水下机器人传感器故障诊断方法及系统

1.一种水下机器人传感器故障诊断方法，其特征在于包括以下步骤：
a、利用水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器检测水下机器人位于水中深度数据、水中航行速度数据、方向数据，并将这些数据转换成其对应的电压信号送至水下机器人的信号预处理器中；
b、所述水下机器人的信号预处理器将获得的深度数据、水中航行速度数据、方向数据的电压信号通过串行通讯输送至水面母船上的水下机器人传感器诊断装置；
c、水下机器人传感器故障诊断装置对来自水下机器人信号预处理器的不同时间系列的深度数据、水中航行速度数据、方向数据的电压信号进行非线性主元分析NPCA处理：利用三个传感器的历史数据对NPCA进行训练，利用训练后的NPCA模型进行未来时刻传感器信号重构预测；通过重构三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，得到水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器的平方预期误差SPE；再对不同时刻深度传感器、速度传感器、方向传感器做相似处理，得到在各个时刻的水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器的平方预期误差SPE大小分布，利用平方预期误差SPE跳变数值，来判定水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器是否发生故障，实现对水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器的检测。
2.根据权利要求1所述的水下机器人传感器故障诊断方法，其特征在于所述步骤c中得到水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器的平方预期误差SPE的方法是通过重构深度传感器、速度传感器、方向传感器下一时刻的信号大小，与该时刻深度传感器、速度传感器、方向传感器实测信号相减再利用差值平方求和，得到水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器的平方预期误差SPE。
3.根据权利要求1所述的水下机器人传感器故障诊断方法，其特征在于所述水下机器人的信号预处理器与水面母船上的水下机器人传感器诊断系统之间采用485串行接口进行数据传递。
4.根据权利要求1所述的水下机器人传感器故障诊断方法，其特征在于所述步骤c中的水下机器人传感器故障诊断装置由内置的控制驱动程序完成传感器故障诊断，该控制程序包括485通信程序，非线性主元分析NPCA程序，模拟故障程序，深度传感器、速度传感器、方向传感器的平方预期误差SPE计算程序和传感器i的平方预期误差SPEi计算程序五部分；所述485通信程序驱动水下机器人信号预处理器完成传感器信号传输任务；非线性主元分析NPCA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；所述模拟故障程序是系统的故障设置程序；所述深度传感器、速度传感器、方向传感器的平方预期误差SPE计算程序实现传感器系统故障检测，传感器i的平方预期误差SPEi计算程序完成水下机器人传感器故障隔离。
5.一种水下机器人传感器故障诊断系统，其特征在于包括：
设置于水下机器人上的深度传感器，所述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，所述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方向传感器，所述方向传感器用以测量水下机器人的航行方向，并将测得的方向数据转变为方向电压信号；
设置在水下机器人上的水下机器人信号预处理器，所述水下机器人信号预处理器的信号输入端与所述深度传感器、速度传感器、方向传感器信号连接，以接收所述深度传感器、速度传感器、方向传感器发送过来的深度电压信号、速度电压信号、方向电压信号；
设置在水面母船上的水下机器人传感器故障诊断装置，该水下机器人传感器故障诊断装置与所述水下机器人信号预处理器的信号输出端之间通过串行通讯数据线连接以接收水下机器人信号预处理器发送过来的深度电压信号、速度电压信号、方向电压信号并对接收的深度电压信号、速度电压信号、方向电压信号进行非线性主元分析NPCA处理：利用三个传感器的历史数据对NPCA进行训练，利用训练后的NPCA模型进行未来时刻传感器信号重构预测；通过重构三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，得到水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器的平方预期误差SPE；再对不同时刻深度传感器、速度传感器、方向传感器做相似处理，得到在各个时刻的水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器的平方预期误差SPE大小分布，利用平方预期误差SPE跳变数值，来判定水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器是否发生故障，实现对水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器的检测。
