【畢業(yè)學(xué)位論文】移動(dòng)機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)研究-控制理論與控制工程

2006 年 4 月 分類號(hào) 密級(jí) U D C 編號(hào) 南大學(xué) 碩士學(xué)位論文 論 文 題 目 學(xué) 科、專 業(yè) 研究生姓名 導(dǎo)師姓名及 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 日 期 蔡自興 教授 移動(dòng)機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)測(cè)與 故障診斷系統(tǒng)研究控制理論與控制工程 章慧團(tuán) 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 要 移動(dòng)機(jī)器人作為一種高技術(shù)手段在工業(yè)、 交通、太空探索和軍事應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的作用， 研究針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)已經(jīng)成為未知環(huán)境中移 動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究的熱點(diǎn)。 本論文來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金支持的重點(diǎn)項(xiàng)目 “未知環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制的理論與方法研究” （項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)： 60234030） ，作為該項(xiàng)目研究的一部分， 本文以中南大學(xué)智能所自行研制的移動(dòng)機(jī)器人“中南移動(dòng) (實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，著重于狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)方面的研究，其主要內(nèi)容如下： 1針對(duì) 統(tǒng)，提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人狀態(tài)參數(shù)的遠(yuǎn)程獲取系統(tǒng)， 采用多線程方式獲取移動(dòng)機(jī)器人車載傳感器參數(shù)，設(shè)計(jì)了通信協(xié)議幀，對(duì)傳感器參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，為后續(xù)的故障診斷研究提供了基礎(chǔ)； 對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人車載的工控機(jī)系統(tǒng)， 提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于 C/S 模式的移動(dòng)機(jī)器人車載工控機(jī)的監(jiān)視系統(tǒng)，并對(duì)其所引起通訊流量變化進(jìn)行了分析；同時(shí)論文基于 計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測(cè)的子系統(tǒng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間、流量、發(fā)送錯(cuò)誤率等網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全提供保障。 2分析了各種故障診斷方法，針對(duì) 統(tǒng)，采用基于信號(hào)處理和知識(shí)的診斷方法： 研究了基于小波變換算法的傳感器診斷方法， 利用編碼器計(jì)算獲得移動(dòng)機(jī)器人角速率與光纖陀螺所測(cè)角速率的冗余關(guān)系，提出了一個(gè)針對(duì) 纖陀螺突發(fā)性故障的診斷方法； 對(duì)于在未知環(huán)境中運(yùn)行的移動(dòng)機(jī)器人， 有可能出現(xiàn)的車輪打滑、受阻等情況，提出了一個(gè)基于規(guī)則的車輪的運(yùn)動(dòng)狀況診斷方法，為移動(dòng)機(jī)器人擺脫當(dāng)前狀態(tài)提供一種策略。 各個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái) 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。 關(guān)鍵詞 移動(dòng)機(jī)器人，狀態(tài)監(jiān)測(cè)，故障診斷，小波變換 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 as a an in on a in is by of of at a is as 1. a on of of on of is of of at a ; at of a 2. of on on to of on of a of at of s a on of by a of on of by of of of by on 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 錄 第一章 緒論 .究背景 .內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 . 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷發(fā)展 . 故障診斷技術(shù)的主要方法 . 