ROV故障诊断主元分析装置的制作方法

本发明涉及无人潜水器状态监控技术领域，特别涉及一种ROV故障诊断主元分析方法与装置。

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，无人潜水器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无人潜水器，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英寸的无人潜水器。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潜水器装置的设计，但由于海洋深处工作环境的复杂性，不可预测性，无人潜水器一旦出现故障，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。而直接服务于无人潜水器可靠性控制技术的研究几乎还是空白，无人潜水器ROV的故障检测与隔离技术的研究未见任何专利公开。

综上所述，针对现有技术的缺陷，特别需要一种缆控无人潜水器ROV故障自动诊断装置和方法，以解决以上提到的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种ROV故障诊断主元分析方法与装置。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

ROV故障诊断主元分析装置，其特征在于，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：

深度传感器，设置于无人潜水器上，用于测量无人潜水器在水中的深度，并将测得的深度数据转变为深度电压信号；速度传感器，用于测量无人潜水器的航行速度，并将测得的航行速度数据转变为速度电压信号；姿态传感器，用于测量无人潜水器的水下姿态，并将测得的方向数据转变为姿态电压信号；声纳传感器，用于测量无人潜水器前视环境，并将测得的图像数据转变为电压信号；光学成像传感器，用于测量无人潜水器周围环境，并将测得的图像数据转变为电压信号；电池监控传感器，用于测量无人潜水器电池组状态，并将电池组状态数据转变为电压信号；推进器监控传感器，用于测量无人潜水器推进器转速，并将推进器转速数据转变为电压信号；

所述嵌入式控制器安装于无人潜水器上，嵌入式控制器的信号输入端与上述传感器的信号输出端连接，用于接收上述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；所述嵌入式控制器内部设有用于驱动传感器信号传输任务的通信模块；

所述光端机设置有一对，分别安装在水面母船和无人潜水器上，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；位于无人潜水器上的光端机的信号输入端与嵌入式控制器的信号输出端连接，水面母船上的光端机的信号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；

所述水面监控系统安装在水面母船上，水面监控系统的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无人潜水器进行故障检测隔离的主元分析PCA模块、实现无人潜水器系统故障检测的传感器信号平方预期误差SPE计算模块、完成无人潜水器系统故障隔离的传感器信号平方预期误差SPE_i计算模块。

在本发明的一个实施例中，所述嵌入式控制器包括信号放大滤波模块、A/D转换器、多路开关模块、串行通信接口及微处理器，所述多路开关模块的输入端与深度传感器、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、推进监控传感器的输出端连接，所述多路开关模块的输出端与信号放大滤波模块电路的输入端连接，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，并与串行通信接口连接。

在本发明的一个实施例中，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、供电电源和控制开关；所述供电电源用于给整个装置供电，DSP硬件电路接口模块的输入端通过串行通信接口与无人潜水器信号预处理器连接，DSP硬件电路接口模块的输出端连接故障数据显示模块。

在本发明的一个实施例中，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。

在本发明的一个实施例中，所述液晶显示接口电路连接有一液晶显示器，所述液晶显示器为能显示字母、数字符号、中文字型及图形，且具有绘图及文字画面混合显示功能的显示器。

在本发明的一个实施例中，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，液晶显示器显示传感器平方预期误差SPE_i和具体的故障传感器标识。

ROV故障诊断主元分析方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)传感器系统输出深度电压信号、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并接入嵌入式控制器；

2)嵌入式控制器对电压信号进行放大、滤波预处理及A/D转换，通过光端机的485串行接口送入无人潜水器水面监控系；

3)水面监控系统对来自嵌入式控制器的不同时间系列的传感器电压信号进行主元分析处理，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，得到无人潜水器传感器系统的平方预期误差SPE，对不同时刻传感器系统做相似处理，得到在各个时刻的无人潜水器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，来判定无人潜水器系统是否发生故障；

4)如检测到部件发生故障，对所有故障信息在液晶LCD上显示。

在本发明的一个实施例中，所述无人潜水器系统是否发生故障的判定方法为：分别利用某个传感器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，差值平方求和得到无人潜水器对该传感器i的平方预期误差SPE_i，当SPE_i存在跳变时，则对应部件i正常，当SPE_i不存在跳变时，则对应部件i故障。

