专利名称：水下机器人驱动电机故障灰色预测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机械设备故障诊断预测技术领域，具体的来说涉及一种适用于水 下机器人驱动电机故障预测的小波分析与灰色故障预测的装置。
背景技术：
目前水下机器人已有结果报道，在公开号为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。该专利包括机器 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。该专利具 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，电池能力，高速串口，实时数据采集及其控制系统的设计。以上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。由此可见其可靠性研究十分重要。而驱动电机作为水下机 器人推进系统的核心装置，是水下机器人最重要的故障来源之一。因此，开展水下机器人驱 动电机故障诊断及故障预测预报技术研究，实现水下机器人早期“预报”，对保证水下机器 人系统可靠性具有重要意义。
实用新型内容为了解决上述问题，本实用新型提供一种水下机器人驱动电机故障灰色预测装 置，以解决现有技术中水下机器人驱动电机故障无法预测、而导致水下机器人无法进行水 下作业的问题。为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下—种水下机器人驱动电机故障灰色预测装置，其特征在于，设置在水下机器人主 体上并与该水下机器人主体连接，包括一用于测试电机振动位移并输出电压信号的振动位移信号传感器，所述振动位移 信号传感器固定水下机器人主体的驱动电机上；一与所述振动位移信号传感器电路连接的位移信号采样调理装置；一与所述位移信号采样调理装置以232串行接口连接并接受振动位移信号并分 析预测未来时刻振动信号的故障预测装置。进一步，在本实用新型中，所述位移信号采样调理装置，包括有振动位移数值显示窗口、232串行通信口、电源开关、信号放大滤波模块、与信号放大滤波模块电路输入端连接 的A/D转换器，所述A/D转换器信号输入端与振动位移信号传感器连接，所述信号放大滤波 模块电路的输出端与232串行通信口连接。进一步，在本实用新型中，所述故障预测装置，包括振动位移数值显示模块、DSP硬 件电路接口模块、给整个水下机器人驱动电机故障灰色预测装置供电的供电电源、控制开 关，DSP硬件电路接口模块的输入端与位移信号采样调理装置连接，DSP硬件电路接口模块 的输出端接振动位移数值显示模块。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。所述振动位移数值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。本实用新型的有益效果1.本实用新型的故障预测装置对来自位移信号采样调理装置的不同时间系列的 电压信号进行小波分析处理，得到水下机器人的驱动电机不同频段的能量函数大小，然后 再利用灰色预测原理预测未来各个时刻的不同频段的能量函数大小，利用反小波变换得到 未来各个时刻的驱动电机振动位移数值，从而准确预测驱动电机未来工作状况。本实用新 型解决了现有技术中水下机器人驱动电机故障无法预测、而导致水下机器人无法进行水下 作业的问题。2.本实用新型不仅可以预测水下机器人驱动电机故障状况，而且可以预测正常工 作状况的振动信号数值。3.本实用新型的水下机器人驱动电机故障灰色预测装置设计方便、结构合理、部 件采购周期短、成本低。
以下结合附图和具体实施方式
来详细说明本实用新型
图1为本实用新型的水下机器人驱动电机故障灰色预测装置的结构关系图；图2为本实用新型的故障预测流程图；图3为本实用新型的A/D转换接口电路图；图4为本实用新型的DSP系统电路图；图5a为本实用新型的时钟电路图；图5b为本实用新型的复位电路图；图6为本实用新型的液晶显示接口电路图；图7为本实用新型的振动位移时域信号图；图8为本实用新型的水下机器人驱动电机的振动位移小波变换后的频域能量分 布图。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、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，进一步阐述本实用新型。[0030]参看图1，一种水下机器人驱动电机故障灰色预测装置，设置在水下机器人主体上 并与该水下机器人主体连接。该水下机器人驱动电机故障灰色预测装置主要包括用于测试电机振动位移并输 出电压信号的振动位移信号传感器1、与所述振动位移信号传感器电路连接的位移信号采 样调理装置2、与所述位移信号采样调理装置以232串行接口连接并接受振动位移信号并 分析预测未来时刻振动信号的故障预测装置3。振动位移信号传感器1为将振动位移信号转换为对应的电压信号的传感器，包括 有压电陶瓷、磁铁及信号传输线；用来将振动位移信号转换为对应的电压信号。位移信号采样调理装置2包括有振动位移数值显示窗口、232串行通信口、电源开 关、信号放大滤波模块、与信号放大滤波模块电路输入端连接的A/D转换器，A/D转换器信 号输入端与振动位移信号传感器连接，所述信号放大滤波模块电路的输出端与232串行通 信口连接。来自振动位移信号传感器1电压信号，通过信号放大滤波模块和A/D转换器处 理，在进行振动位移数值显示窗口显示的同时，在通信驱动程序控制下，通过232串行通信 口向故障预测装置3传送振动位移测试值；A/D转换器采用TI公司生产的过采样Σ -Δ技 术的模拟接口芯片(TLC320AD50C)，它集成了 16位A/D和D/A转换通道，其内部ADC之后有 一个抽取滤波器，DAC之前有一个插值滤波器，接收和发送可以同时进行。A/D转换接口电 路图如图3所示。故障预测装置3包括有DSP硬件电路接口模块、振动位移数值显示模块、232串 行通信口、供电电源、控制开关，供电电源给整个水下机器人驱动电机故障灰色预测装置供 电，DSP硬件电路接口模块的输入端通过232串行通信口与位移信号采样调理装置连接， 输出端接振动位移数值显示模块。