移動(dòng)機(jī)器人故障診斷技術(shù) .文的工作 .文安排 .二章 系結(jié)構(gòu) .動(dòng)機(jī)器人 .動(dòng)機(jī)器人硬件平臺(tái) . 硬件平臺(tái)總體結(jié)構(gòu) . 統(tǒng)組成 .動(dòng)機(jī)器人軟件結(jié)構(gòu) .結(jié) .三章 移動(dòng)機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) .態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 . 功能規(guī)劃 .感器狀態(tài)參數(shù)獲取設(shè)計(jì) .載計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)視設(shè)計(jì) .絡(luò)性能參數(shù)獲取設(shè)計(jì) . 基于 網(wǎng)絡(luò)延遲的獲取 . 基于 網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)獲取 .小結(jié) .四章 移動(dòng)機(jī)器人故障診斷方法研究 .波分析的基本理論 .續(xù)小波故障診斷的原理 .感器故障診斷 . 傳感器故障診斷仿真分析 . 機(jī)器人光纖陀螺故障診斷算法設(shè)計(jì) .輪故障診斷算法設(shè)計(jì) .結(jié) .五章 監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) .發(fā)環(huán)境 .統(tǒng)所采用的關(guān)鍵技術(shù) . . 多線程及同步技術(shù) .斷系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) . 軟件系統(tǒng)構(gòu)成 .南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 件類清單 .統(tǒng)運(yùn)行 .結(jié) .六章 結(jié)論與展望 .論 .望 .考文獻(xiàn) . 錄 . 謝 .讀學(xué)位期間主要的研究成果 .南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 1第一章 緒論 究背景 本課題來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目： “未知環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制的理論與方法研究” （項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)： 60234030） 。 21 世紀(jì)是人類向太空進(jìn)軍的世紀(jì)，太空 作為人類尚未開發(fā)的寶地，已經(jīng)成為各國(guó)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，機(jī)器人作為一種高技術(shù)手段在太空探索、軍事應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，利用機(jī)器人進(jìn)行空間探測(cè)和開發(fā)，成為世界各主要科技發(fā)達(dá)國(guó)家開發(fā)空間資源的主要手段之一1。 在深空探測(cè)中，由于移動(dòng)機(jī)器人具有極大的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為各國(guó)的研究熱點(diǎn)2。世界各國(guó)都在開發(fā)、研制移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)3： 1970 年，蘇聯(lián)月球 探測(cè)器把世界第一個(gè)無(wú)人駕駛的月球車 送上月球；后來(lái)發(fā)射的月球車 駛 37 公里， 向地球發(fā)回 88 幅月面全景圖4； 1996 年， 美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局 (射了火星探路者； 1997 年索杰納成功地在火星著陸，索杰納在 90 余天里共行駛了 90 多米，拍攝了 500 多幅照片5,6。索杰納的成功應(yīng)用，成為移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的一個(gè)嶄新的里程碑， 向人們展現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人代替人們從事骯臟、 危險(xiǎn)、枯燥工作的應(yīng)用潛力7。 然而，在深空探測(cè)的機(jī)器人往往工作在十分惡劣的環(huán)境中，如強(qiáng)輻射、大溫差、復(fù)雜地形等的復(fù)雜環(huán)境下，一旦發(fā)生事故就可能造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失。在1971 年，前蘇聯(lián)向火星發(fā)射了兩輛火星車，其中一輛撞毀了，另一輛由于故障，在發(fā)送回一幅尚不完整的圖片就失去了聯(lián)系；在 2003 年發(fā)射的“勇氣”號(hào)出現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)右前輪的馬達(dá)無(wú)法正常工作、溫度調(diào)節(jié)裝置故障；同年發(fā)射的“機(jī)遇”號(hào)也出現(xiàn)右前輪操舵電動(dòng)機(jī)故障、鉆孔機(jī)故障、電池能量供應(yīng)系統(tǒng)故障、機(jī)器臂失靈等問(wèn)題。