本发明的有益效果在于：

1.用主元分析PCA对无人潜水器状态信号进行处理，利用状态信号的历史数据对PCA进行训练，利用训练后的PCA模型进行未来时刻无人潜水器信号重构预测；计算无人潜水器系统的平方预期误差SPE，寻找无人潜水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；

2.分别用无人潜水器某个部件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，差值平方求和得到无人潜水器对该部件i的平方预期误差SPEi，实现无人潜水器系统的故障隔离，并提供一种实用的无人潜水器系统故障诊断方法与装置。

附图说明

图1为本发明所述的ROV故障诊断主元分析装置的结构框图。

图2为本发明所述的DSP系统电源电路的原理图。

图3为本发明所述的时钟与复位电路的电路原理图。

图4为本发明所述的液晶显示接口电路的电路原理图。

图5为本发明所述的ROV故障诊断主元分析方法的流程示意图。

具体实施方式

为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，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明所述的ROV故障诊断主元分析装置，由无人潜水器传感器系统1、嵌入式控制器2、光端机3、水面监控系统4连接而成。无人潜水器传感器系统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ROV无人潜水器载体中，包括有信号放大滤波模块、A/D转换器、多路开关模块、485串行通信口及微处理器，多路开关模块的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转换器信号的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ROV无人潜水器载体中的光端机31和水面母船上的光端机32，两者通过光纤连接，采用RS-485串口通信方式传送无人潜水器的传感器信号；

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串行通信口与无人潜水器信号预处理器连接，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，差值平方求和得到无人潜水器对该传感器i的平方预期误差SPE_i，当SPE_i存在跳变时，则对应的部件i正常，当SPE_i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。

设置于无人潜水器上的深度传感器用以测量无人潜水器的水中深度，并将测得的深度数据转变为深度电压信号；

设置于无人潜水器上的速度传感器用以测量无人潜水器的航行速度，并将测得的航行速度数据转变为速度电压信号；

设置于无人潜水器上的姿态传感器用以测量无人潜水器的转首、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；

设置于无人潜水器上的声纳传感器用以测量无人潜水器的前方图像，并将测得的图像数据转变为相应电压信号；

设置于无人潜水器上的光学成像传感器用以测量无人潜水器的周围的图像，并将测得的图像数据转变为相应电压信号；

设置于无人潜水器上的电池监控传感器用以测量无人潜水器电池组工作状态，并将测得的状态数据转变为相应电压信号；

设置于无人潜水器上的推进监控传感器用以测量无人潜水器推进器的工作状态，并将测得的状态数据转变为相应电压信号；

设置在无人潜水器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。

设置在无人潜水器上的光端机31与水面母船上的光端机32通过光纤连接，采用RS-485串口通信方式传送无人潜水器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无人潜水器上的光端机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PCA处理，并进行无人潜水器故障检测与隔离。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SPE_i计算程序和故障结果显示处理程序五部分，485通信程序驱动无人潜水器嵌入式控制器完成传感器信号传输任务；主元分析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计算程序实现无人潜水器系统故障检测，传感器i的平方预期误差SPE_i计算程序完成无人潜水器故障部件隔离；故障结果显示程序对无人潜水器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串行接口送入无人潜水器水面监控系统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NPCA(Principal Component Analysis)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，得到无人潜水器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，得到在各个时刻的无人潜水器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，来判定无人潜水器系统是否发生故障；无人潜水器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，差值平方求和得到无人潜水器对该传感器i的平方预期误差SPE_i，当SPE_i存在跳变时，则对应部件i正常，当SPE_i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：一新型ROV无人潜水器，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ROV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无人潜水器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启动通信程序驱动无人潜水器嵌入式控制器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"PCA训练"按钮，则水面监控系统4启动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PCA训练处理，得到保存了无人潜水器传感器信息的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，计算无人潜水器传感器系统的平方预期误差SPE的分布并判定无人潜水器系统的工作状态，由图4的液晶电路显示平方预期误差SPE的分布状况，并判定无人潜水器系统有无故障发生；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，计算无人潜水器对该传感器i的平方预期误差SPE_i，由图4的液晶电路显示平方预期误差SPE_i的分布状况，并判定具体的故障部件。

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。