水下通信機器人機械故障自動化檢測系統(tǒng)

劉業(yè)輝，楊洪濤，王 巍

（北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042）

0 引言

水下通信機器人是一種能在水下自由移動并能根據(jù)指令完成特殊通信任務(wù)的機械裝置，一般分為載人式水下通信機器人、遙控式水下通信機器人和自主式通信水下機器人[1]。不管是在石油開采、海上養(yǎng)殖或者是在軍事方面情報搜集與監(jiān)視，水下機器人都有著不可替代的意義[2]。水下機器人通過自身攜帶的各個傳感器的測量速度、高度、濕度、密度、壓力等信號，經(jīng)過CPU進行處理，向水下機器人發(fā)送智能化的自主控制命令，水上工程人員操作水下機器人獨立完成指令，例如：深海航行、海洋探尋、水下定位等等，水下機器人可利用水聲通信或者浮出水面與衛(wèi)星或者地上控制人員進行無線通信，水下機器人在水下活動時，因為沒有電纜使其活動范圍大大增加，可以更加去完成探尋任務(wù)，保障了工作順利完成。

水下通信機器人的水下續(xù)航能力會受到供能情況的影響，這時其只能完成簡單以及負載輕的動作，所以提供給水下通信機器人的能源問題是一個關(guān)鍵問題，并且自身攜帶的CPU的處理能力也是一個主要問題，除此之外，水下通信機器人還存在抗干擾能力較差，檢測時間過長，檢測結(jié)果實時性差等問題。

國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者針對水下機器人存在的問題展開了研究。文獻[3]提出了基于信號提純的機械故障檢測系統(tǒng)，通過信號提純分解水下機器人電流信號形成能量譜，利用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)故障識別，從而完成故障檢測。文獻[4]提出了基于一種基于UKF的水下航行器IMU故障檢測與診斷系統(tǒng)，利用微機電系統(tǒng)陀螺儀傳感器以確定機器人姿態(tài)作為控制器系統(tǒng)的輸入，將姿態(tài)調(diào)整到期望值，通過一個三自由度狀態(tài)進行了數(shù)值仿真，實現(xiàn)故障檢測。

但上述傳統(tǒng)系統(tǒng)存在抗干擾能力較差、檢測時間較長、準確率較低的問題。為此，本文設(shè)計了基于灰色關(guān)聯(lián)模型的水下通信機器人機械故障自動化檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文系統(tǒng)的硬件主要由四部分組成：單片機數(shù)據(jù)處理模塊、RS-485串行通信模塊、液晶顯示模塊和按鍵控制模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

觀察圖1可知，單片機采用高速XEAN的6052F250微處理器，液晶屏采用ICMJ3X7B-3液晶屏，控制鍵盤采用4×4矩陣結(jié)構(gòu)鍵盤。水下通信機器人通過RS-485串行通信和單片機將數(shù)據(jù)參數(shù)傳輸，同時將數(shù)據(jù)參數(shù)傳輸回PC。LCD液晶顯示器用于顯示由單片機接收的水下通信機器人發(fā)送的數(shù)據(jù)參數(shù)和故障自動化檢測。按鍵控制用于控制水下通信機器人在水下的運動狀態(tài)，并控制其完成水下數(shù)據(jù)收集動作。

1.1 單片機數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計

C6052F串行單片機與高速微控制器內(nèi)核結(jié)合在一起，并與MCU-52指令命令完全兼容，單片機是其中的高速的一種，其完成動作的速度能夠達到150或60MI/s，其高速程序內(nèi)存器存儲容量能夠達到148kB，安全區(qū)片內(nèi)的外部數(shù)據(jù)參數(shù)存儲區(qū)達到8882B，其尋址空間為64K。單片機的串行接口具有3個UART，為了確保與水下通信機器人的高速通信，在設(shè)計當中，C6052F132芯片需要外接23.1235MHz晶振，經(jīng)過5/2倍頻得到60MHz。

