（机械电子工程专业论文）模块化水下机器人及其故障诊断研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学位论文 捅斐 随着对海洋研究与探索活动的日益增多，水下机器人技术领域也日益受 到国内外研究人员的重视。但是水下机器人所能搭载的设备有限，尤其是微 小型水下机器人，这显然无法满足水下机器人功能多样化的要求。因此，基 于模块化技术进行水下机器人体系结构研究，通过模块化水下机器人的重构 实现功能多样化是水下机器人技术领域的重要问题之一。 本文基于模块化技术研究水下机器人体系结构，在水下机器人的结构功 能模块化设计方面进行了相关研究工作，并基于模块化水下机器人进行了基 本运动控制及故障诊断方面的研究。本文主要进行了以下几个方面的工作： 1 、基于模块化技术原理，研制了模块化水下机人本体基本功能模块，并 基于使用功能对水下机器人的硬件系统平台进行了模块划分，实现了硬件模 块与本体模块的统一，形成了控制模块舱体、驱动模块舱体及执行模块舱体 三大基本功能模块，同时解决了模块间接口标准化的问题，实现了模块化水 下机器人可重构性的结构特点。 2 、提出了一种“二级密封”的密封方法，实现了模块化水下机器人对每 个模块单元部分密封及组装后整体密封的要求，确保了水下机器人能够安全 的工作：同时完成了推进器保持架、罗盘屏蔽盒、连接体等一些零部件的研 制工作。 3 、研制了模块化水下机器人硬件系统平台，确定了总体控制系统方案， 并完成了控制软件的开发，实现了对该模块化水下机器人的基本运动控制以 及运行状态的监测。 4 、基于e l m a n 神经网络对水下机器人运动状态进行了建模，并基于执 行器系统的工作原理和特点，建立了执行器系统模型，设计了水下机器人执 行器系统的故障模拟方法，并对执行器系统几种典型故障进行了监测与诊断， 总结出了相应的诊断规则。 本文基于模块化技术对水下机器人体系结构的研究方法进行了探讨，研 制了模块化水下机器人试验样机一“海梭号”，实现了系统集成。水池试验 结果表明了“海梭号 作为研究用模块化实验载体的有效性和可行性。 关键词：水下机器人；模块化结构；执行器系统；故障诊断 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go fr e s e a r c ha n de x p l o r a t i o nt ot h eo c e a nd a yb yd a y , t h e f i e l do fa u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l et e c h n o l o g yg e t s c o g n i t i o n sf r o mt h e d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h e r sm o r ea n dm o r e b u te v e r yu n d e r w a t e r v e h i c l ec a no n l yl o a dl i m i t e d e q u i p m e n t s ，e s p e c i a l l yf o r t h em i n i a t u r eb o d y , w h i c hc a n ts a t i s f yt h er e q u e s tt ot h ef u n c t i o nd i v e r s i f i c a t i o no fu n d e r w a t e r v e h i c l eo b v i o u s l y t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho na u v ss y s t e ms t r u c t u r eb a s e do n t h em o d u l a rt e c h n o l o g yi so n eo ft h ei m p o r t a n tp r o b l e mi nt h ef i e l do fa u v s t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，w ed ot h er e s e a r c ho na u v ss y s t e ms t r u c t u r eb a s e do nt h e m o d u l a rt e c h n o l o g ya n dc a r r yo nt h er e s e a r c hw o r ki nm o d u l a rd e s i g no fa u v s s t r u c t u r ea n df u n c t i o n a n dw ed ot h er e s e a r c ho nt h eb a s i cm o v e m e n tc o n t r o la n d t h ef a u l td i a g n o s i sb a s e do nt h i sm o d u l a r i z e da u v f o l l o w i n g sa r et h em a i