無人水下機器人串行通信與故障診斷裝置的製作方法
2023-09-18 23:08:05 1
專利名稱：無人水下機器人串行通信與故障診斷裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種水下機器人控制技術，特別涉及一種無人水下機器人串行通 信與故障診斷裝置。
背景技術：
海洋是人類發展的四大戰略空間(陸、海、空、天)中繼陸地之後的第二大空間， 是生物資源、能源、水資源和金屬資源的戰略性開發基地，是最有發展潛力的空間，對我國 經濟與社會發展產生著直接、巨大的支撐作用。作為人類探索和開發海洋的助手，水下機 器人特別是無人水下機器人UUV (Unmanned Underwater Vehicle)將在這一領域發揮重要 作用。公開號為CN1709766的中國專利，介紹了一種浮力和推進器雙驅動方式遠程自治 水下機器人，用於海洋水下工程技術領域。該發明包括機器人主體，一對主翼，一對推進器 和垂直尾翼，機器人主體的外部是整流用的透水殼，主翼和垂直尾翼具有低流體阻力翼型， 主翼設置於透水殼後部，對稱分布於透水殼左右兩側，垂直尾翼設置於透水殼尾部，在透水 殼的垂直對稱面內。推進器設置在主翼的外側。該發明具有推進器驅動和浮力驅動兩種驅 動方式，在浮力驅動模式下依靠浮力和重心的調節產生推力和控制運動方向，具有高的續 航能力，在推進器驅動模式下依靠推進器產生推力，依靠左右推進器的推力差和重心調節 控制運動方向，具有高機動能力。專利號為US5995992的美國專利公開了一種用於海洋科學測量與搜索的自治水 下機器人，介紹了它的計算機系統，I/O 口，水下浮力，回收框架，電池動力，高速串口，實時 數據採集及其控制系統的設計。以上發明專利均是有關無人水下機器人裝置的設計，但由於海洋深處工作環境的 複雜性，不可預測性，水下機器人一旦出現故障，不僅機器人無法完成水下作業任務，而且 機器人本身也難以回收，損失巨大。因此其可靠性技術研究與設計十分關鍵。而直接服務 於水下機器人可靠性控制技術的研究幾乎還是空白，特別是水下機器人傳感器系統的故障 檢測與容錯控制技術的研究未見任何專利公開。
發明內容本實用新型針對現有技術中沒有直接服務於水下機器人可靠性控制的研究，而提 出一種水下機器人通信、故障檢測與容錯控制裝置。為了達到上述目的，本實用新型提供的無人水下機器人串行通信與故障診斷 裝置採用如下技術方案該裝置包括傳感器系統、信號預處理器、FIR(Finite Impulse Response Filter 有限脈衝響應濾波器)傳感器信號在線學習與故障檢測器、HR傳感器 信號替代容錯控制器，其特徵在於，所述傳感器系統包括設置於水下機器人上，用以測量 水下機器人在水中的深度，並將測得的深度數據轉變為深度電壓信號的深度傳感器；或用 以測量水下機器人的航行速度，並將測得的航行速度數據轉變為速度電壓信號的速度傳感器；或用以測量水下機器人的航行方向，並將測得的方向數據轉變為方向電壓信號的方向 傳感器；所述信號預處理器設置在水下機器人上，該信號預處理器的信號輸入端與所述深 度傳感器、速度傳感器、方向傳感器連接，以接收所述深度傳感器、速度傳感器、方向傳感器 發送過來的深度電壓信號、速度電壓信號、方向電壓信號；所述HR傳感器信號在線學習與故障檢測器設置在水面母船上，該HR傳感器信 號在線學習與故障檢測器內部設有用以驅動信號預處理器完成傳感器信號傳輸任務的通 信模塊、傳感器信號在線學習訓練模塊、實現傳感器故障檢測的HR信噪比在線計算模 塊；所述HR傳感器信號替代容錯控制器設置在水面母船上，用於進行水下機器人的 容錯控制。