1.2 RS-485串口通信模塊設(shè)計

由之前的硬件電路設(shè)計可知，采用RS-485串口通信方式不僅實現(xiàn)基于灰色關(guān)聯(lián)模型的水下通信機器人故障自動化檢測系統(tǒng)中水下通信機器人控制轉(zhuǎn)換器與單片機的通信，還實現(xiàn)了計算機程序與水下通信機器人采集到的有效數(shù)據(jù)的通信。實際操作系統(tǒng)中，有個RS-485串口與單片機相連接，連接方式如圖2所示。

圖2 RS-485串口連接方式

本文系統(tǒng)采用MIC3133芯片組成RS-485串口通信，MIC3133芯片是用于RS-485標準串行通信的接口電路模型集，比特率為36400bit/s。在該接口電路中，雙向數(shù)據(jù)通道用于檢測水下通信機器人從C6052F130芯片傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。單片機發(fā)送給系統(tǒng)控制器的控制信號命令通過MIC3133轉(zhuǎn)換為相應(yīng)指令，能夠針對水下通信機器人的水下運動狀態(tài)發(fā)出相應(yīng)的運動指令，并且水下通信機器人將由其水下操作引起的相關(guān)控制數(shù)據(jù)返回給地面管理人員。控制數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)參數(shù)分析以及機器故障自動化檢測。

1.3 液晶顯示模塊設(shè)計

由單片機程序發(fā)送相應(yīng)命令由控制器傳送到ICMJ中文液晶屏，從BUSY=0開始的任何時間點，可將地面管理系統(tǒng)用戶指令的中文顯示字節(jié)置于電路數(shù)據(jù)線上，并發(fā)送高電平TEP信號，通過LCD屏幕處理投放到數(shù)據(jù)線上的機器人指令或水下通信機器人收集的故障數(shù)據(jù)參數(shù)。液晶顯示結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 液晶顯示結(jié)構(gòu)

觀察圖3可知，ICMJ中文液晶屏接收到外部高電平傳輸過來的控制信號后，立即把當前電路數(shù)據(jù)線上的命令或水下通信機器人回傳的數(shù)據(jù)記錄下來，與此同時將液晶顯示屏數(shù)據(jù)線上的應(yīng)答線路BUSY變?yōu)榈碗娖剑@表示RS-485串口通信已經(jīng)接收到水下通信機器人采集到的數(shù)據(jù)正在忙于對這一數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，此時，計算機管理人員已經(jīng)完成對液晶顯示屏的讀寫操作，地上系統(tǒng)中的用戶可以撤銷計算機管理員發(fā)送到數(shù)據(jù)線上的通信信號，并且可協(xié)助液晶顯示屏顯示水下通信機器人固定工作之外的其他工作，也可以連續(xù)查詢串口通信數(shù)據(jù)線上的應(yīng)答線BUSY是否為低，如果BUSY=0，表示液晶顯示屏對用戶的讀取工作已經(jīng)執(zhí)行完成，可以繼續(xù)執(zhí)行發(fā)送下一個水下通信機器人回傳的數(shù)據(jù)參數(shù)。在使用LCD中，對控制器發(fā)送的控制信號和水下通信機器人采集到的數(shù)據(jù)信號可通過C6052F132芯片進行高低電平之間的相互轉(zhuǎn)換，用來保證用戶發(fā)送控制信號的可靠、快速傳輸，LCD復(fù)位采用上電自動化復(fù)位系統(tǒng)模式[5]。液晶顯示器電路圖如圖4所示。

圖4 液晶顯示器電路圖

1.4 按鍵控制模塊設(shè)計

按鍵控制可以減少I/O串聯(lián)端口，可控制鍵盤中的某個鍵按下由行列式列線逐個設(shè)置高電平后，用來檢查行列輸入運行狀態(tài)。內(nèi)部時鐘結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 內(nèi)部時鐘結(jié)構(gòu)

