基于稀疏表示的汽车发动机故障诊断系统和方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于稀疏表示的汽车发动机故障诊断系统，它包括：ＤＳＰ模块，用于运行诊断算法；ＩＤＥ模块，用来存储故障档案数据库、待检信号数据库及诊断结果备案数据库；网络接口模块，用来接收来自网络的汽车发动机声音信号，并且发送诊断结果；Ｉ／Ｏ模块，用于提供人机交互机制；ＦＰＧＡ模块，用于系统控制和各模块之间的接口适配。本汽车发动机故障诊断方法包括：预处理、稀疏分解、故障档案和待检信号特征提取、分类算法训练、故障诊断、诊断结果分析、故障档案数据库和待检信号数据库更新、截止判决、诊断结果输出。本发明专利技术能实现对汽车发动机声音信号的远程诊断，所需故障档案数据库小，诊断正确率高，成本低，便于维护和升级。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及汽车发动机故障诊断技术，具体涉及基于稀疏表示的汽车发动 机故障诊断系统和方法。
技术介绍
汽车发动机工作过程中发出的声音包含了大量的机械运行信号，当发动机 发生故障时，它振动的声音及其频谱便会出现变异和失真。因而通过对发动机 发出的声音信号进行分解，使得声音信号中的有用信号与无用信号能够分离， 然后提取信号的特征，可以检测到发动机的运行状态，从而对其进行故障诊断。目前，利用汽车发动机声音信号进行故障诊断的系统主要是基于PC机的，也有部分是基于嵌入式架构的，但整体的结构没有改变，都是从传感器获得发 动机声音信号，然后进行处理，无法实现远程故障诊断，而且成本较高，升级 和维护困难。另一方面，已有的故障诊断方法为了获得较高的精度，必须预先建立规模 庞大的故障档案数据库以提取判别能力良好的信号特征，在实际应用中既耗费 了大量的成本又不方便。而且汽车发动机运动形式复杂多样、激励源多，声音 信号的谐波属于非平稳信号，构成极为复杂，实际监测往往引入复杂的背景噪 声，造成较强的干扰，传统时域或频域方法难于有效地把握其特点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于稀疏表 示的汽车发动机故障诊断系统，该系统能够对来自网络的汽车发动机声音信号 进行远程故障诊断，而且数据处理能力强大，工作稳定，成本低，便于维护和 升级。本专利技术的目的还在于提供由上述基于稀疏表示的汽车发动机故障诊断系统 实现汽车发动机故障诊断的方法，该方法将诊断可信的待检信号加入故障档案数据库，从而降低建立故障数据的成本，提高检测效率；并且自适应地选择基函数稀疏表示类间差异信号，获得识别能力强的特征，以提高故障诊断的正确 率。本专利技术目的通过下述技术方案实现本基于稀疏表示的汽车发动机故障诊 断系统，包括数字信号处理(DSP)模块、数据存储(IDE)模块、网络接口模块、输入输出(I/O)模块、现场可编程逻辑阵列(FPGA)模块，所述FPGA 模块同时与DSP模块、IDE模块、网络接口模块、1/0模块相连接，DSP模块 同时与IDE模块连接，所述网络接口模块与故障诊断终端信号连接。所述DSP模块用于诊断汽车发动机声音信号，包括DSP芯片及相应的DDR2 内存、Flash芯片等外围器件，所述Flash芯片用于固化故障诊断算法，DDR2 内存用于实现数据的高速运算。所述IDE模块存储有发动机声音信号故障档案数据库、待检信号数据库以 及诊断结果备案数据库。所述网络接口模块采用GSM (GPRS)或有线以太网(10M/100Mbps)等不 同通信方式与故障诊断终端信号连接，接收来自网络的汽车发动机声音信号， 并且发送诊断结果，，完成对远程发动机声音信号采集器的访问和管理。所述I/0模块包括键盘输入接口、液晶显示输出接口、 USB数据导入接口 和JATG调试接口，提供人机交互机制以及系统管理、维护和升级。所述FPGA模块采用ARM9内核或PPC内核，可在内核中移植嵌入式实时 操作系统(如uCOS、 VxWorks等)，用于控制和管理DSP模块、网络接口模块、 IDE模块和I/0模块；上述DSP模块、IDE模块、网络接口模块及I/0模块，均通过FPGA实现 接口适配。