它主要控制其与位移信号采样调理装置2的数据通信， 实现小波分析、灰色预测模型和驱动电机未来故障预测。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0CM4X8C，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4所示，时钟电路如图5a所示，复位电路如图 5b所示。振动位移信号传感器1测试水下机器人主体的驱动电机的振动位移，振动位移信 号传感器1输出与振动信号对应的电压信号，并接入位移信号采样调理装置2 ；位移信号采 样调理装置2中，对电压信号进行放大、滤波预处理及A/D转换，通过232串行接口与故障 预测装置3进行串行数据通信；在故障预测装置3中，对来自位移信号采样调理装置2的不 同时间系列的电压信号进行小波分析处理，得到驱动电机不同频段的能量函数大小，然后 再利用灰色预测原理预测未来各个时刻的不同频段的能量函数大小，利用反小波变换得到 未来各个时刻的驱动电机振动位移数值，从而准确预测驱动电机未来工作状况。整个过程 由内置的控制驱动程序完成，该控制程序包括采样程序、通信程序、小波分析程序、灰色预 测模型和故障预测程序五部分，采样程序内置于位移信号采样调理装置2中，驱动采样装 置完成采样任务；通信程序分别内置于位移信号采样调理装置2和故障预测装置3中，控制 两两之间的数据通信和数据保存；小波分析程序、灰色预测模型和故障预测程序内置于故 障预测装置3中，完成驱动电机的故障预测。[0036]本专利工作过程一水下机器人实验平台，是本专利实施例的故障预测对象，它可 以设置水下机器人的驱动电机的各种故障模式；按照图1结构连接各个设备，再按图2的故 障预测流程进行预测处理，将振动位移信号传感器1固定到的水下机器人实验台上，待信 号稳定后，按下故障预测装置3薄膜面板的"信号采样"按钮，则故障预测装置3启动通信 程序驱动位移信号采样调理装置2，通过串行接口将振动位移的电压信号送入故障预测装 置3并保存；按下故障预测装置3薄膜面板的"小波分析"按钮，则故障预测装置3启动小 波分析处理程序，对采集的振动信号进行小波分析处理，得到驱动电机不同时间系列的不 同频段能量函数大小并保存；按下故障预测装置3薄膜面板的"灰色模型"按钮，则故障 预测装置3启动灰色预测处理程序，利用驱动电机不同时间系列的不同频段能量函数值建 立灰色预测模型，计算下一时刻驱动电机的不同频段能量函数值并保存；按下故障预测装 置3薄膜面板的"故障预测"按钮，则故障预测装置3启动故障预测程序，计算下一时刻驱 动电机的振动位移预测数值并判定驱动电机的工作状态，由图6的液晶电路显示驱动电机 未来工作状况。图7是水下机器人驱动电机的振动位移时域信号图；图8是水下机器人驱 动电机的振动位移小波变换后的频域能量分布图。故障预测流程图参看图2。本实用新型用小波分析的方法对水下机器人驱动电机故障信号进行多尺度分解， 从各尺度分解重构波形及其频谱图提取故障信号微细特征；寻找电机振动信号的能量分布 与其故障状态间存在映射关系，利用灰色预测原理预测出能量特征向量及其变化趋势从而 预测出故障发生的可能性及故障模式。以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行 业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各 种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求 的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
权利要求一种水下机器人驱动电机故障灰色预测装置，其特征在于，设置在水下机器人主体上并与该水下机器人主体连接，包括一用于测试电机振动位移并输出电压信号的振动位移信号传感器，所述振动位移信号传感器固定水下机器人主体的驱动电机上；一与所述振动位移信号传感器电路连接的位移信号采样调理装置；一与所述位移信号采样调理装置以232串行接口连接并接受振动位移信号并分析预测未来时刻振动信号的故障预测装置。
2.根据权利要求1所述的水下机器人驱动电机故障灰色预测装置，其特征在于，所述 位移信号采样调理装置，包括有振动位移数值显示窗口、232串行通信口、电源开关、信号放 大滤波模块、与信号放大滤波模块电路输入端连接的A/D转换器，所述A/D转换器信号输入 端与振动位移信号传感器连接，所述信号放大滤波模块电路的输出端与232串行通信口连 接。
3.根据权利要求1所述的水下机器人驱动电机故障灰色预测装置，其特征在于，所述 故障预测装置，包括振动位移数值显示模块、DSP硬件电路接口模块、给整个水下机器人驱 动电机故障灰色预测装置供电的供电电源、控制开关，DSP硬件电路接口模块的输入端与位 移信号采样调理装置连接，DSP硬件电路接口模块的输出端接振动位移数值显示模块。
4.根据权利要求3所述的水下机器人驱动电机故障灰色预测装置，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所述的水下机器人驱动电机故障灰色预测装置，其特征在于，所述 振动位移数值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。
专利摘要一种水下机器人驱动电机故障灰色预测装置，设置在水下机器人主体上并与该水下机器人主体连接，包括一用于测试电机振动位移并输出电压信号的振动位移信号传感器，所述振动位移信号传感器固定水下机器人主体的驱动电机上；一与所述振动位移信号传感器电路连接的位移信号采样调理装置；一与所述位移信号采样调理装置以232串行接口连接并接受振动位移信号并分析预测未来时刻振动信号的故障预测装置。本实用新型的有益效果本实用新型解决了现有技术中水下机器人驱动电机故障无法预测、而导致水下机器人无法进行水下作业问题。
文档编号G01H11/08GK201672969SQ201020191208
公开日2010年12月15日 申请日期2010年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者刘乾, 朱大奇, 杨勇生, 顾伟, 颜明重 申请人:上海海事大学