一种水下机器人多普勒故障随机共振检测装置及检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术的目的在于提供一种水下机器人多普勒故障随机共振检测装置及检测方法，检测装置包括安装于水下机器人电子舱内的PC104模块化系统、第一通讯模块、随机共振装置、故障特征提取装置以及安装在陆地上的第二通讯模块和检测结果显示装置，PC104模块化系统分别与第一通讯模块、随机共振装置和故障特征提取装置的输出端相连，故障特征提取装置的输入端与随机共振装置相连，第二通讯模块的输入端与第一通讯模块相连，检测结果显示装置与第二通讯模块相连。本发明专利技术在抑制水下机器人多普勒传感器信号中所含外部随机干扰的同时，增强故障信号特征，能解决现有传感器故障检测方法受外部干扰和量测噪声影响，多普勒故障漏检问题。

【技术实现步骤摘要】
一种水下机器人多普勒故障随机共振检测装置及检测方法
本专利技术涉及的是一种检测装置及检测方法，具体地说是水下机器人故障检测装置及检测方法。
技术介绍
随着陆地资源日渐减少，人类开发海洋的步伐越来越快。水下机器人特别是无人水下机器人是目前唯一能够在无人情况下在深海进行探测、开发的载体，一直受到国内外研究人员的高度重视。但由于水下机器人工作在复杂海洋环境中，一旦发生故障后果轻则作业失败，重则全艇失事，对其传感器、执行器系统故障的及时检测和诊断具有重要意义。外部随机干扰对水下机器人故障检测产生很大负面影响，故障信号往往被外部随机干扰信号所淹没。水下机器人所受外部干扰一般可分为持续的海流干扰和外部随机干扰，其中外部随机干扰可以通过外扰抑制方法来抑制，因此外部干扰抑制方法已经成为水下机器人传感器数据处理和故障检测的重点。均值滤波是最简单的外扰抑制方法，其算法简单，在很多领域去噪效果良好，但一般只用于静态或低动态情况；FIR数字滤波器继承了模拟滤波器的优点，并且可以用快速傅里叶变换来实现，大大提高了运算速度。FIR滤波器对信号进行滤波去噪是在频域中完成的，依靠信号和噪声的不同频谱特征来实现噪声滤除，适应于静、动态信号去噪，但去噪效果一般，不如均值滤波好。以上两种方法均不适合复杂多变的海洋环境外部随机干扰抑制
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供能够解决受外部干扰和量测噪声影响、多普勒故障漏检问题的一种水下机器人多普勒故障随机共振检测装置及检测方法。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术一种水下机器人多普勒故障随机共振检测装置，其特征是：包括安装于水下机器人电子舱内的PC104模块化系统、第一通讯模块、随机共振装置、故障特征提取装置以及安装在陆地上的第二通讯模块和检测结果显示装置，PC104模块化系统分别与第一通讯模块、随机共振装置和故障特征提取装置的输出端相连，故障特征提取装置的输入端与随机共振装置相连，第二通讯模块的输入端与第一通讯模块相连，检测结果显示装置与第二通讯模块相连。本专利技术一种水下机器人多普勒故障随机共振检测装置还可以包括：1、随机共振装置包括随机共振电路，随机共振电路包括随机共振电路输入端、随机共振电路输出端、第一-第七电阻、电容、积分器、反向器、第一-第二可调电阻、第一-第二乘法器，随机共振电路输入端与PC104模块化系统相连，第一电阻一端与随机共振电路输入端连接，第一电阻另一端与电容、积分器反向输入端连接，积分器的正向输入端与第六电阻一端连接，第六电阻另一端接地，积分器的输出端与第四电阻一端连接，电容另一端分别与第二乘法器的一个输入端、第一乘法器的两个输入端连接，第一乘法器的输出端与第二乘法器的另一个输入端连接，第二乘法器的输出端与第一可调电阻的一个固定端连接，第一可调电阻的另一个固定端接地，第一可调电阻的可调端与第五电阻一端连接，第五电阻另一端与积分器反向输入端连接，第四电阻另一端分别与反相器的反向输入端、第二电阻的一端连接，反相器的正向输入端与第七电阻连接，第七电阻的另一端接地，反相器的输出端分别与随机共振电路输出端、第二可调电阻的一个固定端连接，第二电阻的另一端分别与随机共振电路输出端、第二可调电阻的一个固定端连接，第二可调电阻另一个固定端接地，第二可调电阻的可调端与第三电阻一端连接，第三电阻的另一端与积分器的反向输入端连接。本专利技术一种水下机器人多普勒故障随机共振检测方法，其特征是：(1)PC104模块化系统采集多普勒数据，对多普勒数据采用滑动窗进行截取，当截取到数据的长度为L时，进行下一步；(2)对截取的多普勒信号进行自适应随机共振调整：将截取的多普勒数据作为双稳随机共振系统的输入信号，固定双稳随机共振系统结构参数b，按固定步长λ从0开始调节双稳随机共振系统结构参数a，并计算评价指标信噪比SNR，当SNR出现局部极大值时，取此时a值为最佳结构参数，随机共振调整结束，随机共振系统输出信号即为实现了随机共振的多普勒数据；(3)对上一步获取的随机共振系统输出信号进行N层小波分解，小波基函数为“X”，取第N层小波分解后的细节系数模极大值M作为多普勒数据的故障信号特征；(4)计算故障系数R，R＝M/τ，τ为故障阈值；(5)根据步骤(4)计算得出的故障系数R，与1进行比较以判断是否发生故障：当R≥1时，此时多普勒发生故障，在检测结果显示装置处显示故障并报警，提示操作者终止水下机器人作业；当R<1时，则多普勒工作状态正常，PC104模块化系统继续采集多普勒数据，舍弃原数组第一个数据并将新采集回来的数据放在原数组的末尾形成新数组，使数据长度始终未L并返回步骤(2)。