n w o r k so f t h i st h e s i s ： f i r s t l y ，w ed e v e l o pa n dm a n u f a c t u r et h eb a s i cf u n c t i o nm o d u l e so fa u v s m e c h a n i c a lb o d yb a s e do nt h em o d u l a rt e c h n o l o g y p r i n c i p l e s a n d a u v s h a r d w a r es y s t e mp l a t f o r mg e t st h em o d u l ed i v i s i o nb a s e do nt h ef u n c t i o no f u s e a g e ，w h i c hr e a l i z e st h eu n i f i c a t i o nb e t w e e nt h eh a r d w a r em o d u l e sa n dt h e m e c h a n i c a lb o d ym o d u l e s a u v st h r e ef u n c t i o nm o d u l e s ，i n c l u d i n gt h ec o n t r o l m o d u l ec a b i n ，t h ed r i v i n gm o d u l ec a b i na n dt h ee x e c u t i v em o d u l ec a b i n ，a r e f o r m e db ys u c hw a yo fm o d u l e d i v i s i o n s i m u l t a n e o u s l y ，w es o l v et h ec o n n e c t i o n s t a n d a r d i z a t i o nq u e s t i o no ft h em o d u l e sa n dr e a l i z et h er e s t r u c t u r ef e a t u r eo f m o d u l a r i z e da u v s e c o n d l y ，w ep u tf o r w a r dt h es e a lm e t h o dn a m e d “d o u b l e s e a l ”，w h i c h r e s o l v e st h es e a lp r o b l e m so fe a c hm o d u l eu n i tp a r ta n dt h ew h o l ea s s e m b l yb o d y a l lo ft h e s ea b o v eg u a r a n t e et h es a f e t yo fa u vw h e ni tw o r k su n d e rw a t e r m e a n w h i l e ，w ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo t h e ra c c e s s o r i e si n c l u d i n gp r o p e l l e r r e t a i n e r , s h i e l d e db o xo fc o m p a s s ，j o i n tp a r t sa n de t c t h i r d l y ，w ed e v e l o p et h em o d u l a r i z e du n d e r w a t e rv e h i c l e sh a r d w a r es y s t e m ， d e t e r m i n et h eo v e r a l lc o n t r o ls y s t e m p l a na n dc o m p l e t et h ed e s i g no fc o n n o l s o f t w a r e ，w h i c hr e a l i z et h eb a s i cm o v e m e n tc o n t r o la n dm o t i o nm o n i t o r i n go ft h i s u n d e r w a t e rv e h i c l e f i n a l l y ，w ec o m p l e t et h em o t i o nm o d e lo ft h i su n d e r w a t e rv e h i c l eb a s e do n t h ee l m a nn e u r a ln e t w o r ka n dt h ec a p a b i l i t ym o d e lo f p e r f o r m a n c es v s t e mb a s e d o n1 t sw o r k p r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r s w ed e s i g nt h em e t