按鍵控制將列線上的按鍵賦值并采集行列線上的回傳數(shù)據(jù)，在這一操作程序中，將采用二進制邏輯編碼形式，按鍵控制鍵盤上的按鍵設(shè)定在串口通信數(shù)據(jù)線上的行、列線的交點上，數(shù)據(jù)線的行、列線按照規(guī)定分別連接到控制按鍵鍵盤的開關(guān)兩側(cè)。

本文系統(tǒng)的硬件控制鍵盤主要完成以下幾方面的調(diào)控設(shè)置：設(shè)定按鍵控制適應(yīng)角度以及對PID各個數(shù)據(jù)參數(shù)的調(diào)整處理；對水下通信機器人在水下運行狀態(tài)的向前和向后推進控制；計算機系統(tǒng)程序中故障自動化檢測左側(cè)推和右側(cè)推控制；液晶顯示屏開始和停止測試調(diào)控控制。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

通常水下通信機器人在水下發(fā)生機械故障時需要經(jīng)歷故障檢測，由于水下通信機器人應(yīng)用于海洋系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)，存在很多的機械故障來源，所以故障檢測方法在檢測方面存在很大的困難，對機械故障的預(yù)測能力弱。

本文將采用基于灰色關(guān)聯(lián)模型的故障自動化檢測方法，其在機械故障檢測方面有重要作用。這種方法通過收集大量數(shù)據(jù)，可以全面采集機械故障數(shù)據(jù)，準確實現(xiàn)機械的故障自動化檢測。所以本文采用基于灰色關(guān)聯(lián)模型對水下通信機器人進行故障自動化檢測，結(jié)合系統(tǒng)硬件能夠得到大量的回傳實時數(shù)據(jù)。通過計算可得：

上述公式中，fr為機械輸出軸的運轉(zhuǎn)頻率；fb為機器人的自轉(zhuǎn)頻率；fc為機械的公轉(zhuǎn)頻率；fin為機器人水下運行的故障沖擊振動頻率，d為機械輸出軸的直徑，D為機器人所在圓的直徑，θ為滾動軸承的接觸角，n為機械輸出軸的轉(zhuǎn)速。

本文系統(tǒng)的程序設(shè)計主要包括水下通信機器人回傳數(shù)據(jù)處理、機械故障自適應(yīng)檢測、RS-485串口通信等步驟。水下通信機器人故障自動化檢測程序流程如圖6所示。

圖6 水下通信機器人故障自動化檢測程序流程

軟件程序開發(fā)過程中采用SIMENS公司提供的IRY仿真開發(fā)環(huán)境，使用C語言編輯軟件程序時，軟件程序設(shè)計由模塊化結(jié)構(gòu)組成。具體過程為：單片機接收到控制器的控制位置信號后，與預(yù)設(shè)角度相比，如果比較結(jié)果表明與標準值的偏差過大，則采用恒轉(zhuǎn)矩來控制水下通信機器人的轉(zhuǎn)向。如果偏差較小，則增量PID將直接控制水下通信機器人的轉(zhuǎn)向。比較后獲得的控制值和偏差角作為機械故障自適應(yīng)檢測數(shù)據(jù)輸入，采用LMS算法進行相應(yīng)的控制信號處理，去除干擾信號，提升了系統(tǒng)檢測效率，提高系統(tǒng)的抗干擾能力與故障檢測的準確性。將獲得的機械故障自動化檢測參數(shù)與機器故障自動化檢測閾值進行比較，如果在參數(shù)范圍之內(nèi)，則故障自動化檢測正常，如果超過閾值，則判定機器出現(xiàn)一定故障。水下通信機器人控制器在發(fā)生故障狀況下的動態(tài)方程可以近似表示為：