所述信號預處理器包括有信號放大濾波模塊、與信號放大濾波模塊電路連接的 A/D轉換器、多路開關模塊、串行通信口及微處理器，所述多路開關模塊輸入端與深度傳感 器、速度傳感器、方向傳感器連接，所述多路開關模塊輸出端與信號放大濾波模塊電路輸入 端連接，A/D轉換器信號輸入端與信號放大濾波模塊電路的輸出端連接，所述微處理器與 A/D轉換器信號輸出端連接，並與串行通信口連接。所述HR傳感器信號替代容錯控制器包括故障數據顯示模塊、DSP接口模塊、串 行通信口、供電電源、控制開關，所述供電電源給整個裝置供電，所述DSP接口模塊的輸入 端通過串行通信口與水下機器人信號預處理器連接，輸出端接故障數據顯示模塊。所述DSP接口模塊包括DSP系統電源電路、時鐘與復位電路、液晶顯示接口電 路；所述DSP接口模塊的晶片為數位訊號處理器。所述故障數據顯示模塊包括一可以顯示字母、數字符號、中文字型及圖形，具有繪 圖及文字畫面混合顯示功能的液晶顯示器。所述DSP接口模塊的輸出端與故障數據顯示模塊連接，液晶顯示器顯示信噪比和 具體的故障傳感器標識。根據上述技術方案得到的本實用新型彌補了有關水下機器人串行通信、傳感器故 障診斷與容錯控制的空白，提供了一種有效的無人水下機器人串行通信、故障診斷與容錯 控制裝置。本實用新型具有以下優點1.用有限脈衝響應濾波器HR對水下機器人傳感器信號進行在線跟蹤學習，利用 傳感器的實時檢測數據計算FIR的信噪比，利用HR信噪比的突變判定傳感器故障，提供一 種實用的水下機器人傳感器系統故障診斷方法與裝置；2.用有限脈衝響應濾波器HR輸出值代替下一時刻該故障傳感器的實測信號進 行水下機器人控制，實現傳感器故障情形下的水下機器人容錯控制。
以下結合附圖和具體實施方式
來進一步說明本實用新型。
圖1為本實用新型的結構示意圖。圖2為本實用新型中DSP系統電源電路的原理圖。圖3為本實用新型中的時鐘與復位電路原理圖。[0023]圖4為本實用新型中的液晶顯示接口電路圖。圖5為本實用新型的工作流程框圖。
具體實施方式
為了使本實用新型實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下 面結合具體圖示，進一步闡述本實用新型。參看圖1，一種無人水下機器人串行通信與故障診斷裝置，由水下機器人傳感器系 統1、水下機器人信號預處理器2、HR傳感器信號在線學習與故障檢測器3、HR傳感器信 號替代容錯控制器4連接而成。水下機器人傳感器系統1包括有深度傳感器、速度傳感器、 方向傳感器和信號傳輸線；傳感器系統1與水下機器人信號預處理器2的信號輸入端通過 信號傳輸線連接。水下機器人信號預處理器2的信號輸出端通過485串行通信線與水下機 器人HR傳感器信號在線學習與故障檢測器3連接，HR傳感器信號在線學習與故障檢測器 3的輸出端通過485串行通信線與HR傳感器信號替代容錯控制器4的信號輸入端連接。在本實施例中，水下機器人採用載體0UTLAND1000，水下機器人傳感器系統1設置 於水下機器人載體0UTLAND1000上，包括方向傳感器，用以測量水下機器人的航行方向，並 將測得的方向數據轉變為方向電壓信號。水下機器人信號預處理器2密封於水下機器人載體0UTLAND1000中，包括有信號 放大濾波模塊、信號放大濾波模塊電路、A/D轉換器、多路開關模塊、485串行通信口及微 處理器，多路開關模塊輸入端與各信號傳感器連接，所述多路開關模塊輸出端與信號放大 濾波模塊電路輸入端連接，A/D轉換器信號輸入端與信號放大濾波模塊電路的輸出端連接， 所述微處理器與A/D轉換器信號輸出端連接，並與485串行通信口連接。水下機器人信號 預處理器2的信號輸入端與所述方向傳感器連接，以接收所述方向傳感器發送過來的方向 電壓信號。HR傳感器信號在線學習與故障檢測器3設置在水面母船上，包括故障數據顯示 模塊、傳感器信號在線學習訓練模塊、實現傳感器故障檢測的HR信噪比在線計算模塊， 從而檢測出故障傳感器。