本發(fā)明涉及無人潛水器狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種ROV故障診斷主元分析方法與裝置。

背景技術(shù)：

海洋是人類發(fā)展的四大戰(zhàn)略空間(陸、海、空、天)中繼陸地之后的第2大空間，是生物資源、能源、水資源和金屬資源的戰(zhàn)略性開發(fā)基地，是最有發(fā)展?jié)摿Φ目臻g，對我國經(jīng)濟與社會發(fā)展產(chǎn)生著直接、巨大的支撐作用。作為人類探索和開發(fā)海洋的助手，無人潛水器UUV(Unmanned Underwater Vehicle)將在這一領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

公開號為CN1709766的專利，介紹了一種浮力和推進器雙驅(qū)動方式遠程無人潛水器，用于海洋水下工程技術(shù)領(lǐng)域。該發(fā)明包括：機器人主體，一對主翼，一對推進器和垂直尾翼，機器人主體的外部是整流用的透水殼，主翼和垂直尾翼具有低流體阻力翼型，主翼設(shè)置于透水殼后部，對稱分布于透水殼左右兩側(cè)，垂直尾翼設(shè)置于透水殼尾部，在透水殼的垂直對稱面內(nèi)。推進器設(shè)置在主翼的外側(cè)。該發(fā)明具有推進器驅(qū)動和浮力驅(qū)動兩種驅(qū)動方式，在浮力驅(qū)動模式下依靠浮力和重心的調(diào)節(jié)產(chǎn)生推力和控制運動方向，具有高的續(xù)航能力，在推進器驅(qū)動模式下依靠推進器產(chǎn)生推力，依靠左右推進器的推力差和重心調(diào)節(jié)控制運動方向，具有高機動能力。

美國專利號為US5995992的專利公開了一種用于海洋科學測量與搜索的6英尺長，直徑為13英寸的無人潛水器。介紹了它的計算機系統(tǒng)，I/O口，水下浮力，回收框架，電池動力，高速串口，實時數(shù)據(jù)采集及其控制系統(tǒng)的設(shè)計。

以上發(fā)明專利均是有關(guān)無人潛水器裝置的設(shè)計，但由于海洋深處工作環(huán)境的復(fù)雜性，不可預(yù)測性，無人潛水器一旦出現(xiàn)故障，不僅機器人無法完成水下作業(yè)任務(wù)，而且機器人本身也難以回收，損失巨大。因此其可靠性技術(shù)研究與設(shè)計十分關(guān)鍵。而直接服務(wù)于無人潛水器可靠性控制技術(shù)的研究幾乎還是空白，無人潛水器ROV的故障檢測與隔離技術(shù)的研究未見任何專利公開。

綜上所述，針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，特別需要一種纜控無人潛水器ROV故障自動診斷裝置和方法，以解決以上提到的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種ROV故障診斷主元分析方法與裝置。

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

ROV故障診斷主元分析裝置，其特征在于，包括傳感器系統(tǒng)、嵌入式控制器、光端機及水面監(jiān)控系統(tǒng)；

所述傳感器系統(tǒng)包括：

深度傳感器，設(shè)置于無人潛水器上，用于測量無人潛水器在水中的深度，并將測得的深度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樯疃入妷盒盘?；速度傳感器，用于測量無人潛水器的航行速度，并將測得的航行速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣入妷盒盘枺蛔藨B(tài)傳感器，用于測量無人潛水器的水下姿態(tài)，并將測得的方向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樽藨B(tài)電壓信號；聲納傳感器，用于測量無人潛水器前視環(huán)境，并將測得的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?；光學成像傳感器，用于測量無人潛水器周圍環(huán)境，并將測得的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺浑姵乇O(jiān)控傳感器，用于測量無人潛水器電池組狀態(tài)，并將電池組狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?；推進器監(jiān)控傳感器，用于測量無人潛水器推進器轉(zhuǎn)速，并將推進器轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺?/p>

所述嵌入式控制器安裝于無人潛水器上，嵌入式控制器的信號輸入端與上述傳感器的信號輸出端連接，用于接收上述傳感器發(fā)送過來的深度電壓信號、速度電壓信號、姿態(tài)電壓信號、聲納電壓信號、光學電壓信號、電池狀態(tài)電壓信號、推進器狀態(tài)電壓信號；所述嵌入式控制器內(nèi)部設(shè)有用于驅(qū)動傳感器信號傳輸任務(wù)的通信模塊；

