下：先将接收的数据进行处理，处理方法可以是统计值的平均值和标准差，也可以是取最大值和最小值。随后将处理结果与判据对比，判据可以为标准值或者阈值。当对比结果满足要求时，程序输出结果显示正常状态，反之输出故障状态。

反馈单元由DA转换器和第二转换电路组成。DA转换器接收诊断单元发送的数据信号和地址信号，其根据地址信号将数据信号转换成电压信号后从对应的端口直接发送到故障处理单元的电压控制端口，或者发送到第二转换电路，转换成电流信号后再发送到故障处理单元的电流控制端口。

故障处理单元根据输入信号的类型连接诊断单元的输出数字信号、反馈单元输出的电压和电流信号。故障处理单元可以包含故障显示灯、蜂鸣器、继电器、替换器件等故障处理器件。故障处理单元用于处理对应诊断节点的故障状态，可由故障灯显示故障状态；可由蜂鸣器报警；可由继电器切断供电；可由替换器件替换故障的器件。本发明中不限定故障处理器件的种类，可根据诊断节点的重要性和采取的故障处理策略，选择合适的故障处理器件，并连接到惯性测量装置中的各诊断节点。

基于上述装置，一个完整的诊断流程为：

(1)惯性测量装置中需要诊断的节点连接至自诊断装置，其中节点的信号输出端连接至传感单元，信号输入端连接至反馈单元；

(2)传感单元采集节点的数据，进行相应信号处理后发送至诊断单元；

(3)诊断单元对数据进行诊断，根据诊断的结果向反馈单元发送控制信号，并将诊断结果发送至存储单元；

(4)反馈单元对控制信号进行处理，然后发送到故障处理单元对应的信号输入端，控制故障处理单元进行故障处理。

本发明提供的实例具有的诊断模式分为如下三种：

(1)上电自诊断

上电自诊断是在惯性测量装置通电的时刻立即启动，仅针对惯性测量装置的重要功能节点进行诊断，例如电源组件的供电电压，仪表电路的通讯协议等。目的是保证惯性测量装置进入正常的工作状态。

(2)周期自诊断

周期自诊断是指在惯性测量装置正常工作时，自诊断装置周期性的对重要节点进行诊断，例如陀螺仪的状态信号，加速度计的调制电流等。目的是实时监测惯性测量装置的状态，保证其处于正常工作状态下。

(3)键控自诊断

键控自诊断是指在惯性测量装置暂停工作时，通过外部控制信号，指定自诊断装置对惯性测量装置的某个或多个节点进行诊断。目的是对惯性测量装置进行全面性或者选择性的诊断，保证其所有检测节点工作正常。

惯性测量装置的自动故障诊断装置工作在这三种诊断模式的流程图如图5所示。首先在惯性测量装置上电开机时，进入上电自诊断模式；然后在惯性测量装置正常工作的同时，按照设定的频率进入周期自诊断模式；这种状态下，可随时通过外部控制进入键控自诊断模式，此时暂停惯性测量装置的正常工作；最后，当键控自诊断模式结束后，惯性测量装置恢复正常工作，并进入周期自诊断模式。

实例：

举例而言，若诊断的惯性测量装置的节点为电源组件中的某路电源输出，正常情况下其输出电压应该稳定在5V，波动不超过0.1V。因此，在存储单元内设定的判据为：电压标准值为5V，测量电压值与标准值的差值小于0.1V，测量电压值的统计标准差小于0.1V，该判据记为Dn。当该节点故障后，电源组件所对应的故障处理单元中的故障灯会打开，正常时该故障灯熄灭。

在硬件连接上，将此节点直接经AD转换器后连接至FPGA的输入端口n。中间FPGA连接诊断单元，诊断单元的输出端连接DA转换器，DA转换器的输出端口n连接电源组件中的故障灯正极。端口号n代表了该诊断节点。节点的数据经过FPGA转换后，得到的采样数据记为An，并与对应的地址信号Bn共同发送到诊断单元。诊断单元根据地址信号Bn从存储单元内调用自诊断程序Cn，并读取判据Dn。将An和Dn带入程序Cn中运行，先对数据An进行处理，获得An的统计平均值Ap和统计标准差As。

当同时满足Ap-5V<0.1V和As<0.1V条件时，程序输出结果显示正常状态，程序输出数字量0经过反馈单元的DA转换器转换后输出电压0V到故障处理单元的故障灯，此时故障灯熄灭。反之，当两个条件不能同时满足时，程序输出数字量1经过DA转换器后输出5V，控制故障灯打开，显示该节点处于故障状态。因此，当此故障灯打开时，可以快速定位到该节点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种惯性测量装置的自诊断装置，其特征在于，包括传感单元、存储单元、诊断单元、反馈单元和故障处理单元；