水下機器人HR傳感器信號替代容錯控制器4，包括以HR輸出信號代替故障傳感 器信號進行水下機器人控制的容錯控制模塊、DSP接口模塊、供電電源、控制開關，所述供 電電源給整個裝置供電，DSP接口模塊的輸入端通過485串行通信口與水下機器人信號預 處理器連接。DSP接口模塊，包括DSP系統電源電路、時鐘與復位電路、液晶顯示接口電路； DSP晶片採用TI公司的C54X系列TMS320V⑶402數位訊號處理器；振動位移數值顯示模塊 採用ST7920控制器驅動的點陣液晶顯示模塊0CM4X8C，該模塊可以顯示字母、數字符號、 中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能。DSP系統電源電路如圖2所示，時鐘 與復位電路分別如圖3所示，液晶顯示接口電路如圖4所示。上述電路對於本領域技術人 員來說，是熟知的，在此不做詳細描述。設置在水面母船上的裝置與水下機器人上的信號預處理器2的信號輸出端之間 通過串行通訊數據線連接以接收水下機器人信號預處理器2發送過來的方向信號並對有 限脈衝響應濾波器HR進行在線跟蹤學習，利用傳感器的實時檢測數據計算FIR的信噪比，利用HR信噪比的突變判定傳感器故障；在故障檢測的基礎上，用有限脈衝響應濾波器FIR 輸出值代替下一時刻該故障傳感器的實測信號進行水下機器人控制，實現傳感器故障情形 下的水下機器人容錯控制。該裝置進行分析數據、診斷傳感器系統故障、實現容錯控制功能由它內置的控制 驅動程序完成，該控制驅動程序包括485通信程序、HR在線跟蹤學習程序、HR的信噪 比計算程序、傳感器故障檢測程序和HR信號替代容錯控制處理程序五部分，485通信程序 驅動水下機器人信號預處理器完成傳感器信號傳輸任務；HR在線跟蹤學習程序是傳感器 故障檢測工具，利用傳感器數據進行HR動態學習訓練；HR的信噪比計算程序是系統的故 障判定程序，與HR在線跟蹤學習程序一起實現傳感器系統故障檢測；HR信號替代容錯控 制處理程序對故障傳感器，擯棄其測量信號，而採用HR輸出信號進行水下機器人控制，實 現傳感器故障情形下的水下機器人容錯控制。整個實用新型採用如圖5所示的工作流程按下本裝置薄膜面板的「信號採樣」按 鈕，則水下機器人HR傳感器信號在線學習與故障檢測器3啟動通信程序驅動水下機器人 信號預處理器2，方向傳感器啟動測試水下機器人的方向，輸出方向電壓信號，並接入水下 機器人信號預處理器；水下機器人信號預處理器中，對電壓信號進行放大、濾波預處理及 A/D轉換，通過485串行接口送入水下機器人HR傳感器信號在線學習與故障檢測器3及 HR傳感器信號替代容錯控制器4並保存，同時水下機器人HR傳感器信號在線學習與故障 檢測器3啟動HR在線跟蹤學習程序、HR的信噪比計算程序、傳感器故障檢測程序，對來 自水下機器人信號預處理器的不同時間系列的傳感器電壓信號進行傳感器信號在線學習 訓練，實現傳感器故障檢測的HR信噪比在線計算，進而實現傳感器故障在線檢測，由圖4 的液晶電路顯示水下機器人傳感器故障狀況；按下本裝置薄膜面板的「容錯控制」按鈕，則 水下機器人通信與故障診斷裝置啟動容錯控制處理程序，對檢測到的故障傳感器，擯棄其 測量信號，而採用^R輸出信號進行水下機器人控制。以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特徵和本實用新型的優 點。本行業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例 和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和範圍的 前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本 實用新型範圍內。本實用新型要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定
