自主水下机器人的故障监测与诊断

白少伟 石恒硕

摘 要 如今，随着自主式水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle， AUV）在海底资源探测和军事科学范畴的广泛应用，AUV的稳定性成为大家关注和研究的重要方面。针对水下机器人运行过程所包含的基本环节，本文从传感器系统及推进器系统的状态监测出发，建立了基于硬件平台的智能状态监测系统，并通过水池实验，进行了推进器故障模拟实验研究，进行了推进器、传感器故障状态监测水池实验，实验结果验证了本文所提出的水下机器人智能状态监测系统及方法的有效性和可行性。实现了对水下机器人推进器系统与传感器系统的状态监测与诊断。

【关键词】AUV 状态监测 故障诊断 稳定性

1 引言

由于自主水下机器人功能复杂，内部传感器模块众多，导致其底层电控系统设计复杂多样，在保障系统各模块稳定工作互不干扰的同时又要考虑电控系统的可扩展性和通用性。一个完善的监测诊断系统可以在复杂多变的海况中保证AUV稳定运行，并且能探测并记录所有科考数据，完成各项任务。且一旦发生故障能够及时的发现并定位其具体所在位置，迅速根据预设程序执行保护动作，避免造成更大的损失。对自主式水下机器人进行故障诊断及状态监测，保证及时准确地发现故障，评价状态，对于提高其自身的安全、部件的可靠，以较高的利用效率进行水下试验、工作等，都具有现实意义。故障监测与诊断是保证AUV在水下安全工作的重要手段，其通过对CAN信息读取来判断AUV当前状态，以确保能实时地探测AUV内外环境的有效数据，保证AUV顺利的完成各项科考任务。

2 故障检测与诊断系统

本监测与诊断系统主要包含实时监测与故障诊断两部分。

2.1 监测系统

监测系统主要包含：

（1）电机状态监测；

（2）供电系统监测；

（3）温湿度监测；

（4）舱内气压监测；

（5）舱体泄漏监测。

各监测模块均由单片机dsPIC30F4011负责信息采集，然后以CAN总线的形式与主机进行通信，其工作原理如图1所示。

其中电机状态包括当前转速、电机供电电流与电压，前者通过电机内部霍尔传感器进行读取，后者通过HXN50-P与LV25-P进行采集，后由单片机4011进行AD转换输出所需电压电流值；泄露监测通过两排交错的软PCB通过两端的通断来判断是否漏水；温湿度通过传感器SHT75测量；气压通过MS5611-01模块测量；供电系统监测主要用于监测主要供电模块的供电是否正常，其通过光电耦合器TLP521来实现，工作原理如图2所示。

2.2 故障诊断

诊断部分主要通过大量的實验数据分析总结，实验表明部分故障可以通过硬件电路监测，如误接地故障，漏液检测等。为了细化故障诊断，其中部分故障可以通过分析实际的模拟量，例如与底层电路故障紧密相连的电流电压可结合具体信号分析算法以检测分析，对故障信号进行定性与定位。推进器堵转和电路元器件的短路同样会造成电流激增，但其电流波形的细节特征不同，传统的硬件电路监测难以甄别，需要大量实验数据的支持。

表1为实验常见故障分类、举例与检测需要的样本。

3 结论

本文在详细的介绍了基于硬件平台的AUV监测系统的基础上，通过大量先验实验实现AUV的故障诊断，最后对AUV常见故障进行了梳理分类总结，通过上述故障分类可以快速定位故障以减少损失。基于硬件平台的故障监测与诊断系统的优点在于其实时、快速、准确，适合用于AUV的前期研发与测试；其不足是需要测试设备过多，使系统复杂，增加了成本。因此可以将该方法与其他诊断方法相结合，用于AUV的状态监测与诊断。

参考文献

[1]吴娟.自主式水下机器人推进器与传感器多故障诊断技术研究[D].哈尔滨工程大学，2011.

[2]王玉甲. 水下机器人智能状态监测系统研究[D].哈尔滨工程大学，2006.

[3]冯俊杰，邓志刚，朱大奇.基于单片机的水下机器人传感器故障检测仪设计[J].船海工程，2010，39（05）：241-245.

[4]刘乾，朱大奇.无人水下机器人推进系统故障诊断与容错控制[J].系统仿真学报，2010，22（01）：96-101.

作者单位

中国海洋大学 山东省青岛市 266100