自主水下機(jī)器人的故障監(jiān)測(cè)與診斷

白少偉 石恒碩

摘 要 如今，隨著自主式水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicle， AUV）在海底資源探測(cè)和軍事科學(xué)范疇的廣泛應(yīng)用，AUV的穩(wěn)定性成為大家關(guān)注和研究的重要方面。針對(duì)水下機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程所包含的基本環(huán)節(jié)，本文從傳感器系統(tǒng)及推進(jìn)器系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)出發(fā)，建立了基于硬件平臺(tái)的智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)水池實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了推進(jìn)器故障模擬實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行了推進(jìn)器、傳感器故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)水池實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的水下機(jī)器人智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法的有效性和可行性。實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下機(jī)器人推進(jìn)器系統(tǒng)與傳感器系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷。

【關(guān)鍵詞】AUV 狀態(tài)監(jiān)測(cè) 故障診斷 穩(wěn)定性

1 引言

由于自主水下機(jī)器人功能復(fù)雜，內(nèi)部傳感器模塊眾多，導(dǎo)致其底層電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜多樣，在保障系統(tǒng)各模塊穩(wěn)定工作互不干擾的同時(shí)又要考慮電控系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和通用性。一個(gè)完善的監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)可以在復(fù)雜多變的海況中保證AUV穩(wěn)定運(yùn)行，并且能探測(cè)并記錄所有科考數(shù)據(jù)，完成各項(xiàng)任務(wù)。且一旦發(fā)生故障能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并定位其具體所在位置，迅速根據(jù)預(yù)設(shè)程序執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，避免造成更大的損失。對(duì)自主式水下機(jī)器人進(jìn)行故障診斷及狀態(tài)監(jiān)測(cè)，保證及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障，評(píng)價(jià)狀態(tài)，對(duì)于提高其自身的安全、部件的可靠，以較高的利用效率進(jìn)行水下試驗(yàn)、工作等，都具有現(xiàn)實(shí)意義。故障監(jiān)測(cè)與診斷是保證AUV在水下安全工作的重要手段，其通過(guò)對(duì)CAN信息讀取來(lái)判斷AUV當(dāng)前狀態(tài)，以確保能實(shí)時(shí)地探測(cè)AUV內(nèi)外環(huán)境的有效數(shù)據(jù)，保證AUV順利的完成各項(xiàng)科考任務(wù)。

2 故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)

本監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)主要包含實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷兩部分。

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包含：

（1）電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)；

（2）供電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)；

（3）溫濕度監(jiān)測(cè)；

（4）艙內(nèi)氣壓監(jiān)測(cè)；

（5）艙體泄漏監(jiān)測(cè)。

各監(jiān)測(cè)模塊均由單片機(jī)dsPIC30F4011負(fù)責(zé)信息采集，然后以CAN總線的形式與主機(jī)進(jìn)行通信，其工作原理如圖1所示。

其中電機(jī)狀態(tài)包括當(dāng)前轉(zhuǎn)速、電機(jī)供電電流與電壓，前者通過(guò)電機(jī)內(nèi)部霍爾傳感器進(jìn)行讀取，后者通過(guò)HXN50-P與LV25-P進(jìn)行采集，后由單片機(jī)4011進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換輸出所需電壓電流值；泄露監(jiān)測(cè)通過(guò)兩排交錯(cuò)的軟PCB通過(guò)兩端的通斷來(lái)判斷是否漏水；溫濕度通過(guò)傳感器SHT75測(cè)量；氣壓通過(guò)MS5611-01模塊測(cè)量；供電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主要用于監(jiān)測(cè)主要供電模塊的供電是否正常，其通過(guò)光電耦合器TLP521來(lái)實(shí)現(xiàn)，工作原理如圖2所示。

2.2 故障診斷

診斷部分主要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析總結(jié)，實(shí)驗(yàn)表明部分故障可以通過(guò)硬件電路監(jiān)測(cè)，如誤接地故障，漏液檢測(cè)等。為了細(xì)化故障診斷，其中部分故障可以通過(guò)分析實(shí)際的模擬量，例如與底層電路故障緊密相連的電流電壓可結(jié)合具體信號(hào)分析算法以檢測(cè)分析，對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行定性與定位。推進(jìn)器堵轉(zhuǎn)和電路元器件的短路同樣會(huì)造成電流激增，但其電流波形的細(xì)節(jié)特征不同，傳統(tǒng)的硬件電路監(jiān)測(cè)難以甄別，需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持。

表1為實(shí)驗(yàn)常見(jiàn)故障分類(lèi)、舉例與檢測(cè)需要的樣本。

3 結(jié)論

本文在詳細(xì)的介紹了基于硬件平臺(tái)的AUV監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量先驗(yàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)AUV的故障診斷，最后對(duì)AUV常見(jiàn)故障進(jìn)行了梳理分類(lèi)總結(jié)，通過(guò)上述故障分類(lèi)可以快速定位故障以減少損失。基于硬件平臺(tái)的故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于其實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確，適合用于AUV的前期研發(fā)與測(cè)試；其不足是需要測(cè)試設(shè)備過(guò)多，使系統(tǒng)復(fù)雜，增加了成本。因此可以將該方法與其他診斷方法相結(jié)合，用于AUV的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷。

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作者單位

中國(guó)海洋大學(xué) 山東省青島市 266100