所述光端機設(shè)置有一對，分別安裝在水面母船和無人潛水器上，兩個光端機之間通過光纖連接，通過RS-485串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；位于無人潛水器上的光端機的信號輸入端與嵌入式控制器的信號輸出端連接，水面母船上的光端機的信號輸出端與水面監(jiān)控系統(tǒng)連接，保證水下傳感器信息傳輸?shù)剿姹O(jiān)控系統(tǒng)；

所述水面監(jiān)控系統(tǒng)安裝在水面母船上，水面監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)有傳感器信號傳輸任務(wù)的通信模塊、利用傳感器歷史數(shù)據(jù)進行訓練并對無人潛水器進行故障檢測隔離的主元分析PCA模塊、實現(xiàn)無人潛水器系統(tǒng)故障檢測的傳感器信號平方預(yù)期誤差SPE計算模塊、完成無人潛水器系統(tǒng)故障隔離的傳感器信號平方預(yù)期誤差SPE_i計算模塊。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述嵌入式控制器包括信號放大濾波模塊、A/D轉(zhuǎn)換器、多路開關(guān)模塊、串行通信接口及微處理器，所述多路開關(guān)模塊的輸入端與深度傳感器、速度傳感器、姿態(tài)傳感器、聲納傳感器、光學成像傳感器、電池監(jiān)控傳感器、推進監(jiān)控傳感器的輸出端連接，所述多路開關(guān)模塊的輸出端與信號放大濾波模塊電路的輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換器信號輸入端與信號放大濾波模塊電路的輸出端連接，所述微處理器與A/D轉(zhuǎn)換器信號輸出端連接，并與串行通信接口連接。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述水面監(jiān)控器包括故障數(shù)據(jù)顯示模塊、DSP硬件電路接口模塊、串行通信口、供電電源和控制開關(guān)；所述供電電源用于給整個裝置供電，DSP硬件電路接口模塊的輸入端通過串行通信接口與無人潛水器信號預(yù)處理器連接，DSP硬件電路接口模塊的輸出端連接故障數(shù)據(jù)顯示模塊。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述DSP硬件電路接口模塊包括DSP系統(tǒng)電源電路、時鐘與復(fù)位電路、液晶顯示接口電路；所述DSP硬件電路接口模塊的芯片為數(shù)字信號處理器。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述液晶顯示接口電路連接有一液晶顯示器，所述液晶顯示器為能顯示字母、數(shù)字符號、中文字型及圖形，且具有繪圖及文字畫面混合顯示功能的顯示器。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述DSP硬件電路接口模塊的輸出端與故障數(shù)據(jù)顯示模塊連接，液晶顯示器顯示傳感器平方預(yù)期誤差SPE_i和具體的故障傳感器標識。

ROV故障診斷主元分析方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

1)傳感器系統(tǒng)輸出深度電壓信號、速度電壓信號、姿態(tài)電壓信號、聲納電壓信號、光學電壓信號、電池狀態(tài)電壓信號、推進器狀態(tài)電壓信號并接入嵌入式控制器；

2)嵌入式控制器對電壓信號進行放大、濾波預(yù)處理及A/D轉(zhuǎn)換，通過光端機的485串行接口送入無人潛水器水面監(jiān)控系；

3)水面監(jiān)控系統(tǒng)對來自嵌入式控制器的不同時間系列的傳感器電壓信號進行主元分析處理，重構(gòu)各個個傳感器下一時刻的信號大小，與該時刻傳感器實測信號相減再利用差值平方求和，得到無人潛水器傳感器系統(tǒng)的平方預(yù)期誤差SPE，對不同時刻傳感器系統(tǒng)做相似處理，得到在各個時刻的無人潛水器傳感器系統(tǒng)的平方預(yù)期誤差SPE大小分布，利用平方預(yù)期誤差SPE跳變數(shù)值，來判定無人潛水器系統(tǒng)是否發(fā)生故障；

4)如檢測到部件發(fā)生故障，對所有故障信息在液晶LCD上顯示。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述無人潛水器系統(tǒng)是否發(fā)生故障的判定方法為：分別利用某個傳感器i的重構(gòu)值代替下一時刻該傳感器的實測信號，其它兩傳感器仍用實測信號，將各傳感器下一時刻的實測信號與重構(gòu)預(yù)測信號相減，差值平方求和得到無人潛水器對該傳感器i的平方預(yù)期誤差SPE_i，當SPE_i存在跳變時，則對應(yīng)部件i正常，當SPE_i不存在跳變時，則對應(yīng)部件i故障。

