【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种仿真系统及方法，属于水下机器人控制及仿真。
技术介绍
1、水下机器人携带多种传感器进行海洋探测，其作为海洋勘探的重要工具。长期使用、环境干扰、机械损坏、电气元器件损坏等都是影响传感器故障的主要因素，使得传感器输出的测量值不准确，无法获取准确的水下机器人定位。若错误的传感器测量值参与到机器人的闭环运动控制中，则导致机器人出现失稳、偏航等现象，增加水下机器人丢失的风险，造成经济损失及不良的社会影响。因此，为保障水下机器人的安全性与稳定性，传感器的故障诊断与容错控制是十分重要的。
2、传统的故障诊断基于离线的海试数据进行分解和变换等处理实现故障诊断，主要集中在研究方法上的改进与创新，而不能实现实时故障诊断。本专利将机器人的数学模型与传感器的物理模型相结，设计一种半物理仿真系统，可根据机器人不同的应用场景，模拟出传感器不同类型的故障，能实时诊断传感器故障并重构出正确的控制量，有效避免传感器故障导致机器人发生危险。相比于传统的硬件测试，半物理仿真系统具有省时省力、灵活性好、可重现性好的优点，能提高水下机器人的安全性。
技术实现思路
1、本专利技术为解决传统的故障诊断基于离线的海试数据进行分解和变换等处理实现故障诊断，主要集中在研究方法上的改进与创新，而不能实现实时故障诊断的问题，进而提出一种水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真系统及方法。
2、本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：本专利技术所述仿真系统由动力学仿真模块、主控模块和故障诊断与容
3、进一步的，所述动力仿真模块由动力仿真计算机和串口服务器组成；仿真计算机运行机器人的动力学模型，并负责解算机器人状态信息，将模拟的传感器信息通过以太网发给串口服务器，在动力学仿真模块中映射出多路传感器信号。
4、进一步的，所述主控模块采用pc104嵌入式计算机，与串口服务器之间通过串口形式通信，用于接收传感器信息，根据机器人的状态信息及pid控制方法生成控制律，所述主控模块输出机器人的控制量。
5、进一步的，所述故障诊断与容错控制模块使用另一pc104嵌入式计算机，与所述主控模块之间采用以太网方式通信，接收所述主控模块传递的传感器信号，并在所述故障诊断与容错控制模块中给出容错后正确的传感器数据，将其回传给所述主控模块，所述主控模块生成控制量，再将控制量分别以串口、以太网的形式发送给所述动力学仿真模块和所述故障诊断与容错控制模块，实现故障诊断与容错控制模块功能的半物理仿真。
6、本专利技术所述仿真方法的步骤包括：
7、步骤1、所述动力学仿真模块中设置发生故障的传感器、故障的起始节拍和截止节拍、故障的幅值、故障的类型，以及期望的状态，即期望速度、深度、艏向角度，并启动动力学仿真模块；
8、步骤2、依次启动所述主控模块、故障诊断及容错模块；
9、步骤3、初始化所述动力学仿真模块和故障诊断及容错模块中的状态量及主控模块的控制量信息；
10、步骤4、判断当前运行节拍数是否为程序运行的最后一拍，如果是，则程序停止，反之，继续；
11、步骤5、所述动力学仿真模块运行模型，生成传感器数据，将生成的传感器信息与机器人的期望状态通过串口将数据发送给主控模块；
12、步骤6、所述主控模块对读取的串口数据进行整理，通过以太网将其发送给所述故障诊断及容错模块；
13、步骤7、所述故障诊断及容错模块统对收到的数据进行诊断及容错，生成容错后的状态量，通过以太网将其发送给主控模块；
14、步骤8、主控模块通过pid生成控制量，通过串口将其发送给动力学仿真模块，通过以太网其发送给故障诊断及容错模块；
15、步骤9、所述动力学仿真模块和故障诊断及容错模块进行控制量的更新；
16、步骤10、重复步骤4至步骤9，直至程序停止，依次关闭所述故障诊断与容错模块、主控模块、动力学模型仿真计算机。
17、进一步的，步骤1中所述动力学仿真模块、故障诊断与容错控制模块分别存放机器人动力学模型，在动力学仿真模块中设置传感器的故障信息及机器人的期望状态。
18、进一步的，步骤5中所述动力学仿真模块中模拟的多种传感器信息，这些传感器之间存在冗余信息，将这些信息传递主控模块。
19、进一步的，步骤6中为提高后续故障诊断与容错控制模块的处理效率，所述主控模块将传感器信息做分类处理，通过以太网把每类信息送给故障诊断与容错控制模块。
20、进一步的，步骤7中所述故障诊断与容错控制模块中动力学模型输出的状态信息，和从主控模块中接收到的每类传感器信息进行比较；当传感器信息和模型输出的状态量的绝对误差值小于阈值的情况下，则说明传感器无故障，将多传感器信息进行融合，并将其传递给主控系统，同时主控系统生成控制量；当传感器与模型输出的状态量的绝对误差大于阈值的情况下，则说明传感器出现故障，此时故障诊断与容错控制模块将给出传感器故障的提示信息，并通过多数表决原则融合出正确的传感器信息，将其发送给主控模块。
21、进一步的，步骤9中所述主控系模块收故障诊断与容错控制模块发送来的准确的传感器信号，主控模块基于pid控制方法生成的控制律，输出机器人的控制量，并将控制量分别以串口、以太网的形式发送到动力学仿真模块和故障诊断与容错控制模块，生成下一节拍的传感器信息及模型状态量。
22、本专利技术的有益效果是：本专利技术专利提出的水下机器人传感器故障诊断与容错控制的半物理仿真系统，半物理仿真系统由动力学仿真系统、主控系统、故障诊断与容错控制系统组成，可以模拟不同的传感器故障，实时诊断传感器故障，并重构出正确的传感器信息，生成控制量，完成传感器的故障诊断与容错。通过半物理仿真排除设计的错误，验证传感器故障诊断与容错控制方法的有效性，确保海试实验的成功，提高水下机器人的安全性。
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1.水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真系统，其特征在于：所述水下机器人传感器故障诊断与容错控制的半物理仿真系统由动力学仿真模块、主控模块和故障诊断与容错控制模块组成。