其中，X(d)為水下通信機器人輸入控制信號；AF為控制器的動態(tài)狀態(tài)輸出；μ為機械故障自適應(yīng)數(shù)據(jù)輸出參數(shù)；X為自適應(yīng)控制器跟蹤水下通信機器人的狀態(tài)閾值。利用水下通信機器人狀態(tài)控制的回傳數(shù)據(jù)獲得自適應(yīng)機械故障輸出參數(shù)矢量C=(C5,C10,C15,…CN0)，所以輸出信號為：

將計算所得控制信號與機器故障自動化檢測閾值進行比較，判定機器是否出現(xiàn)故障，并通過串口通信模塊將判定結(jié)果傳輸至液晶顯示模塊，實現(xiàn)基于灰色關(guān)聯(lián)模型的水下通信機器人故障自動化檢測系統(tǒng)設(shè)計。

3 實驗研究

為檢測本文提出的基于灰色關(guān)聯(lián)模型的水下通信機器人機械故障自動化檢測系統(tǒng)的有效性，將文獻[3]系統(tǒng)和文獻[4]系統(tǒng)作為對比，與本文系統(tǒng)共同完成性能驗證。設(shè)定實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

在上述實驗參數(shù)下，開展水下通信機器人故障自動化檢測實驗，在20min內(nèi)對水下通信機器人進行10次故障自動化檢測，得到不同檢測系統(tǒng)的故障自動化檢測準確率如圖7所示。

圖7 不同檢測系統(tǒng)的故障自動化檢測準確率

如圖7所示，本文系統(tǒng)的故障檢測準確率始終維持在95%以上，相比與2種傳統(tǒng)系統(tǒng)有著較大的提升。這是因為本文系統(tǒng)應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)模型對水下通信機器人各類故障數(shù)據(jù)進行合成采集處理，并通過LMS算法將采集信號與機器故障自動化檢測閾值進行比較，能夠得出準確的水下通信機器人故障自動化檢測結(jié)果。

對三種檢測系統(tǒng)做抗干擾性實驗，干擾性系統(tǒng)電壓波形結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同系統(tǒng)的干擾性系統(tǒng)電壓波形

根據(jù)圖8可知，在同樣的干擾狀況下，本文系統(tǒng)的波動狀況更小，證明其抗干擾能力更強。這是因為本文系統(tǒng)通過LMS算法對采集到的信號進行處理，有一定的去噪效果，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾性。

不同系統(tǒng)的檢測時延實驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同系統(tǒng)的檢測時延實驗結(jié)果

根據(jù)表2可知，相比于2種傳統(tǒng)系統(tǒng)，本文系統(tǒng)對機械故障的檢測時延更小，平均時延為0.45s。由此可見，本文系統(tǒng)對水下通信機器人的故障自動化檢測更具有實時性，這是因為本文檢測系統(tǒng)通過LMS算法進行去噪，降低了信息處理量，提高了系統(tǒng)檢測效率，從而減少了檢測時間，使其更適合于實際應(yīng)用。

4 結(jié)語

本文針對目前水下通信機器人研發(fā)上存在的能源供給、水下通信機器人負載、控制、故障自動化檢測以及水下通信機器人回收等問題，設(shè)計了一種基于灰色關(guān)聯(lián)模型的水下通信機器人機械故障自動化檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機為核心，采集機器人在水下工作的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，通過串口通信的方式發(fā)送到故障控制器，并通過液晶顯示屏顯示水下通信機器人回傳的重要數(shù)據(jù)，采用灰色關(guān)聯(lián)模型采集水下通信機器人故障數(shù)據(jù)，利用LMS算法判斷機械故障，通過硬軟件協(xié)同工作實現(xiàn)水下通信機器人故障自動化檢測系統(tǒng)設(shè)計。實驗結(jié)果表明，本文系統(tǒng)在水下通信機器人故障自動化檢測過程中的波動狀況更小、抗干擾能力更強，且檢測時延較短，證明了該系統(tǒng)的準確性及時效性。