h o do ft h ef - a u l t s 1 m u l a t i o no fp e r f o r m a n c es y s t e m ，m o n i t o ra n dd i g n o s i ss e v e r a l t y p i c a lf a u l t s a n ds u m m a r i z et h ed i a g n o s i sr u l e so ft h e s ef a u l t s i nt h i sp a p e r , w em a k et h er e s e a r c h0 1 1a u v s s y s t e ms t r u c t u r eb a s e do nt 1 1 e m o d u l a rt e c h n o l o g y , a n dd e v e l o pam o d u l a r i z e du n d e r w a t e rv e h i c l ee x p e r i m e n t p r o t o t y p en a m e d “s e a s h u t t l e ”w er e a l i z et h es y s t e m si n t e g r a t i o n t h er e s u i t so f p o o lt e s ti n d i c a t et h ev a l i d i t ya n d f e a s i b i l i t yo f “s e a - s h u t t l e a sam o d u l a r e x p e r i m e n tp l a t f o 肋f o rt h er e s e a r c h k e yw o r d s ：a u t o n o m o u su n d e r w a t e r s y s t e m ；f a u l td i a g n o s i s v e h i c l e ；m o d u l a rs t r u c t u r e ；p e r f o r m a n c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性2 声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：兰虹 日期：碉年弓月- z 3 日 哈尔滨- 丁程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 。1 课题研究的背景和意义 2 1 世纪是人类向海洋进军的世纪，海洋作为人类尚未丌发的宝地和高技 术领域之，已经成为各国的重要战略目标，也是近几年国际上激烈竞争的 焦点之一。水下机器人作为一种高技术手段在海洋开发和利用领域的重要性 不亚于宇宙火箭在探索宇宙空间中的作用。目前，随着对海洋资源需求的f 1 益增大，无论从科学研究还是实际生产等方面的需要来看，人类对广袤而神 秘海洋的探索会愈来愈频繁。可以预见，在不远的将来，水下机器人将扮演 着越来越重要的角色。 由于水下机器人不可能一次搭载很多的仪器设备，尤其对于体积小的水 下机器人来说搭载没备的数量更是非常有限，而水下机器人一旦建造完成 后，其结构和使用功能就基本确定了，这从很大程度上限制了水下机器人的 使用。从理论上来讲，机器人是一种柔性设备，它能通过编程来适应新的工 作，然而实际应用中很少使用这种情况。基于模块化技术来研究水下机器人 的体系结构恰恰解决了这个问题，通过基本功能搭模块搭配其它不同的功能 模块，便可以使水下机器人灵活地选择搭载完成任务所需要仪器设备，这样 不仅从很大程度上丰富了水下机器人的使用功能，也节约了大量的建造费 用，同时利于水下机器人形成工程化、规模化生产。由于模块化水下机器人 在未来具有极为广阔的应用前景，发达国家已经投入了大量的入力物力研发 这类智能载体，并己研制出技术相当成熟系统样机，并成功应用于军事和科 研领域。 近些年来，随着海洋研究和开发的不断深入，水下机器人面临着更高智 能水平的要求。而由于水下作业任务的多样性及水下环境的复杂未知性使得 水下机器人控制技术面临着更高的要求与挑战。故障诊断技术的出现，为提 高水下机器人的可靠性和更好的完成、执行复杂作业任务开辟了一条新的道 路。目前，水下机器人故障诊断技术已经成为水下机器入控制研究领域的一 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 个热点，国内外许多科研人员在这方面进行了大量的工作。 综上所述，基于模块化技术研究对水下机器人体系结构的研究以及对水 下机器人执行器系统故障诊断相关技术的研究具有一定的实际意义。 1 2 模块化水下机器人发展现状 1 2 1 水下机器人类型 机器人的种类很多，我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为 两大类，即工j j k 机器人和特种机器人【l 】o 所谓工业机器人就是面向工业领域 的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、 用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：水下机器人、娱乐机 器入、军用机器人、农业机器入等。