本發(fā)明的有益效果在于：

1.用主元分析PCA對無人潛水器狀態(tài)信號進行處理，利用狀態(tài)信號的歷史數(shù)據(jù)對PCA進行訓練，利用訓練后的PCA模型進行未來時刻無人潛水器信號重構(gòu)預(yù)測；計算無人潛水器系統(tǒng)的平方預(yù)期誤差SPE，尋找無人潛水器系統(tǒng)的平方預(yù)期誤差SPE分布與其故障狀態(tài)間存在 映射關(guān)系；

2.分別用無人潛水器某個部件i的狀態(tài)重構(gòu)值代替下一時刻該部件的實測信號，其它部件仍用實測信號，將各部件下一時刻的實測信號與重構(gòu)預(yù)測信號相減，差值平方求和得到無人潛水器對該部件i的平方預(yù)期誤差SPEi，實現(xiàn)無人潛水器系統(tǒng)的故障隔離，并提供一種實用的無人潛水器系統(tǒng)故障診斷方法與裝置。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的ROV故障診斷主元分析裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明所述的DSP系統(tǒng)電源電路的原理圖。

圖3為本發(fā)明所述的時鐘與復(fù)位電路的電路原理圖。

圖4為本發(fā)明所述的液晶顯示接口電路的電路原理圖。

圖5為本發(fā)明所述的ROV故障診斷主元分析方法的流程示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實施方式，進一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明所述的ROV故障診斷主元分析裝置，由無人潛水器傳感器系統(tǒng)1、嵌入式控制器2、光端機3、水面監(jiān)控系統(tǒng)4連接而成。無人潛水器傳感器系統(tǒng)1包括有深度傳感器11、速度傳感器12、姿態(tài)傳感器13、聲納傳感器14、光學成像傳感器15、電池監(jiān)控傳感器16、推進監(jiān)控傳感器17及信號傳輸線；深度傳感器11、速度傳感器12、姿態(tài)傳感器13、聲納傳感器14、光學成像傳感器15、電池監(jiān)控傳感器16、推進監(jiān)控傳感器17與嵌入式控制器2的信號輸入端通過信號傳輸線連接。嵌入式控制器2的信號輸出端與光端機31(水下部分)連接，光端機31輸出端與光端機32(水面部分)連接，光端機31與光端機32之間通過485串行光纖通訊線連接；光端機32的輸出端與水面監(jiān)控系統(tǒng)4的信號輸入端連接。

嵌入式控制器2密封于ROV無人潛水器載體中，包括有信號放大濾波模塊、A/D轉(zhuǎn)換器、多路開關(guān)模塊、485串行通信口及微處理器，多路開關(guān)模塊的輸入端與各信號傳感器連接，所述多路開關(guān)模塊輸出端與信號放大濾波模塊電路輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換器信號的輸入端與信號放大濾波模塊電路的輸出端連接，所述微處理器與A/D轉(zhuǎn)換器信號輸出端連接，并與485串行通信口連接。

光端機3，包括密封于ROV無人潛水器載體中的光端機31和水面母船上的光端機32，兩者通過光纖連接，采用RS-485串口通信方式傳送無人潛水器的傳感器信號；

水面監(jiān)控系統(tǒng)3，包括故障數(shù)據(jù)顯示模塊、DSP硬件電路接口模塊、485串行通信口、供電電源、控制開關(guān)，所述供電電源給整個裝置供電，DSP硬件電路接口模塊的輸入端通過485串行通信口與無人潛水器信號預(yù)處理器連接，輸出端接故障數(shù)據(jù)顯示模塊。

水面監(jiān)控系統(tǒng)3中，還包括一故障傳感器的隔離模塊，所述隔離模塊與DSP硬件電路接口模塊的輸出端連接，該隔離模塊分別用某個傳感器i的重構(gòu)值代替下一時刻該傳感器的實測信號，其它兩傳感器仍用實測信號，將各傳感器下一時刻的實測信號與重構(gòu)預(yù)測信號相減，差值平方求和得到無人潛水器對該傳感器i的平方預(yù)期誤差SPE_i，當SPE_i存在跳變時，則對應(yīng)的部件i正常，當SPE_i不存在跳變時，則對應(yīng)的部件i故障，從而隔離出具體的故障部件。