6.根据权利要求5所述的水下机器人传感器故障诊断系统，其特征在于所述水下机器人信号预处理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、485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、方向传感器连接，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。
7.根据权利要求5所述的水下机器人传感器故障诊断系统，其特征在于所述水下机器人传感器故障诊断装置，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，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。
8.根据权利要求7所述的水下机器人传感器故障诊断系统，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。
9.根据权利要求7所述的水下机器人传感器故障诊断系统，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。

技术领域\n本发明涉及水下机器人故障诊断技术领域，尤其涉及水下机器人传感器故障诊断方法。本发明还涉及水下机器人传感器故障诊断系统。\n背景技术\n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(UnmannedUnderwater Vehicle)将在这一领域发挥重要作用。\n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。\n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。\n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的故障诊断技术的研究几乎还是空白，特别是水下机器人传感器系统的故障检测与隔离技术的研究未见任何专利公开。\n发明内容\n针对上述背景技术中存在的技术空白，本发明所要解决的技术问题第一方面在于提供一种水下机器人传感器故障诊断方法；\n另外，本发明所要解决的技术问题第二方面还在于提供一种以DSP系统为核心的水下机器人传感器故障诊断系统。\n作为本发明第一方面的一种水下机器人传感器故障诊断方法，其包括以下步骤：\na、利用水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器检测水下机器人位于水中深度数据、水中航行速度数据、方向数据，并将这些数据转换成其对应的电压信号送至水下机器人的信号预处理器中；\nb、所述水下机器人的信号预处理器将获得的深度数据、水中航行速度数据、方向数据的电压信号通过串行通讯输送至水面母船上的水下机器人传感器诊断装置；\nc、水下机器人传感器故障诊断装置对来自水下机器人信号预处理器的不同时间系列的深度数据、水中航行速度数据、方向数据的电压信号进行非线性主元分析NPCA处理，得到水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器的平方预期误差SPE，再对不同时刻深度传感器、速度传感器、方向传感器做相似处理，得到在各个时刻的水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器的平方预期误差SPE大小分布，利用平方预期误差SPE跳变数值，来判定水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器是否发生故障，实现对水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器的检测。\n在上述方法中，所述步骤c中得到水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器的平方预期误差SPE的方法是通过重构深度传感器、速度传感器、方向传感器下一时刻的信号大小，与该时刻深度传感器、速度传感器、方向传感器实测信号相减再利用差值平方求和，得到水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器的平方预期误差SPE。\n在上述方法中，还包括一故障传感器的隔离步骤，所述隔离步骤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，则传感器i正常，当SPEi不存在跳变时，则传感器i故障，从而隔离出具体的故障传感器。\n在上述方法中，所述水下机器人的信号预处理器与水面母船上的水下机器人传感器诊断系统之间采用485串行接口进行数据传递。\n本发明的方法中，步骤c中的水下机器人传感器故障诊断装置由内置的控制驱动程序完成传感器故障诊断，该控制程序包括485通信程序，非线性主元分析NPCA程序，模拟故障程序，深度传感器、速度传感器、方向传感器的平方预期误差SPE计算程序和传感器i的平方预期误差SPEi计算程序五部分；所述485通信程序驱动水下机器人信号预处理器完成传感器信号传输任务；非线性主元分析NPCA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；所述模拟故障程序是系统的故障设置程序；所述深度传感器、速度传感器、方向传感器的平方预期误差SPE计算程序实现传感器系统故障检测，传感器i的平方预期误差SPEi计算程序完成水下机器人传感器故障隔离。