在特种机器人中，有些分支发展很快， 有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人等。 目前水下机器人主要分为载人水下机器人( m a n n e du n d e r w a t e rv e h i c l e ) 和无人水下机器人( u n m a n n e du n d e r w a t e rv e h i c l e ) 两类，其中无人水下机器人 又可分为有缆水下机器人( r e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e ) 币1 无缆水下机器人 ( u n m a n n e du n t e t h e r e ds u b m e r s i b l e ) ，而无缆水下机器人又有遥控型和完全自 主型( a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ) 两种，这些统称为水下机器人，具体还 可以细分为遥控型、曳航式、自主型等【2 圳。也有按照水下机器人的体积重量 来分类的，把水下机器人分为微小型水下机器人、轻型水下机器人和人型水 下机器人等【5 j 。 理论上讲，模块化技术可以用于上述任何一种形式的水下机器人的研制 过程中，本文研究的重点是基于模块化设计方法来研究水下机器人的体系结 构，因此具体来说本文所研究的水下机器人应属于具有模块化特征的水下机 器人。 1 2 2 模块化设计技术 水下机器人作为一种科技含量较高的机电产品，首先从其使用方面考虑， 我们希望水下机器人能够完成较多的工作，但是实际上一个水下机器人( 尤 2 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 i - m 其是小型水下机器人) 无法搭载很多的仪器设备，因此当一个水下机器人建 造完成之后，其使用功能也就在一定范围内确定了。基于模块化思想对水下 机器人进行设计建造，就从某种程度上解决了水下机器人使用功能相对单一 的问题，通过对本体的模块化设计，除研制主模块外，还同时研制与主模块 相配套的不同的功能模块，这样在水下机器人使用的时候只需要更换相应的 功能模块就可以实现水下机器人的多功能化，同时也有利于提高水下机器人 的标准化程度。 所谓模块，是指一组具有同一功能的联结要素，但有不同用途( 或性能) 和结构，能够互换的各个单元。模块是组成模块化系统的基本单元，模块可 以是由一个零件组成的，也可能是一个组件或者部件。一个产品应分成几个 模块及模块中应包括那些零件等问题均是在模块化中很重要的问题。运用模 块化设计技术应注意以下三个方面的主要内容： ( 一) 模块化必须具备的四个条件：一 ( 1 ) 具有独立的功能 每一个模块都具有自己特定的功能，该功能是总功能中的一个组成部分， 这种功能将可以单独进行调试； ( 2 ) 具有联接要素 每一模块与其他模块组合后体现总功能要求，但这种组合不是简单的叠 加，而是通过一定的连接形式进行组合，为使每一模块的联结形式通用，这 种连接形式应该是标准化的； ( 3 ) 具有互换性 各模块之问应是可以互换的，这样才能便于各模块之间的组合，以得到 不同功能的要求。联结要素的互换性是模块互换性的组成部分，而更主要的 是不同功能模块组合后仍可满足原定的需要； ( 4 ) 是一组有不同用途的，不同结构的基本单元 这里需要特别强调的是一组不是单一的，因为只有是一组不同用途、不 同结构的基本单元，才可以有选择地经不同的组合后达到不同的功能要求以 适应不同的需要。若是单一的就没有选择的余地，那么组合后的功能也就不 可能是所有区别的。而这一组的基本单元就是模块，这些模块不应是大小上 的区别，而应是用途和结构上的区别。 3 哈尔滨t 槔大学硕十学位论文 m lm ( 二) 模块划分的所要满足的基本原则： ( 1 ) 模块应该具有自身的独立性 它不应依附在其他模块上而应完整地独立存在，以完成规定的功能。这 样的模块易于组合成各种变形产品； ( 2 ) 要用有限的数目的模块构成大量的不同组合的产品 这与块规的组合具有相同的性质； ( 3 ) 模块的稳定性 在划分模块时，要注意这些模块及组成模块的基件的稳定性，即这些基 件变化应是较少的。因为随着科学技术的发展，某些结构将被淘汰，直接影 响到模块的重建，模块的易变对生产、管理等均是不利的。为此可将变化可 能较大的基件单独组成模块以适应新的变化； ( 4 ) 模块的经济性 在进行系统抽象时，通过构思要建立经济合理的模块。模块的经济性主 要体现在模块的通用性上，可通过大批量生产降低生产成本。即使对一些专 用性的模块，批量小但由于其形状结构简单，加工方便，同样能体现出模块 的经济性。 ( 三) 模块化设计与标准化的关系 标准化比起模块化来说，具有更悠久的历史，标准化是对重复事物和概 念通过制定标准、实施标准来达到统一。在实际工作中，标准化的形式是多 种多样的，但简化、通用化、系列化、组合化是标准化的基本形式。模块化 与这些基本形式有着许多相似之处，相互交叉、相互渗透。可以说，模块化 与标准化的关系是相互依存、相互促进的。 在模块确定以后，为了能充分利用模块的组合可能性，其关键在于保证 组件的一致性以及配合面的成对性，这就要通过标准化来实现，模块标准化 为产品的高附加值提供了有效的手段【6 】。