DSP硬件電路接口模塊，包括DSP系統(tǒng)電源電路、時鐘與復(fù)位電路、液晶顯示接口電路；DSP芯片采用TI公司的C54X系列TMS320VC5402數(shù)字信號處理器；振動位移數(shù)值顯示模塊采用ST7920控制器驅(qū)動的點陣液晶顯示模塊OCM4×8C，該模塊可以顯示字母、數(shù)字符號、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能。DSP系統(tǒng)電源電路如圖2所示，時鐘與復(fù)位電路分別如圖3所示，液晶顯示接口電路如圖4所示。上述電路對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，是熟知的，在此不做詳細描述。

設(shè)置于無人潛水器上的深度傳感器用以測量無人潛水器的水中深度，并將測得的深度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樯疃入妷盒盘枺?/p>

設(shè)置于無人潛水器上的速度傳感器用以測量無人潛水器的航行速度，并將測得的航行速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣入妷盒盘枺?/p>

設(shè)置于無人潛水器上的姿態(tài)傳感器用以測量無人潛水器的轉(zhuǎn)首、縱傾和橫搖方向，并將測得的方向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電壓信號；

設(shè)置于無人潛水器上的聲納傳感器用以測量無人潛水器的前方圖像，并將測得的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電壓信號；

設(shè)置于無人潛水器上的光學成像傳感器用以測量無人潛水器的周圍的圖像，并將測得的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電壓信號；

設(shè)置于無人潛水器上的電池監(jiān)控傳感器用以測量無人潛水器電池組工作狀態(tài)，并將測得的狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電壓信號；

設(shè)置于無人潛水器上的推進監(jiān)控傳感器用以測量無人潛水器推進器的工作狀態(tài)，并將測得的狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電壓信號；

設(shè)置在無人潛水器上的嵌入式控制器的信號輸入端與所述深度傳感器、速度傳感器、姿態(tài)傳感器、聲納傳感器、光學成像傳感器、電池監(jiān)控傳感器、推進器監(jiān)控傳感器信號連接，以接收所述深度傳感器、速度傳感器、姿態(tài)傳感器、聲納傳感器、光學成像傳感器、電池監(jiān) 控傳感器、推進監(jiān)控傳感器發(fā)送過來的深度電壓信號、速度電壓信號、姿態(tài)電壓信號、聲納電壓信號、光學電壓信號、電池狀態(tài)電壓信號、推進器狀態(tài)電壓信號。

設(shè)置在無人潛水器上的光端機31與水面母船上的光端機32通過光纖連接，采用RS-485串口通信方式傳送無人潛水器的傳感器信號到水面監(jiān)控系統(tǒng)；

設(shè)置在水面母船上的水面監(jiān)控系統(tǒng)與無人潛水器上的光端機32輸出端連接，以接收嵌入式控制器發(fā)送過來的各種信號進行主元分析PCA處理，并進行無人潛水器故障檢測與隔離。該水面監(jiān)控系統(tǒng)進行分析數(shù)據(jù)、檢測傳感器系統(tǒng)故障、隔離故障部件等功能主要由它內(nèi)置的控制驅(qū)動程序完成，該控制程序包括485通信程序、主元分析PCA程序、傳感器系統(tǒng)的平方預(yù)期誤差SPE計算程序、傳感器i的平方預(yù)期誤差SPE_i計算程序和故障結(jié)果顯示處理程序五部分，485通信程序驅(qū)動無人潛水器嵌入式控制器完成傳感器信號傳輸任務(wù)；主元分析PCA程序是傳感器故障檢測、隔離工具，利用傳感器歷史數(shù)據(jù)進行訓練；傳感器系統(tǒng)的平方預(yù)期誤差SPE計算程序?qū)崿F(xiàn)無人潛水器系統(tǒng)故障檢測，傳感器i的平方預(yù)期誤差SPE_i計算程序完成無人潛水器故障部件隔離；故障結(jié)果顯示程序?qū)o人潛水器的故障狀態(tài)進行實時顯示與報警。