\n作为本发明第二方面的一种水下机器人传感器故障诊断系统，包括：\n设置于水下机器人上的深度传感器，所述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；\n设置于水下机器人上的速度传感器，所述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；\n设置于水下机器人上的方向传感器，所述方向传感器用以测量水下机器人的航行方向，并将测得的方向数据转变为方向电压信号；\n设置在水下机器人上的水下机器人信号预处理器，所述水下机器人信号预处理器的信号输入端与所述深度传感器、速度传感器、方向传感器信号连接，以接收所述深度传感器、速度传感器、方向传感器发送过来的深度电压信号、速度电压信号、方向电压信号；\n设置在水面母船上的水下机器人传感器故障诊断装置，该水下机器人传感器故障诊断装置与所述水下机器人信号预处理器的信号输出端之间通过串行通讯数据线连接以接收水下机器人信号预处理器发送过来的深度电压信号、速度电压信号、方向电压信号并对接收的深度电压信号、速度电压信号、方向电压信号进行非线性主元分析NPCA处理，得到水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器的平方预期误差SPE，再对不同时刻深度传感器、速度传感器、方向传感器做相似处理，得到在各个时刻的水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器的平方预期误差SPE大小分布，利用平方预期误差SPE跳变数值，来判定水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器是否发生故障，实现对水下机器人深度传感器、速度传感器、方向传感器的检测。\n在上述诊断系统中，所述水下机器人信号预处理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、485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、方向传感器连接，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。\n所述水下机器人传感器故障诊断装置，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，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。\n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。\n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。\n在上述诊断系统中，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，则传感器i正常，当SPEi不存在跳变时，则传感器i故障，从而隔离出具体的故障传感器。\n本发明弥补了有关水下机器人故障检测的空白，提供了一种能有效诊断的方法和装置。本发明具有以下优点：\n1.用非线性主元分析NPCA对水下机器人传感器信号进行处理，利用传感器的历史数据对NPCA进行训练，利用训练后的NPCA模型进行进行未来时刻传感器信号重构预测；计算传感器系统的平方预期误差SPE，寻找传感器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；\n2.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，实现水下机器人传感器系统的故障隔离，并提供一种实用的水下机器人传感器系统故障诊断方法与装置；\n3.本发明不仅可以诊断水下机器人传感器故障状况，而且可以预测正常工作状况的传感器数值。\n附图说明\n下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明，\n图1为本发明水下机器人传感器故障诊断系统的结构示意图。\n图2为本发明水下机器人传感器故障诊断方法的故障诊断与隔离流程图。\n图3为本发明所述水下机器人传感器故障诊断系统中的DSP系统电源电路的原理图。\n图4a为本发明所述水下机器人传感器故障诊断系统中的时钟电路原理图。\n图4b为本发明水下机器人传感器故障诊断系统中的复位电路原理图。\n图5为本发明水下机器人传感器故障诊断系统中的液晶显示接口电路图。\n图6为本发明水下机器人传感器故障诊断方法中的传感器系统的平方预期误差SPE信号分布图；\n图7为本发明水下机器人传感器故障诊断方法的传感器i的平方预期误差SPEi信号分布图。\n图8为本发明水下机器人传感器故障诊断方法的传感器正常信号(faultfree measurements)、实测故障信号(faulty measurements)及重构信号(reconstructed measurements)三维图。\n具体实施方式\n为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。\n参看图1、图2，一种水下机器人传感器故障诊断系统，由水下机器人传感器系统1、水下机器人信号预处理器2、水下机器人传感器故障诊断装置3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和方向传感器13及信号传输线；深度传感器11、速度传感器12和方向传感器13与水下机器人信号预处理器2的信号输入端通过信号传输线连接。水下机器人信号预处理器2的信号输出端通过串行通讯线与水下机器人传感器故障诊断装置3的信号输入端连接。