權利要求1.無人水下機器人串行通信與故障診斷裝置，該裝置主要包括傳感器系統、信號預處 理器、HR傳感器信號在線學習與故障檢測器、HR傳感器信號替代容錯控制器，其特徵在 於所述傳感器系統包括設置於水下機器人上，用以測量水下機器人在水中的深度，並將 測得的深度數據轉變為深度電壓信號的深度傳感器；或用以測量水下機器人的航行速度， 並將測得的航行速度數據轉變為速度電壓信號的速度傳感器；或用以測量水下機器人的航 行方向，並將測得的方向數據轉變為方向電壓信號的方向傳感器；所述信號預處理器設置在水下機器人上，該信號預處理器的信號輸入端與所述深度傳 感器、速度傳感器、方向傳感器連接，以接收所述深度傳感器、速度傳感器、方向傳感器發送 過來的深度電壓信號、速度電壓信號、方向電壓信號；所述HR傳感器信號在線學習與故障檢測器設置在水面母船上，該HR傳感器信號在 線學習與故障檢測器內部設有用以驅動信號預處理器完成傳感器信號傳輸任務的通信模 塊、傳感器信號在線學習訓練模塊、實現傳感器故障檢測的HR信噪比在線計算模塊；所述HR傳感器信號替代容錯控制器設置在水面母船上，用於進行水下機器人的容錯 控制。
2.根據權利要求1所述的無人水下機器人串行通信與故障診斷裝置，其特徵在於所述信號預處理器包括有信號放大濾波模塊、與信號放大濾波模塊電路連接的A/D轉 換器、多路開關模塊、串行通信口及微處理器，所述多路開關模塊輸入端與深度傳感器、速 度傳感器、方向傳感器連接，所述多路開關模塊輸出端與信號放大濾波模塊電路輸入端連 接，A/D轉換器信號輸入端與信號放大濾波模塊電路的輸出端連接，所述微處理器與A/D轉 換器信號輸出端連接，並與串行通信口連接。
3.根據權利要求1所述的無人水下機器人串行通信與故障診斷裝置，其特徵在於所述HR傳感器信號替代容錯控制器包括故障數據顯示模塊、DSP接口模塊、串行通信口、供電電源、控制開關，所述供電電源給整個裝置供電，所述DSP接口模塊的輸入端通過 串行通信口與所述信號預處理器連接，輸出端接故障數據顯示模塊。
4.根據權利要求3所述的無人水下機器人串行通信與故障診斷裝置，其特徵在於所 述DSP接口模塊包括DSP系統電源電路、時鐘與復位電路、液晶顯示接口電路。
5.根據權利要求3所述的無人水下機器人串行通信與故障診斷裝置，其特徵在於所 述故障數據顯示模塊包括一可以顯示字母、數字符號、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫 面混合顯示功能的液晶顯示器。
6.根據權利要求5所述的無人水下機器人串行通信與故障診斷裝置，其特徵在於所 述液晶顯示器顯示故障檢測的HR信噪比和具體的故障傳感器標識。
專利摘要本實用新型公開了無人水下機器人串行通信與故障診斷裝置，由傳感器系統、信號預處理器、傳感器故障檢測與容錯控制器連接而成；傳感器系統中的各傳感器與信號預處理器的信號輸入端通過信號傳輸線連接，信號預處理器通過串行通信線與傳感器故障檢測與容錯控制器的信號輸入端連接。本實用新型彌補了有關水下機器人串行通信、傳感器故障診斷與容錯控制的空白，提供了一種有效的傳感器故障檢測與容錯控制裝置。
文檔編號G01P5/08GK201820144SQ201020536208
公開日2011年5月4日 申請日期2010年9月20日 優先權日2010年9月20日
發明者劉乾, 朱大奇, 楊勇生, 顏明重 申請人:上海海事大學