因此： ( 1 ) 模块标准化和互换性是模块化应用的前提； ( 2 ) 模块化将为标准化开拓了新的领域，同时也对标准化提出了更高的要求， 使标准化更具有针对性； 对于水下机器人来说，模块化设计包括机械本体的模块化设计、硬件系 统的模块化设计以及控制软件系统的模块化设计等几个方面，模块化设计可 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以体现在整体形式上，也可以体现在局部功能或结构上，本文所研究的模块 化设计指的是水下机器人体系结构上模块化设计包括机械本体及硬件系统 的模块化设计。 123 模块化水下机器人国内外研究现状 水卜机器人的研制水平体现了一 个国家的综合技术力量，迄今为止已 经有数以几干计的各种形式的水下机 器人问世n 近年柬国外对模块化自 治潜水器a u v 领域的相关研究与丌 发予以很大的关注与投入。模块化水 下机器人作为水下机器人领域的一个图11 模块化水下机器人一g a v i a 新兴的研究方向，由于技术资金等方面雄厚的优势，使得国外在模块化水下 机器人的研究领域处于领先地位，例如冰岛已经开发出性能很高的模块化水 f 机器人g a v i a 。山于高度的模块化设计使得g a v i a 只有便丁：携带、可 重构、易于更换电池、维护费用低、装拆方便等优点，并已经达到了 i t 量化 生产的商业水平，这种模块化水下机器人在军事、民用和科研等方面的盹用 都取得了成功h j 。 图12 水下机器人g a v i a 模块划分 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 在模块化水下机器人研究领域，我国科研机构也紧随国外先进发展方向， 进行了大量的研究一 作，下而主要介绍一下国内在模块化水下机器人研究领 域中具有代表性的研究成果。 随着我国对海洋矿产及生物资 源、大洋环流和气候变异等科学考 察活动的广泛开展，要求一种具有 陛能可靠、价格便宜、体积小、使 用方便的新概念水下机器人，它必 须能根据作业环境、作业内容来快 速组合相应功能模块：针对这种需 求和我国国情，中科院沈阳自动化图i3 普及型水下机器人样机 研究所采用市面上常见的型材作为水下机器人本体成功丌发出一种普及型 模块化自治水下机器人样机，使水下机器人成为一种廉价的、普及性的试验 工具。其外形如图13 所示。丌发这种水下机器人所而临的首要问题是如何 选择符模块之问的连接形式柬满足水下机器人的上述要求_ 】。其模块化卜要 体现在载体各环节的连接上，具有定的可重构性，虽然其模块化程度不是 很高，所有部件还是处于一个密封舱内，但却是对模块化水下机器人非常有 意义的探索。 1 3 水下机器人故障诊断技术发展现状 水下机器人作为智能体的试验平台，在其主要研究焦点之一的智能系统 的研究巾，实现机器人工作状态的诊断作为智能体智能行为的重要体现，正 同益受到研究者们的重视，并已经提到j 下式研究日程中来。 aj h e a l e y 等指出，“水下机器人全面的故障检测与诊断是非常复杂 的，处理这种复杂性的一种自然的思路就是通过分解的方法，即分别建立各 主要子系统的故障检测与诊断系统” i0 1 。 131 水下机器人故障诊断的方式 一般的，对于水下机器人进行故障检测有两种方式：基于硬件的故障检 哈尔滨工程大学硕十学位论文 测和基于软件的故障检测。前者专门通过监控传感器监测硬件状态，这种方 法虽然直接可靠，但使得水下机器人的硬件设备变得复杂，需要额外的空间 来安装这些硬件设备，增加了水下机器人的重量和建造成本。基于软件的故 障检测通过各种传感器的数据推测水下机器人是否处于故障状态。这种间接 的方式可以比较运动状态的估计值与测量值来实现，例如比较水下机器人的 动力学模型输出和实际输出j 。 1 3 2 水下机器人故障诊断国内外研究概况 尽管各种故障诊断方法在一些领域中已经得到了广泛的应用，但是这些 方法在水下机器人故障诊断中的应用仍然处于起步阶段。 下面简要介绍一下国外在水下机器人的故障诊断方面的研究概况： ( 1 ) 英国威尔士大学机械研究中心研究了开架式水下机器人“u r i s ( u n i v e r s i t yo fg i r o n a ) 和“f a c l o n ”( s e a e y em a r i n el t d ) 的故障诊断和容错 控制系统( f d a s ) 。该系统由两个子系统组成：故障诊断子系统( f d s ) 矛n 容错 控制子系统( f a s ) 。f d s 用于相当于每个推进器的故障诊断单元( f d u ) 来检测 其状念，它基于白组织映射和聚类分析，是一种混合的、在线的、与模型无 关的方法。在训练阶段，f d s 根据试验中获取的数据信息束提取自身组织特 性：在故障检测阶段，通过比较特征向量在映射表中的位置来判断故障的类 型【1 2 1 3 1 。 ( 2 ) 日本东京大学在他们所开发的“t w i n b u r g e r ”水下机器人上采用了 一种基于模型的故障诊断的方法。提出了用回归神经网络构造水下机器人动 力学模型的方法来对水下机器人进行故障诊断。将实际传感器的输出值与模 型的预测值进行比较，当两者之间的差值大于给定的阈值时，认为出现故障， 查故障模式表确定故障类型。