传感单元包括AD转换器、第一转换电路和FPGA；AD转换器，其输入端口分别连接惯性测量装置的电压信号诊断节点和第一转换电路的输出端口，输出端口连接FPGA的输入端口，用于将来自惯性测量装置和第一转换电路的电压信号转换为数字信号并传送给FPGA；第一转换电路，其输入端口连接惯性测量装置的电流信号诊断节点，输出端口连接AD转换器的输入端口，用于将来自惯性测量装置的电流信号转换为电压信号并传送给AD转换器；FPGA，其输入端口连接惯性测量装置的数字信号诊断节点，以及AD转换器的输出端口，其输出端口分为数据端口和地址端口，分别与诊断单元对应输入端口连接，用于接收来自惯性测量装置和AD转换器的数字信号，根据数字信号的输入端口确定待诊断节点，并获取该节点对应的地址信号，进而建立待测节点数据和地址之间的关联，将数字信号中的数据信号和对应的地址信号发送到诊断单元；

诊断单元采用DSP实现，其输入端口与FPGA的输出端口和存储单元的输出端口连接；输出端口分为数据输出端口和地址输出端口，数据输出端口分别连接存储单元的输入端口、反馈单元的输入端口、故障处理单元的数字信号输入端口，地址输出端口连接反馈单元的输入端口，诊断单元用于接收来自FPGA的数据信号和对应的地址信号，依据地址信号从存储单元调用对应的诊断程序和诊断判据，将数据信号调入对应的诊断程序中，得到的诊断结果发送到存储单元中进行保存，同时还将诊断结果转换为诊断数据信号和诊断地址信号，将该诊断数据信号直接发送到故障处理单元的数字信号输入端口或者将该诊断数据信号与诊断地址信号一同发送至反馈单元；

反馈单元包括DA转换器及第二转换电路；DA转换器的输入端口连接诊断单元的数据输出端口和地址输出端口，输出端口分别连接第二转换电路的输入端口、故障处理单元的电压信号输入端口，用于将来自诊断单元的诊断数据信号转换为电压信号，并根据诊断地址信号选择对应的端口发送给故障处理单元或者发送到第二转换电路的电压信号输入端口；第二转换电路的输入端口连接DA转换器的输出端口，第二转换电路的输出端口连接故障处理单元的电流信号输入端口，用于将DA转换器输出的电压信号转换为电流信号后发送到故障处理单元电流信号输入端口；

故障处理单元的电压信号输入端口连接DA转换器的输出端口，电流信号输入端口连接第二转换电路的输出端口，数字信号输入端口连接诊断单元的数据输出端口，故障处理单元的输出端口连接惯性测量装置的各诊断节点输入端口，用于接收来自DA转换器的电流信号、来自第二转换电路的电压信号和来自诊断单元的数字信号，根据上述信号控制故障处理单元中的故障处理执行件；

存储单元，其输入端口连接诊断单元的数据输出端口，输出端口连接诊断单元的输入端口，用于预存诊断程序和诊断判据，以及存储诊断结果。

2.根据权利要求1所述的惯性测量装置的自诊断装置，其特征在于，所述诊断单元预留有外部信号输入端口。

3.采用权利要求1或2所述惯性测量装置的自诊断装置进行惯性测量装置自诊断方法，其特征在于，其诊断步骤为：

采集待诊断节点的电压、电流、数字信号；

将电压信号转换为数字信号，将电流信号转换为电压信号后再转换为数字信号；

根据数字信号的输入端口确定待诊断节点，并获取该节点对应的地址信号，进而建立待测节点采集信号和地址之间的关联；

依据地址信号调用对应的诊断程序和诊断判据，将数据信号调入对应的诊断程序中，将诊断结果转换为诊断数据信号和诊断地址信号，并将诊断数据信号以数字信号输出；

根据诊断地址信号选择对应的输出端口，将诊断数据信号转换为电压信号或者电流信号后再通过选择的输出端口输出；

依据表征诊断结果的电压信号或者电流信号或者数字信号进行故障处理。

4.根据权利要求3所述的惯性测量装置自诊断方法，其特征在于，所述方法应用于惯性测量装置通电开机时、惯性测量装置正常工作时、外部控制信号输入情况时的故障诊断，具体过程为：首先在惯性测量装置上电开机时，进入上电自诊断模式；然后在惯性测量装置正常工作的同时，按照设定的频率进入周期自诊断模式；最后，外部控制信号输入时，停止惯性测量装置正常工作，进入键控自诊断模式，当键控自诊断模式结束后，惯性测量装置恢复正常工作，并进入周期自诊断模式。

5.根据权利要求3所述的惯性测量装置自诊断方法，其特征在于，所述诊断程序具有诊断故障和发送故障处理信号的功能，具体实现方式为：首先根据数据信号和判据诊断是否发生故障，若无故障则输出正常信号；若发生故障，在分析故障的性质种类和危害程度后，输出预先设定好的故障处理信号；正常信号和故障处理信号均包含数据信号和对应的地址信号，并以数字信号的形式输出。

6.根据权利要求3所述的惯性测量装置自诊断方法，其特征在于，所述存储单元对诊断结果的数据存储结构包括属性：诊断时间、节点诊断结果和本次诊断的故障总数。