這引起人們對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性、安全性更加的關(guān)注，除了在設(shè)計(jì)與制造階段，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，研究和應(yīng)用新材料、新工藝及加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制等措施來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性與安全性外， 提高系統(tǒng)可靠性與安全性的一個(gè)重要途徑就是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障進(jìn)行預(yù)警。 移動(dòng)機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)是保障機(jī)器人的生存及成功完成作業(yè)任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一8，本文針對(duì)中南大學(xué)智能所自行研究設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人“中南移動(dòng) (結(jié)合“未知環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制的理論與方法研究”課題的研究，介紹了移動(dòng)機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及對(duì)移動(dòng)機(jī)器人傳感器故障診斷方法進(jìn)行了研究。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷發(fā)展 故障診斷始于 (機(jī)械 )設(shè)備故障診斷， 其全名是狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷 (9，包含兩方面內(nèi)容：一是對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要是指監(jiān)測(cè)零部件是否出現(xiàn)異常現(xiàn)象，通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)，達(dá)到在事故發(fā)生前給出預(yù)警；二是發(fā)現(xiàn)異常情況后對(duì)設(shè)備的故障進(jìn)行分析、診斷，根據(jù)有關(guān)信息判斷零部件出現(xiàn)故障的原因，為排除故障，恢復(fù)零部件功能提供信息。 監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)基本上有兩大用途：其一是用于構(gòu)成離線式的“計(jì)算機(jī)輔助決策支持系統(tǒng)” ，即利用故障診斷系統(tǒng)快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，制定更加合理有效的系統(tǒng)維修方案， 找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)， 最終提高系統(tǒng)的可靠性和生產(chǎn)效益；其二是用于構(gòu)成實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，或者進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高性能的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在這類應(yīng)用中，故障診斷系統(tǒng)通常以在線方式運(yùn)行，它連續(xù)地實(shí)時(shí)監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量參數(shù)，基于適當(dāng)?shù)脑诰€故障監(jiān)測(cè)與診斷算法給出系統(tǒng)的故障信息，包括故障報(bào)警信息、故障位置信息和故障程度信息等。采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，可以使控制系統(tǒng)具有自動(dòng)利用這些故障信息、 根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的不同故障工況自動(dòng)調(diào)整控制方案的能力。 隨著檢測(cè)技術(shù)和手段的進(jìn)步，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，狀態(tài)監(jiān)測(cè)模式發(fā)生了很大的變化，大致可以分為 3 個(gè)階段10： （ 1） 第一代的單機(jī)監(jiān)測(cè)診斷模式 在機(jī)器逐步取代手工在生產(chǎn)中的地位后， 對(duì)機(jī)器設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷僅局限于“點(diǎn)到點(diǎn)”的診斷模式，即對(duì)每一臺(tái)機(jī)器由一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)控制。它是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，信息只在系統(tǒng)內(nèi)部交流和處理。它的缺點(diǎn)是每個(gè)系統(tǒng)的工作效率低，浪費(fèi)了大量的人力、物力。 （ 2） 第二代的分布式監(jiān)測(cè)診斷模式 隨著大型設(shè)備的出現(xiàn)，單機(jī)監(jiān)測(cè)診斷模式已不脆滿足需要，針對(duì)工廠的大型設(shè)備的功能分布和地域分布的特點(diǎn)， 人們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了分布式監(jiān)測(cè)診斷模式。