2.根据权利要求1所述的水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真系统，其特征在于：所述动力仿真模块由动力仿真计算机和串口服务器组成；仿真计算机运行机器人的动力学模型，并负责解算机器人状态信息，将模拟的传感器信息通过以太网发给串口服务器，在动力学仿真模块中映射出多路传感器信号。
3.根据权利要求1所述的水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真系统，其特征在于：所述主控模块采用PC104嵌入式计算机，与串口服务器之间通过串口形式通信，用于接收传感器信息，根据机器人的状态信息及PID控制方法生成控制律，所述主控模块输出机器人的控制量。
4.根据权利要求1所述的水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真系统，其特征在于：所述故障诊断与容错控制模块使用另一PC104嵌入式计算机，与所述主控模块之间采用以太网方式通信，接收所述主控模块传递的传感器信号，并在所述故障诊断与容错控制模块中给出
5.水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真方法，其特征在于：所述水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真方法是通过如下步骤实现的：
6.根据权利要求5所述的水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真方法，其特征在于：步骤1中所述动力学仿真模块、故障诊断与容错控制模块分别存放机器人动力学模型，在动力学仿真模块中设置传感器的故障信息及机器人的期望状态。
7.根据权利要求5所述的水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真方法，其特征在于：步骤5中所述动力学仿真模块中模拟的多种传感器信息，这些传感器之间存在冗余信息，将这些信息传递主控模块。
8.根据权利要求5所述的水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真方法，其特征在于：步骤6中为提高后续故障诊断与容错控制模块的处理效率，所述主控模块将传感器信息做分类处理，通过以太网把每类信息送给故障诊断与容错控制模块。
9.根据权利要求5所述的水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真方法，其特征在于：步骤7中所述故障诊断与容错控制模块中动力学模型输出的状态信息，和从主控模块中接收到的每类传感器信息进行比较；当传感器信息和模型输出的状态量的绝对误差值小于阈值的情况下，则说明传感器无故障，将多传感器信息进行融合，并将其传递给主控系统，同时主控系统生成控制量；当传感器与模型输出的状态量的绝对误差大于阈值的情况下，则说明传感器出现故障，此时故障诊断与容错控制模块将给出传感器故障的提示信息，并通过多数表决原则融合出正确的传感器信息，将其发送给主控模块。
10.根据权利要求5所述的水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真方法，其特征在于：步骤9中所述主控系模块收故障诊断与容错控制模块发送来的准确的传感器信号，主控模块基于PID控制方法生成的控制律，输出机器人的控制量，并将控制量分别以串口、以太网的形式发送到动力学仿真模块和故障诊断与容错控制模块，生成下一节拍的传感器信息及模型状态量。
...【技术特征摘要】
1.水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真系统，其特征在于：所述水下机器人传感器故障诊断与容错控制的半物理仿真系统由动力学仿真模块、主控模块和故障诊断与容错控制模块组成。
2.根据权利要求1所述的水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真系统，其特征在于：所述动力仿真模块由动力仿真计算机和串口服务器组成；仿真计算机运行机器人的动力学模型，并负责解算机器人状态信息，将模拟的传感器信息通过以太网发给串口服务器，在动力学仿真模块中映射出多路传感器信号。
3.根据权利要求1所述的水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真系统，其特征在于：所述主控模块采用pc104嵌入式计算机，与串口服务器之间通过串口形式通信，用于接收传感器信息，根据机器人的状态信息及pid控制方法生成控制律，所述主控模块输出机器人的控制量。
4.根据权利要求1所述的水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真系统，其特征在于：所述故障诊断与容错控制模块使用另一pc104嵌入式计算机，与所述主控模块之间采用以太网方式通信，接收所述主控模块传递的传感器信号，并在所述故障诊断与容错控制模块中给出容错后正确的传感器数据，将其回传给所述主控模块，所述主控模块生成控制量，再将控制量分别以串口、以太网的形式发送给所述动力学仿真模块和所述故障诊断与容错控制模块，实现故障诊断与容错控制模块功能的半物理仿真。
5.水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真方法，其特征在于：所述水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真方法是通过如下步骤实现的：
6.根据权利要求5所述的水下机器人传感器故障诊断与容错控制的仿真方法，其特征在于：步骤1中所...
【专利技术属性】
技术研发人员：王玉甲，李嘉文，于爱迪，刘星，李佶桃，姚峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：
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