所述DSP芯片包括依次连接的预处理模块、稀疏分解模块、故障特征提取 模块、分类算法模块、故障诊断模块、诊断结果分析模块、故障档案数据库更新模块、所述故障te案数据库更新模块同时与稀疏分解模块相连接，所述诊断结果分析模块同时与待检信号数据库更新模块、截止判决模块、诊断结果输出模块依次连接，所述稀疏分解模块与待检信号特征提取模块相连接后分别与故障诊断模块、截止判决模块相连接。所述分类算法攀块为支持向量机模块或其他分类算法模块。 所述稀疏分解模块包括类间差异子模块、超完备基子模块、基函数选择子模块、初始化子模块、逐次分解子模块、分解截止判决子模块，所述类间差异子模块、超完备基子模块同时与基函数选择子模块连接后依次与初始化子模块、 逐次分解子模块、分解截止判决子模块相连接。利用上述基于稀疏表示的汽车发动机故障诊断系统实现汽车发动机故障诊 断的方法，包括下述步骤(1) 系统启动后，FPGA模块负责调度并完成IDE模块、DSP模块、网络接口模块和I/0模块的自检；(2) FPGA模块通过网络接口模块广播系统启动消息，接收故障诊断终端 的应答信息，记录网络拓扑结构，并存储在IDE模块中；(3) 故障诊断终端向系统发送待检的汽车发动机声音信号，该信号通过网 络接口传至FPGA模块，生成待检信号数据库，并存储在IDE模块中；(4) DSP模块在IDE模块中调用故障档案数据库，先通过预处理模块对故 障档案数据库中的发动机声音信号进行预处理；接着通过稀疏分解模块对预处 理后的故障档案类间差异信号进行自适应稀疏分解，选择最优基函数；然后通 过故障特征提取模块计算所选基函数与故障档案信号的内积，提取故障档案特 征；最后通过分类算法模块，利用故障档案特征训练分类算法；(5) DSP模块从IDE模块中取出待检信号，先通过预处理模块对待检信号 进行预处理；接着i过待检信号特征提取模块，计算步骤(4)所选基函数与待 检信号的内积，生成待检信号特征；然后通过故障诊断模块，将待检信号的特 征代入步骤(4)所训练的分类算法，进行故障诊断；最后通过诊断结果分析模 块，依据待检信号特征至分类超平面的距离，设置故障诊断置信度门限，判断 诊断结果是否可信，，若可信，通过故障档案数据库更新模块，将可信的待检信 号加入故障档案数据库，否则，通过待检信号数据库更新模块，将不可信的待 检信号保留在待捡信号数据库；(6) DSP模块通过截止判决模块核査待检信号数据库，若它为空或在前后 两轮诊断中无变化，则将诊断结果汇总并传送至FPGA模t央；否则重复步骤(4)、(5)进行新一轮的诊断；(7) FPGA模块将汇总的诊断结果存入诊断结果备案数据库，并通过网络 接口模块将诊断结果发送至故障诊断终端；上述方法中，预处理模块对故障档案数据库中的发动机声音信号进行预处 理包括选择合适的采样频率、数据长度，利用中值滤波算法去除噪声。上述方法中，预处理模块对待检信号进行预处理包括选择合适的采样频率、数据长度，利用中值滤波算法去除噪声。上述方法中，步骤(4)、 (5)所述的分类算法为支持向量机。上述方法中，当所述故障档案数据库为2分类故障档案数据库时，步骤(4) 所述稀疏分解模块对预处理后的故障档案类间差异信号进行自适应稀疏分解，选择最优基函数，具体包括以下步骤A、 类间差异子模块计算故障档案数据库2类信号均值的差异"W,艮P:其中x(/)为故障档案数据库发动机声音信号，^表示类别标志，/v "2分别为两类信号的数量；B、 超完备基子模块构建超完备基{%(0卜艮P:其中参数&表示基函数的归一化系数，使得||^ |=1，而" ， &， / ， A分别表示基函数的峰值时刻，衰减因子，频率以及初始相位；C、 基函数选择子模块采用匹配跟踪算法和粒子群优化算法，选择少数基函 数稀疏表示故障档案类间差异信号，即,-2X-) ③ 其中^(o为所选基函数，^为稀疏表示系数，^描述了差异信号D(0与基函数之间的相似程度；求解^(f)，本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于稀疏表示的汽车发动机故障诊断系统，其特征在于：包括ＤＳＰ模块、ＩＤＥ模块、网络接口模块、Ｉ／Ｏ模块、ＦＰＧＡ模块，所述ＦＰＧＡ模块同时与ＤＳＰ模块、ＩＤＥ模块、网络接口模块、Ｉ／Ｏ模块相连接，ＤＳＰ模块同时与ＩＤＥ模块连接，所述网络接口模块与故障诊断终端信号连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吕俊，谢胜利，杨祖元，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]