它通過(guò)工業(yè)局域網(wǎng)將各個(gè)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的本地計(jì)算機(jī)互聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)資源共享，分散監(jiān)控和集中操作、管理、診斷，提高了系統(tǒng)的工作效率。資源共享減少了人力、物力的浪費(fèi)。它是一個(gè)相對(duì)開放的系統(tǒng)，但是，這種模式的缺點(diǎn)在于，它只存在于局域網(wǎng)內(nèi)。 （ 3） 第三代的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷模式 進(jìn)人 20 世紀(jì) 90 年代后，隨著 萬(wàn)維網(wǎng)技術(shù)的普及和完善，機(jī)器設(shè)中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 3備監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)相結(jié)合，形成一種新興的監(jiān)測(cè)診斷模式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷模式。它將監(jiān)測(cè)診斷現(xiàn)場(chǎng)和診斷中心由網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來(lái)。監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向診斷中心發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，診斷中心根據(jù)不同的請(qǐng)求做出響應(yīng)。 故障診斷技術(shù)是現(xiàn)代化生產(chǎn)發(fā)展的產(chǎn)物， 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)生產(chǎn)的需要得到了迅速發(fā)展， 不僅形成了一個(gè)研究領(lǐng)域， 而且基本形成了一個(gè)學(xué)科體系。 60 年代末，美國(guó)國(guó)家宇航局創(chuàng)立美國(guó)機(jī) 械故障預(yù)防小組，英國(guó)成立了機(jī)械保健中心。由于診斷技術(shù)所產(chǎn)生的巨大的經(jīng)濟(jì)效益，從而獲得了極大的重視。 70 年代初以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展 ，自動(dòng)化裝置的規(guī)模越來(lái)越大，投資也越來(lái)越高。某些微小故障若不能及時(shí)排除，就有可能造成巨大災(zāi)難。因而市場(chǎng)的迫切要求是促進(jìn)故障診斷技術(shù)迅猛發(fā)展的主要?jiǎng)恿?1。 1971 年，美國(guó)麻省理工學(xué)院 士首先提出了用解析冗余代替硬件冗余，并通過(guò)系統(tǒng)自組織使系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定，通過(guò)比較器的輸出得到系統(tǒng)故障信息的思想，標(biāo)志著故障診斷技術(shù)的開端12,13,14。 70 年代是控制系統(tǒng)故障診斷理論發(fā)展的 初級(jí)階段，在這一階段提出了一些簡(jiǎn)單的故障算法，如檢測(cè)濾波器、廣義似然比、極大似然比等，故障診斷理論還不成熟，理論的應(yīng)用實(shí)例很少。 80 年代是故障診斷理論蓬勃發(fā)展的一個(gè) 階段，理論的實(shí)際應(yīng)用也得到了發(fā)展。但是，這一階段的故障診斷技術(shù)應(yīng)用面比較狹窄，主要集中在航天、船舶、發(fā)電廠以及核電站等一些精密的專門領(lǐng)域，普通的工業(yè)控制領(lǐng)域涉及并不多。使用的故障診斷方法主要是基于觀測(cè)器 /濾波器方法或是系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)方法15,16,17。 90 年代以后，由于故障診斷理論的研究更加深入，各種方法相互滲透融合，理論應(yīng)用領(lǐng)域也有了很大的擴(kuò)展。盡管參數(shù)估計(jì)和觀測(cè)器 /濾波器方法仍然是使用最多的方法，但是近年來(lái)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯及組合的故障診斷方法在明顯地增加。對(duì)于非線性系統(tǒng)的故障診斷也有了更多的研究。 障診斷技術(shù)的主要方法 故障診斷技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)提出了大量的方法。按照國(guó)際故障診斷權(quán)威德國(guó) 授的觀點(diǎn)，所有的故障診斷方法可以劃分為基于信號(hào)處理的方法、基于解析模型的方法和基于知識(shí)的方法18,19。 當(dāng)可以建立比較準(zhǔn)確的被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型時(shí)，基于解析模型的方法是首選的方法；當(dāng)可以得到被控對(duì)象的輸入輸出信號(hào)，但很難建立被控對(duì)象的解析數(shù)學(xué)模型時(shí)，可采用基于信號(hào)處理的方法；當(dāng)很難建立被控對(duì)象的定量數(shù)學(xué)模型時(shí)，可以采用基于知識(shí)的方法20，其總體分類如圖 1示。