自主水下機器人的故障監測與診斷

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用，AUV的穩定性成為大家關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節，本文從傳感器系統及推進器系統的狀態監測出發，建立了基于硬件平臺的智能狀態監測系統，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、傳感器故障狀態監測水池實驗，實驗結果驗證了本文所提出的水下機器人智能狀態監測系統及方法的有效性和可行性。實現了對水下機器人推進器系統與傳感器系統的狀態監測與診斷。

【關鍵詞】AUV 狀態監測 故障診斷 穩定性

1 引言

由于自主水下機器人功能復雜，內部傳感器模塊眾多，導致其底層電控系統設計復雜多樣，在保障系統各模塊穩定工作互不干擾的同時又要考慮電控系統的可擴展性和通用性。一個完善的監測診斷系統可以在復雜多變的海況中保證AUV穩定運行，并且能探測并記錄所有科考數據，完成各項任務。且一旦發生故障能夠及時的發現并定位其具體所在位置，迅速根據預設程序執行保護動作，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監測，保證及時準確地發現故障，評價狀態，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，都具有現實意義。故障監測與診斷是保證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，以確保能實時地探測AUV內外環境的有效數據，保證AUV順利的完成各項科考任務。

2 故障檢測與診斷系統

本監測與診斷系統主要包含實時監測與故障診斷兩部分。

2.1 監測系統

監測系統主要包含：

（1）電機狀態監測；

（2）供電系統監測；

（3）溫濕度監測；

（4）艙內氣壓監測；

（5）艙體泄漏監測。

各監測模塊均由單片機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。

其中電機狀態包括當前轉速、電機供電電流與電壓，前者通過電機內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轉換輸出所需電壓電流值；泄露監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；供電系統監測主要用于監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，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據分析總結，實驗表明部分故障可以通過硬件電路監測，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特征不同，傳統的硬件電路監測難以甄別，需要大量實驗數據的支持。

表1為實驗常見故障分類、舉例與檢測需要的樣本。

3 結論

本文在詳細的介紹了基于硬件平臺的AUV監測系統的基礎上，通過大量先驗實驗實現AUV的故障診斷，最后對AUV常見故障進行了梳理分類總結，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測與診斷系統的優點在于其實時、快速、準確，適合用于AUV的前期研發與測試；其不足是需要測試設備過多，使系統復雜，增加了成本。因此可以將該方法與其他診斷方法相結合，用于AUV的狀態監測與診斷。

參考文獻

[1]吳娟.自主式水下機器人推進器與傳感器多故障診斷技術研究[D].哈爾濱工程大學，2011.

[2]王玉甲. 水下機器人智能狀態監測系統研究[D].哈爾濱工程大學，2006.

[3]馮俊杰，鄧志剛，朱大奇.基于單片機的水下機器人傳感器故障檢測儀設計[J].船海工程，2010，39（05）：241-245.

[4]劉乾，朱大奇.無人水下機器人推進系統故障診斷與容錯控制[J].系統仿真學報，2010，22（01）：96-101.

作者單位

中國海洋大學 山東省青島市 266100