自主水下機器人的故障監(jiān)測與診斷

白少偉 石恒碩

摘 要 如今，隨著自主式水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle， AUV）在海底資源探測和軍事科學范疇的廣泛應(yīng)用，AUV的穩(wěn)定性成為大家關(guān)注和研究的重要方面。針對水下機器人運行過程所包含的基本環(huán)節(jié)，本文從傳感器系統(tǒng)及推進器系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測出發(fā)，建立了基于硬件平臺的智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并通過水池實驗，進行了推進器故障模擬實驗研究，進行了推進器、傳感器故障狀態(tài)監(jiān)測水池實驗，實驗結(jié)果驗證了本文所提出的水下機器人智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及方法的有效性和可行性。實現(xiàn)了對水下機器人推進器系統(tǒng)與傳感器系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與診斷。

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

1 引言

由于自主水下機器人功能復雜，內(nèi)部傳感器模塊眾多，導致其底層電控系統(tǒng)設(shè)計復雜多樣，在保障系統(tǒng)各模塊穩(wěn)定工作互不干擾的同時又要考慮電控系統(tǒng)的可擴展性和通用性。一個完善的監(jiān)測診斷系統(tǒng)可以在復雜多變的海況中保證AUV穩(wěn)定運行，并且能探測并記錄所有科考數(shù)據(jù)，完成各項任務(wù)。且一旦發(fā)生故障能夠及時的發(fā)現(xiàn)并定位其具體所在位置，迅速根據(jù)預設(shè)程序執(zhí)行保護動作，避免造成更大的損失。對自主式水下機器人進行故障診斷及狀態(tài)監(jiān)測，保證及時準確地發(fā)現(xiàn)故障，評價狀態(tài)，對于提高其自身的安全、部件的可靠，以較高的利用效率進行水下試驗、工作等，都具有現(xiàn)實意義。故障監(jiān)測與診斷是保證AUV在水下安全工作的重要手段，其通過對CAN信息讀取來判斷AUV當前狀態(tài)，以確保能實時地探測AUV內(nèi)外環(huán)境的有效數(shù)據(jù)，保證AUV順利的完成各項科考任務(wù)。

2 故障檢測與診斷系統(tǒng)

本監(jiān)測與診斷系統(tǒng)主要包含實時監(jiān)測與故障診斷兩部分。

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)主要包含：

（1）電機狀態(tài)監(jiān)測；

（2）供電系統(tǒng)監(jiān)測；

（3）溫濕度監(jiān)測；

（4）艙內(nèi)氣壓監(jiān)測；

（5）艙體泄漏監(jiān)測。

各監(jiān)測模塊均由單片機dsPIC30F4011負責信息采集，然后以CAN總線的形式與主機進行通信，其工作原理如圖1所示。

其中電機狀態(tài)包括當前轉(zhuǎn)速、電機供電電流與電壓，前者通過電機內(nèi)部霍爾傳感器進行讀取，后者通過HXN50-P與LV25-P進行采集，后由單片機4011進行AD轉(zhuǎn)換輸出所需電壓電流值；泄露監(jiān)測通過兩排交錯的軟PCB通過兩端的通斷來判斷是否漏水；溫濕度通過傳感器SHT75測量；氣壓通過MS5611-01模塊測量；供電系統(tǒng)監(jiān)測主要用于監(jiān)測主要供電模塊的供電是否正常，其通過光電耦合器TLP521來實現(xiàn)，工作原理如圖2所示。

2.2 故障診斷

診斷部分主要通過大量的實驗數(shù)據(jù)分析總結(jié)，實驗表明部分故障可以通過硬件電路監(jiān)測，如誤接地故障，漏液檢測等。為了細化故障診斷，其中部分故障可以通過分析實際的模擬量，例如與底層電路故障緊密相連的電流電壓可結(jié)合具體信號分析算法以檢測分析，對故障信號進行定性與定位。推進器堵轉(zhuǎn)和電路元器件的短路同樣會造成電流激增，但其電流波形的細節(jié)特征不同，傳統(tǒng)的硬件電路監(jiān)測難以甄別，需要大量實驗數(shù)據(jù)的支持。

表1為實驗常見故障分類、舉例與檢測需要的樣本。

3 結(jié)論

本文在詳細的介紹了基于硬件平臺的AUV監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過大量先驗實驗實現(xiàn)AUV的故障診斷，最后對AUV常見故障進行了梳理分類總結(jié)，通過上述故障分類可以快速定位故障以減少損失。基于硬件平臺的故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的優(yōu)點在于其實時、快速、準確，適合用于AUV的前期研發(fā)與測試；其不足是需要測試設(shè)備過多，使系統(tǒng)復雜，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)測與診斷。

參考文獻

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作者單位

中國海洋大學 山東省青島市 266100