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 4（ 1）基于信號(hào)處理的方法 基于信號(hào)處理的方法通常利用信號(hào)模型，如相關(guān)函數(shù)、頻譜、自回歸滑動(dòng)平均等，直接分析可測(cè)信號(hào)，提取諸如方差、幅值、頻率等特征值，從而檢測(cè)故障的發(fā)生，近年來(lái)出現(xiàn)了一些新的基于信號(hào)處理的故障診斷方法，如基于小波變換的故障診斷方法。 小波變換是 80 年代后期發(fā)展起來(lái)的應(yīng)用數(shù)學(xué)分支，最初由法國(guó)學(xué)者 入信號(hào)處理領(lǐng)域21,22,23,24， 它具有許多優(yōu)良特性。 文獻(xiàn)25,26給出了三種基于小波變換的故障診斷方法： 狀態(tài)估計(jì)法 觀測(cè)器方法 濾波器方法 等價(jià)空間法 定性觀測(cè)器 定性仿真 知識(shí)觀測(cè)器 參數(shù)估計(jì)法 濾波器方法 最小二乘方法 專家系統(tǒng)方法 模糊推理方法 模式識(shí)別方法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法 故障診斷方法 基于知識(shí)的方法 基于信號(hào)處理的方法 基于解析模型的方法 基于定性模型的方基于癥狀的方法 變換類方法 譜分析方法 相關(guān)分析 波變換 圖 1障診斷方法示意圖 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 5 利用觀測(cè)信號(hào)的奇異性進(jìn)行故障診斷 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的故障通常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的觀測(cè)信號(hào)發(fā)生變化， 若能采取一定的措施消除系統(tǒng)狀態(tài)變化以外的因素的影響， 直接利用連續(xù)小波變換檢測(cè)觀測(cè)信號(hào)的奇異點(diǎn)就可以檢測(cè)出系統(tǒng)故障。 利用觀測(cè)信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行故障診斷 振動(dòng)系統(tǒng)的故障通常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)觀測(cè)信號(hào)的頻率發(fā)生變化。 若能采用一定的措施消除系統(tǒng)狀態(tài)變化以外的因素對(duì)觀測(cè)信號(hào)的影響， 則利用離散正交小波變換分析觀測(cè)信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化情況，就可以檢測(cè)系統(tǒng)的故障。 利用脈沖響應(yīng)函數(shù)的小波變換進(jìn)行故障診斷 連續(xù)系統(tǒng)脈沖響應(yīng)辨識(shí)方法的基本思想是將系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)的辨識(shí)轉(zhuǎn)化為脈沖響應(yīng)函數(shù)在一組正交函數(shù)基 上的投影系數(shù)的辨識(shí)。若將法中的正交函數(shù)基取為離散正交小波基，所得到的脈沖響應(yīng)辨識(shí)方法除了保持原方法的有效性外，而且較基于傳統(tǒng)正交函數(shù)基的 法，具有更強(qiáng)的跟蹤參數(shù)變化的能力，辨識(shí)結(jié)果具有明確的頻域物理意義。系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)在最大尺度下的小波變換系數(shù)描述了它在大尺度下的概貌情況， 完全可以代表其整體特性。而且通常這些小波變換系數(shù)中只有 2元素具有較大的模，其余元素的模都非常小。 系統(tǒng)故障導(dǎo)致的系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)的變化也必然反映在這少數(shù)幾個(gè)小波變換系數(shù)的變化中。以系統(tǒng)的狀態(tài)為參照，根據(jù)系統(tǒng)待檢狀態(tài)下辨識(shí)得到的這幾個(gè)元素或其平均值隨時(shí)間的變化情況就可以判斷有無(wú)故障。 由于這些元素或其平均值和系統(tǒng)的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)， 還可以利用它們?cè)谕蛔兒蟮娜≈挡⒔Y(jié)合系統(tǒng)的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行故障分離。 基于小波變換的故障診斷方法無(wú)需對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，且對(duì)于輸入信號(hào)的要求較低，計(jì)算量不大，靈敏度高，克服噪聲能力強(qiáng)，是 一種很有前途的故障診斷方法。 （ 2）基于解析模型的方法 基于解析模型的方法又可以分為狀態(tài)估計(jì)方法、 等價(jià)空間方法和參數(shù)估計(jì)方法。這三種方法雖然是獨(dú)立發(fā)展起來(lái)的，但它們彼此之間并不是孤立的，而是存在一定的關(guān)系。 狀態(tài)估計(jì)方法 狀態(tài)估計(jì)方法一直是研究的熱點(diǎn)27,28， 其基本思想是利用系統(tǒng)的定量模型和測(cè)量信號(hào)重建某一可測(cè)變量，將估計(jì)值與測(cè)量值之差作為殘差，以檢測(cè)和分離系統(tǒng)故障。在能夠獲得系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型的情況下，狀態(tài)估計(jì)方法是最直接有效的方法。 等價(jià)空間方法 等價(jià)空間方法的基本思想就是利用系統(tǒng)的輸入輸出的實(shí)際測(cè)量值檢驗(yàn)系統(tǒng)中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 6數(shù)學(xué)模型的等價(jià)性（即一致性）以檢測(cè)和分離故障。