整個發(fā)明工作時如圖5所示：深度傳感器11、速度傳感器12、姿態(tài)傳感器13、聲納傳感器14、光學成像傳感器15、電池監(jiān)控傳感器16、推進監(jiān)控傳感器17及信號傳輸線；深度傳感器11、速度傳感器12、姿態(tài)傳感器13、聲納傳感器14、光學成像傳感器15、電池監(jiān)控傳感器16、推進監(jiān)控傳感器17分別輸出與各個信號對應(yīng)的電壓信號，并接入嵌入式控制器2；嵌入式控制器2中，對電壓信號進行放大、濾波預(yù)處理及A/D轉(zhuǎn)換，通過光端機3的485串行接口送入無人潛水器水面監(jiān)控系統(tǒng)4；在水面監(jiān)控系統(tǒng)4中，對來嵌入式控制器2的不同時間系列的傳感器電壓信號進行主元分析NPCA(Principal Component Analysis)處理，重構(gòu)各個個傳感器下一時刻的信號大小，與該時刻傳感器實測信號相減再利用差值平方求和，得到無人潛水器傳感器系統(tǒng)的平方預(yù)期誤差SPE(Squared Prediction Error)，對不同時刻傳感器系統(tǒng)做相似處理，得到在各個時刻的無人潛水器傳感器系統(tǒng)的平方預(yù)期誤差SPE大小分布，利用平方預(yù)期誤差SPE跳變數(shù)值，來判定無人潛水器系統(tǒng)是否發(fā)生故障；無人潛水器系統(tǒng)的故障部件隔離方法，是分別用某個傳感器i的重構(gòu)值代替下一時刻該傳感器的實測信號，其它兩傳感器仍用實測信號，將各傳感器下一時刻的實測信號與重構(gòu)預(yù)測信號相減，差值平方求和得到無人潛水器對該傳感器i的平方預(yù)期誤差SPE_i，當SPE_i存在跳變時，則對應(yīng)部件i正常，當SPE_i不存在跳變時，則對應(yīng)部件i故障。對檢測到的故障部件進行隔離，最后對所有故障信息在液晶LCD上顯示。

本發(fā)明的工作過程：一新型ROV無人潛水器，是本發(fā)明的實驗載體，七種傳感器(深度 、速度、姿態(tài)、聲納、光學、電池監(jiān)控、推進監(jiān)控)安裝在ROV水下載體上，按照圖1結(jié)構(gòu)連接各個設(shè)備，再按圖5的故障診斷流程進行無人潛水器故障檢測與隔離處理。按下水面監(jiān)控系統(tǒng)4薄膜面板的"信號采樣"按鈕，則水面監(jiān)控系統(tǒng)4啟動通信程序驅(qū)動無人潛水器嵌入式控制器2，通過光端機3的串行接口將傳感器正常時的深度、速度、姿態(tài)、聲納、光學、電池監(jiān)控、推進監(jiān)控的電壓信號送入水面監(jiān)控系統(tǒng)4并保存；按下水面監(jiān)控系統(tǒng)4薄膜面板的"PCA訓練"按鈕，則水面監(jiān)控系統(tǒng)4啟動PCA訓練處理程序，用采集的深度、速度、姿態(tài)、聲納、光學、電池監(jiān)控、推進監(jiān)控的歷史信號進行PCA訓練處理，得到保存了無人潛水器傳感器信息的PCA模型；按下水面監(jiān)控系統(tǒng)4薄膜面板的的"故障檢測"按鈕，則水面監(jiān)控系統(tǒng)4啟動故障檢測程序，計算無人潛水器傳感器系統(tǒng)的平方預(yù)期誤差SPE的分布并判定無人潛水器系統(tǒng)的工作狀態(tài)，由圖4的液晶電路顯示平方預(yù)期誤差SPE的分布狀況，并判定無人潛水器系統(tǒng)有無故障發(fā)生；按下水面監(jiān)控系統(tǒng)4薄膜面板的的"故障隔離"按鈕，則水面監(jiān)控系統(tǒng)4啟動故障隔離程序，分別用某個傳感器i的重構(gòu)值代替下一時刻該傳感器的實測信號，其它兩傳感器仍用實測信號，計算無人潛水器對該傳感器i的平方預(yù)期誤差SPE_i，由圖4的液晶電路顯示平方預(yù)期誤差SPE_i的分布狀況，并判定具體的故障部件。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。