本专利技术一种水下机器人多普勒故障随机共振检测方法还可以包括：1、数据长度L＝600；双稳随机共振系统结构参数b＝1，步长λ＝0.1；小波分解层数N＝3，小波基函数“X”为“db1”；故障阈值τ＝0.2837。本专利技术的优势在于：本专利技术在抑制水下机器人多普勒传感器信号中所含外部随机干扰的同时，增强故障信号能特征，解决现有传感器故障检测方法受外部干扰和量测噪声影响，多普勒故障漏检问题。附图说明图1为本专利技术装置的结构示意图；图2为随机共振装置的电路图；图3为本专利技术方法的流程图；图4为传统方法水下机器人多普勒突跳故障检测结果图；图5为本专利技术的水下机器人多普勒突跳故障检测结果图；图6为传统方法水下机器人多普勒恒偏差故障检测结果图；图7为本专利技术的水下机器人多普勒恒偏差故障检测结果图；图8为水下机器人多普勒传感器原始信号频谱分析图；图9为本专利技术的装置处理后水下机器人多普勒传感器信号频谱分析图。具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述：结合图1～9，本专利技术所提水下机器人多普勒故障随机共振检测装置如图1所示，包括：PC104模块化系统1，随机共振装置2，故障特征提取装置3，通讯模块I4，通讯模块II5，故障检测显示装置6。其中PC104模块化系统1安装于水下机器人电子舱内；随机共振装置2安装于水下机器人电子舱内，电路如图2所示，其中电路的输入端S与PC104模块化系统1电路相连，电阻R1一端与电路的输入端S连接，电阻R1另一端与电容C1、积分器IC1反向输入端连接，积分器IC1的正向输入端与电阻R6一端连接，电阻R6另一端接地，积分器IC1的输出端与电阻R4一端连接，电容C1另一端分别与乘法器E的一个输入端、乘法器D的两个输入端连接，乘法器D的输出端与乘法器E的另一个输入端连接，乘法器E的输出端与可调电阻K1的一个固定端连接，可调电阻K1的另一个固定端接地，可调电阻K1的可调端与电阻R5一端连接，电阻R5另一端与积分器IC1反向输入端连接，电阻R4另一端分别与反相器IC2的反向输入端、电阻R2的一端连接，反相器IC2的正向输入端与电阻R7连接，电阻R7的另一端接地，反相器IC2的输出端分别与电路的输出端X、可调电阻K2的一个固定端连接，电阻R2的另一端分别与电路的输出端X、可调电阻K2的一个固定端连接，可调电阻K2另一个固定端接地，可调电阻K2的可调端与电阻R3一端连接，电阻R3的另一端与积分器IC1的反向输入端连接，该电路图组成双稳系统，式中s(t)为多普勒输入信号，x为双稳系统输出信号，a、b为双稳系统结构参数，随机共振装置2将PC104模块化系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下机器人多普勒故障随机共振检测装置，其特征是：包括安装于水下机器人电子舱内的PC104模块化系统、第一通讯模块、随机共振装置、故障特征提取装置以及安装在陆地上的第二通讯模块和检测结果显示装置，PC104模块化系统分别与第一通讯模块、随机共振装置和故障特征提取装置的输出端相连，故障特征提取装置的输入端与随机共振装置相连，第二通讯模块的输入端与第一通讯模块相连，检测结果显示装置与第二通讯模块相连。

【技术特征摘要】
1.一种水下机器人多普勒故障随机共振检测方法，其特征是：(1)PC104模块化系统采集多普勒数据，对多普勒数据采用滑动窗进行截取，当截取到数据的长度为L时，进行下一步；(2)对截取的多普勒信号进行自适应随机共振调整：将截取的多普勒数据作为双稳随机共振系统的输入信号，所述双稳随机共振系统包括随机共振电路输入端、随机共振电路输出端、第一-第七电阻、电容、积分器、反向器、第一-第二可调电阻、第一-第二乘法器，随机共振电路输入端与PC104模块化系统相连，第一电阻一端与随机共振电路输入端连接，第一电阻另一端与电容、积分器反向输入端连接，积分器的正向输入端与第六电阻一端连接，第六电阻另一端接地，积分器的输出端与第四电阻一端连接，电容另一端分别与第二乘法器的一个输入端、第一乘法器的两个输入端连接，第一乘法器的输出端与第二乘法器的另一个输入端连接，第二乘法器的输出端与第一可调电阻的一个固定端连接，第一可调电阻的另一个固定端接地，第一可调电阻的可调端与第五电阻一端连接，第五电阻另一端与积分器反向输入端连接，第四电阻另一端分别与反相器的反向输入端、第二电阻的一端连接，反相器的正向输入端与第七电阻连接，第七电阻的另一端接地，反相器的输出端分别与随机共振电路输出端、第二可调电阻的一个固定端连接，第二电阻的另一端分别与随机共振电路输出端、第二可调电阻的一个固定端连接，第二可调电阻另一个固定端接地，第二可调电阻的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张铭钧，刘维新，殷宝吉，刘星，王玉甲，赵文德，姚峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23