主要方法有：基于約束優(yōu)化的等價(jià)方程方法、廣義殘差產(chǎn)生器方案、具有方向性的殘差序列、基于近似擾動(dòng)解耦的等價(jià)空間方法。 參數(shù)估計(jì)方法 參數(shù)估計(jì)方法根據(jù)模型參數(shù)及相應(yīng)的 物理參數(shù)的變化來(lái)檢測(cè)和分離故障29。與狀態(tài)估計(jì)方法相比，參數(shù)估計(jì)方法更有利于故障的分離。該方法要求找出模型參數(shù)和物理參數(shù)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，且被控過(guò)程需充分激勵(lì)。因此將參數(shù)估計(jì)方法與其它解析方法結(jié)合起來(lái)使用，可以獲得更好的故障檢測(cè)和分離性能。主要方法有：強(qiáng)跟蹤濾波器方法、參數(shù)估計(jì)和觀測(cè)器方法的結(jié)合、參數(shù)估計(jì)和等價(jià)空間方法的結(jié)合。 （ 3）基于知識(shí)的方法 由于在實(shí)際情況中，常常無(wú)法獲得對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，這就大大限制了定量方法的使用范圍。而基于知識(shí)的方法不需要對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，因此是很有生命力的方法。 基于知識(shí)的方法主要可以分為基于癥狀的方法和基于定性模型的方法?；诎Y狀的方法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、專家系統(tǒng)方法、模糊推理方法和模式識(shí)別方法等；基于定性模型的方法有知識(shí)觀測(cè)器方法等30。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法由于具有模擬任何連續(xù)非線性函數(shù)的能力和從樣本學(xué)習(xí)的能力，非常適合應(yīng)用于故障診斷系統(tǒng)，因而在故障診斷中得到了廣泛的重視31。它具有自組織自學(xué)習(xí)能力， 能克服傳統(tǒng)專家系統(tǒng)當(dāng)啟發(fā)式規(guī)則未考慮到時(shí)就無(wú)法工作的缺陷。 模糊方法 模糊推理符合人類的自然思維過(guò)程，便于處理定性知識(shí)，成為故障診斷方法研究的一個(gè)熱點(diǎn)。其基本原理為：設(shè)用一個(gè)集合 Y 定義系統(tǒng)中所有可能發(fā)生的各種故障原因，由這些故障原因引起的各種癥狀，如溫度、壓力、濕度的波動(dòng)等定義為一個(gè)集合 X。由于故障征兆是界限不分明的模糊集合，用傳統(tǒng)的二值邏輯方法顯然不合理，可選用確定隸屬函數(shù)，用相應(yīng)的隸屬度來(lái)描述這些癥狀存在的傾向性。 模糊診斷的方法就是通過(guò)某些癥狀的隸屬度來(lái)求出各種故障原因的隸屬度，以表征各故障存在的傾向性。 專家系統(tǒng)方法 該方法不依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型， 而是根據(jù)人們長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和大量的故障信息知識(shí)，設(shè)計(jì)出一套智能計(jì)算機(jī)程序，以此來(lái)解決復(fù)雜控制系統(tǒng)的故障診斷問(wèn)題。建立專家系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行故障檢測(cè)診斷，是一個(gè)比較先進(jìn)的工程技術(shù)，它可匯集各種來(lái)源的關(guān)于故障的知識(shí)，并將可靠性專家和專業(yè)技術(shù)人員的知識(shí)形式化，中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 7使一般工作人員借助于專家系統(tǒng)達(dá)到或接近專家的工作水平。 移動(dòng)機(jī)器人故障診斷技術(shù) 關(guān)于機(jī)器人系統(tǒng) 究的最早報(bào)道是美國(guó) 學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)系。他們認(rèn)為由于機(jī)器人運(yùn)行在一個(gè)不完備的知識(shí)空間，因而需要為機(jī)器人系統(tǒng)配備一個(gè)檢測(cè)及防止災(zāi)難事故的策略，認(rèn)為要完全做到“自動(dòng)故障恢復(fù)”是非常困難的，因?yàn)檫@要求關(guān)于環(huán)境、操作、資源等系統(tǒng)的完整信息，其給出了一種自動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，基本思想是廣泛使用知識(shí)庫(kù)技術(shù)32。 受故障支配的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)是一種典型的隨機(jī)混合系統(tǒng)， 不能由單個(gè)連續(xù)變化的狀態(tài)方程來(lái)準(zhǔn)確描述。 不同故障模式以及正常模式之間結(jié)構(gòu)及參數(shù)互不相同，其狀態(tài)既可跳變也可以連續(xù)變化33。