\n深度传感器11、速度传感器12和方向传感器13分别测试水下机器人的深度信号、速度信号和方向信号，输出与各个信号对应的深度电压信号、速度电压信号、方向电压信号，并接入水下机器人信号预处理器2；水下机器人信号预处理器2中，对电压信号进行放大、滤波预处理及A/D转换，通过485串行接口送入水下机器人传感器故障诊断装置3；在水下机器人传感器故障诊断装置3中，对来自水下机器人信号预处理器2的不同时间系列的传感器电压信号进行非线性主元分析NPCA(Nonlinear Principal Component Analysis)处理，重构三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(SquaredPrediction 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，来判定水下机器人传感器系统是否发生故障；水下机器人传感器系统的故障隔离方法，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，则传感器i正常，当SPEi不存在跳变时，则传感器i故障。\n水下机器人信号预处理器2密封于水下机器人载体model1000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。\n水下机器人传感器故障诊断装置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，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。\nDSP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3所示，时钟与复位电路分别如图4a和图4b所示，液晶显示接口电路如图5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。\n本发明工作原理：水下机器人传感器系统1的深度传感器11、速度传感器12和方向传感器13输出与水下机器人的深度、速度和方向信号对应的深度电压信号、速度电压信号、方向电压信号；水下机器人信号预处理器2对电压信号进行放大、滤波预处理及A/D转换，并通过485串行接口与水下机器人传感器故障诊断装置3进行串行数据通信；水下机器人传感器故障诊断装置3分析数据和诊断传感器系统故障。它由内置的控制驱动程序完成，该控制程序包括485通信程序、非线性主元分析NPCA程序、模拟故障程序、传感器系统的平方预期误差SPE计算程序和传感器i的平方预期误差SPEi计算程序五部分，485通信程序驱动水下机器人信号预处理器完成传感器信号传输任务；非线性主元分析NPCA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；模拟故障程序是系统的故障设置程序；传感器系统的平方预期误差SPE计算程序实现传感器系统故障检测，传感器i的平方预期误差SPEi计算程序完成水下机器人传感器故障隔离。\n本发明工作过程：一无人水下机器人Model1000，是本发明实施例的实验载体，三种传感器(深度、速度和方向)安装在载体上，它可以通过软件设传感器系统的各种故障模式；按照图1结构连接各个设备，再按图2的故障预测流程进行传感器故障诊断处理。按下水下机器人传感器故障诊断装置3薄膜面板的″信号采样″按钮，则水下机器人传感器故障诊断装置3启动通信程序驱动水下机器人信号预处理器2，通过串行接口将传感器正常时的深度、速度和方向的电压信号送入水下机器人传感器故障诊断装置3并保存；按下水下机器人传感器故障诊断装置3薄膜面板的″NPCA训练″按钮，则水下机器人传感器故障诊断装置3启动NPCA训练处理程序，用采集的深度、速度和方向历史信号进行NPCA训练处理，得到保存了水下机器人传感器信息由于NPCA模型；按下水下机器人传感器故障诊断装置3薄膜面板的″故障设置″按钮，则水下机器人传感器故障诊断装置3启动传感器故障模拟程序，取得模拟故障情形下的传感器实测数据；按下水下机器人传感器故障诊断装置3薄膜面板的的″故障检测″按钮，则水下机器人传感器故障诊断装置3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的分布并判定传感器系统的工作状态，由图5的液晶电路显示平方预期误差SPE的分布状况，并判定传感器系统有无故障发生；按下水下机器人传感器故障诊断装置3薄膜面板的的″故障隔离″按钮，则水下机器人传感器故障诊断装置3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5的液晶电路显示平方预期误差SPEi的分布状况，并判定具体的故障传感器。\n当深度传感器有15％的附加故障时，水下机器人传感器系统的平方预期误差SPE的分布参见图6，单独用深度传感器重构值代替其实测值时的平方预期误差SPE1参见图7。\n图8为传感器正常信号、实测故障信号及重构信号三维图，从图中可以看出，利用NPCA重构的水下机器人传感器信号与无故障时的传感器信号基本相同，两曲线几乎重合在一起，说明NPCA模型能准确预测能正确反应水下机器人状态的传感器数值；实际的传感器输出信号在未加故障前，也与他们相同，一旦加上15％的附加故障后，实际的传感器输出数值就与他们有明显的偏离，也就是说此时传感器实际输出不能准确反应水下机器人的状态，需要用NPCA模型的重构的信号数值代替故障传感器的输出，实现水下机器人容错控制。\n尽管上述实施例已经对本发明进行了描述，但是对于本行业的技术人员来说，仍可对本实施例作多种变化，因此，凡是采用本发明的相似变化，均应列入本发明的保护范围。\n以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。