多模型方法是處理隨機(jī)混合系統(tǒng)的一種典型方法，已被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人傳感器故障診斷；粒子濾波器克服了多模型方法的某些不足，被 選用為漫游車狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷的技術(shù)； 提出了一種用于移動(dòng)機(jī)器人傳感器信息融合系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 出一種時(shí)態(tài)模糊邏輯，用于描述監(jiān)視知識(shí)，具有處理不確定性、模糊行為以及含噪聲輸入信息的能力； 用二階隱馬爾可夫模型來(lái)辨識(shí)漫游車所處的環(huán)境狀態(tài)，模型自動(dòng)地在有標(biāo)簽的樣本集上訓(xùn)練； 用故障樹分析 (術(shù)對(duì)無(wú)人自主移動(dòng)機(jī)器人故障進(jìn)行診斷。 移動(dòng)機(jī)器人故障檢測(cè)與診斷 (究尚處于起步階段，一般都局限于概念層，并沒(méi)有給出實(shí)際有效的方法，大多停留在計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)階段1。由于移動(dòng)機(jī)器人作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，有很多子系統(tǒng)組成，而每一個(gè)子系統(tǒng)又由很多個(gè)模塊組成。每個(gè)模塊都有各自的故障機(jī)理，對(duì)其進(jìn)行故障診斷的方法可能各不相同。所以，要針對(duì)每一個(gè)子系統(tǒng)，甚至是每一個(gè)模塊，剖析故障現(xiàn)象和故障原因之間的關(guān)系，分別建立主要子系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人工作狀態(tài)的自主診斷，主要包括以下三方面8： （ 1）對(duì)傳感器狀態(tài)的自主診斷：在移動(dòng) 機(jī)器人的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，環(huán)境對(duì)于傳感器的動(dòng)態(tài)影響是不可預(yù)測(cè)和不可忽略的事實(shí)， 因此對(duì)移動(dòng)機(jī)器人傳感器狀態(tài)的自主診斷對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的安全航行、實(shí)現(xiàn)作業(yè)是十分必要的。由于在機(jī)器人的聲、光視覺(jué)有相對(duì)獨(dú)立的自適應(yīng)處理系統(tǒng)，因此對(duì)機(jī)器人傳感器的自主診斷主要針對(duì)非視覺(jué)傳感器而言。 （ 2）對(duì)安全狀態(tài)的自主診斷：對(duì)安全狀 態(tài)的診斷主要包括，電源是否能維持正常工作、機(jī)器人系統(tǒng)溫度是否正常、通訊是否暢通等。 （ 3）對(duì)執(zhí)行器狀態(tài)的自主診斷：機(jī)器人 的行為要靠執(zhí)行器來(lái)實(shí)現(xiàn)，一旦執(zhí)中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 8行器發(fā)生某種程度的故障，機(jī)器人能夠自主進(jìn)行故障診斷，并采取相應(yīng)的措施，是十分必要的。 研究故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)，提高移動(dòng)機(jī)器人的安全性和可靠性，已經(jīng)成為未知環(huán)境中的移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的迫切研究任務(wù)。 文的工作 未知環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)強(qiáng)非線性參數(shù)不確定系統(tǒng)，且運(yùn)行在未知的、復(fù)雜的環(huán)境下，一旦發(fā)生事故就可能造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失。而傳感器、機(jī)器人車載計(jì)算機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮著感知環(huán)境、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，如果出現(xiàn)故障將嚴(yán)重影響機(jī)器人的正常運(yùn)行，從而影響其工作能力。采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)，可以確保機(jī)器人在一種安全的狀態(tài)下運(yùn)行，以延長(zhǎng)移動(dòng)機(jī)器人的壽命。所以移動(dòng)機(jī)器人狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷是保障移動(dòng)機(jī)器人的生存及成功完成作業(yè)任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)， 具有很大的現(xiàn)實(shí)意義， 是移動(dòng)機(jī)器人智能技術(shù)中重要的一部分。 本文作為國(guó)家自然科學(xué)基金支持的 “未知環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制的理論與方法研究”中的一部分，著重于以下故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中兩個(gè)問(wèn)題的研究： （ 1）狀態(tài)信息獲取：只有充分了解對(duì)象 ，才能對(duì)它進(jìn)行故障診斷。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的故障診斷應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)而言， 機(jī)器人狀態(tài)信息的獲取是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。本文工作的首要是設(shè)計(jì)了一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程狀態(tài)參數(shù)的獲取子系統(tǒng)，采用基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方式獲取移動(dòng)機(jī)器人車載的多種傳感器參數(shù)， 并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)，為后續(xù)的故障診斷研究提供了基礎(chǔ)；此子系統(tǒng)同時(shí)提供一種可配置診斷模式，能較好的節(jié)約計(jì)算資源，為了能掌握移動(dòng)機(jī)器人以前狀態(tài)，還提供了診斷歷史紀(jì)錄查詢等功能；對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人車載的工控機(jī)系統(tǒng)，有必要設(shè)計(jì)一子系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視，因此，論文中基于 C/S 模式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一專門針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人車載工控機(jī)故障的監(jiān)視系統(tǒng)，它能有效的獲取車載的工控機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)，并提供一種遠(yuǎn)程維護(hù)功能； 遠(yuǎn)程客戶端和機(jī)器人的無(wú)線通訊系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)安全運(yùn)行有著重要作用，因此，論文基于 計(jì)了一網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，它能獲取網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)流量、發(fā)送錯(cuò)誤速率等網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全提供了一定保障。 （ 2）故障診斷與異常檢測(cè)：對(duì)機(jī)器人工 作狀態(tài)的自主診斷中，傳感器和安全狀態(tài)的自主診斷在機(jī)器人安全運(yùn)行中發(fā)揮著極為重要的作用， 本論文對(duì)各種診斷方法進(jìn)行了分析，采用了基于信號(hào)和知識(shí)的診斷方法，研究了基于小波變換算法的傳感器診斷方法， 利用編碼器計(jì)算獲得移動(dòng)機(jī)器人角速率與光纖陀螺所測(cè)角速率的冗余關(guān)系， 分析設(shè)計(jì)了一針對(duì) 于在未知環(huán)境中運(yùn)行的移動(dòng)機(jī)器人，有可能出現(xiàn)的車輪打滑、受阻等情況，分中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 9析設(shè)計(jì)了一個(gè)基于規(guī)則的車輪的運(yùn)動(dòng)狀況診斷模塊，它能有效監(jiān)測(cè)車輪狀態(tài)，并為移動(dòng)機(jī)器人擺脫當(dāng)前狀態(tài)提供一種策略；同時(shí)分別設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)車載電源、機(jī)器人系統(tǒng)溫度、編碼器等的故障監(jiān)測(cè)模塊。 文安排 立足于課題的研究背景， 通過(guò)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析， 結(jié)合以上的研究?jī)?nèi)容，本文將從以下章節(jié)展開： 第 1章 介紹了本課題的來(lái)源、意義、應(yīng)用領(lǐng)域等，綜述了狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)發(fā)展、主要方法等，并對(duì)機(jī)器人故障診斷的發(fā)展進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)于機(jī)器人故障診斷的主要內(nèi)容進(jìn)行了介紹，概況了本文的主要內(nèi)容。 第 2章 介紹了本課題所研究的智能移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，分析了移動(dòng)機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和軟硬件平臺(tái)，對(duì)于內(nèi)部傳感器這些主要的狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行深入的分析。 第 3章 詳細(xì)地介紹了的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)，其中包括了移動(dòng)機(jī)器人的傳感器數(shù)據(jù)的獲取、車載計(jì)算機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)獲取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這三部分內(nèi)容。 第 4章 首先對(duì)連續(xù)小波變換在傳感器故障檢測(cè)中的應(yīng)用作了仿真，然后利用編碼器計(jì)算獲得移動(dòng)機(jī)器人角速率 與光纖陀螺所測(cè)角速率的冗余關(guān)系，對(duì)于 器人光纖陀螺的故障進(jìn)行了診斷分析