当现有信息不足以确定故障类型时，让水下机 器人运行预定的故障检测程序( 如匀速直航、横移) ，进行故障定位。如果 诊断为传感器故障，则可以进行取代控制( 即用神经网络模型的输出替代发 生故障的传感器的输出) i t 4 l 。 ( 3 ) 苏格兰爱丁堡h e r i o t w a t t 大学计算机与电机工程系海洋实验室的研 究人员提出了一种综合多源化信息的故障诊断r e c o v e r y 系统，整个系统 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 被划分为三个空间，这三个空间分别对应着各个类型传感器的输出，同类型 传感器的组合，以及能够提供对诊断有用的信号的所有传感器的观测值。它 将信息分为五类：设计参数、传感器信号、任务指令、故障模式以及先验知 识，并采用故障模式与结果分析( f m e a ) 的方法获取更多的信息，将这些信息 应用于三个空间实现故障诊断i l ”。其工作量较大，对硬件系统要求高，不便 于应用的扩展。 f 4 ) 意大利海军自动化学院在基于近似的水动力模型基础之上，先后扩 展了卡尔曼滤波器( e k f ) n 滑模观测器( s m o ) 用于水下机器人“r o b y 2 ”的故 障诊断。他们考虑执行器发生完全故障和部分故障的情况，并给出了试验的 结果。另外，他们还将神经网络估计器用于水下机器人的故障诊断1 1 6 - 1 9 。 图1 4 “f l a c o n ”水下机器人图1 5 “t w i n - b u r g e r 2 ”水下机器人 图1 6 “u r i s ”水下机器人图1 7 “r o b y 2 ”水下机器人 f 5 1 美国维吉尼亚( v i r g i n i a ) z 业大学机械工程系振动与声学实验室针对 美国海军研究生院研制的“n f s ”无人水下机器人，“n p s ”是一种结构比 较特殊的操舵型水下机器人，通过模拟舵机和传感器的故障，采用滑模观测 器进行了执行器与传感器系统的故障诊断研究刚。 啥尔滨工程大学硕士学位论文 ( 6 ) 普利茅斯大学与克兰菲尔德大学联合开发的流线型水下机器人 “h a m m e r h e a d ”，研究者通过模糊逻辑技术，将扩展卡尔曼滤波器( e k f ) 和 简单的卡尔曼滤波器( s k f ) 用于该水下机器人执行器系统与传感器系统的故 障检测与信号恢复方面的研究1 2 。i 。 图18 “n p s ”水下机器人图19 “h a m m e r h e a d ”水下机器人 固内方面，哈尔滨工程大学在水下机器人故障诊断方面也做了大量的研 究。刘建成“刖改进e h n a n 网络对水下机器人建模，通过比较模型输出与实 际输出进行故障诊断，用带渐消因子的扩展k a l m a n 滤波器对无故障及每个 推力器故障进行建模，分析残差进行故障诊断，并用ds 证掘理论融合方法 将两种诊断方法得到的结果进行决策级融合：王丽荣2 32 4 】应用小波变换、滑 模状态观测器等多种方法对水下机器人控制系统故障珍断技术进行了研究； 王玉甲”等采片j 模糊神经网络及遗传算法对水下机器人运行状态进行了监 测；孙瑞琛“等采用径向基神经网络方法建立了水下机器人传感器故障诊断 模型及其故障恢复模型，实现了传感器故障监测。 1 4 课题来源与论文的主要研究内容 141 课题来源 本课题来源于教育部博士点基金项目“水下机器人故障自诊断关键技术 研究”( 项目编号：2 0 0 7 0 2 1 7 0 1 7 ) 。 随着a u v 的功能拓展，系统复杂度在不断增加，其安全性越来越受到 9 一 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 广泛的高度重视。在复杂海洋环境下，对a u v 缺少有效的观察和通讯手段， 很难进行人为现场实时监控，同时a u v 本身是十分复杂的系统，一旦在工 作中出现故障，轻则会造成功能失效影响任务完成，重则导致机器人的沉没 丢失，造成政治、技术及情报方面的重大影响与损失。正确认识水下机器人 系统状态监测与故障诊断的本质特征，建立较完善的自主故障诊断系统，对 提高水下机器人可靠性和安全性具有重要的科学意义和实际应用价值。 1 4 2 论文的主要研究内容 根据上述分析及具体研究需要，本文将完成以下工作： 1 、基于模块化技术研究水下机器人体系结构。研制模块化水下机器人功能 模块，根据模块化技术原理对水下机器人本体结构和硬件平台系统在功 能上进行模块化分，并实现本体功能模块与硬件系统功能模块的统一； 2 、 解决模块化技术给水下机器人研制带来的共性问题。模块化水下机器人 要求每个功能模块以及模块整机组装后的水下机器人整体都都要具有良 好的密封性能；模块间要有的统一的、标准的机械接口和电气接口，体 现其模块特征：模块水下机器人可重构性的实现形式； 3 、研制模块化水下机器人硬件系统平台，并基于该硬件系统确定总体控制 系统方案及丌发控制软件平台，实现对该模块化水下机器人基本运动控 制。根据故障诊断研究及故障模拟实验的需要，基于神经网络建立水下 机器人运动状态模型，并建立执行器系统性能模型； 4 、进行相关的室内水池试验。验证作为研究试验载体的模块化水下机器人 的可靠性与可行性；基于执行器系统性能模型进行水池故障模拟试验， 并基于神经网络的方法进行模块化水下机器人执行器系统故障诊断的研 究。 1 0 哈尔滨啊￥人学硕十学位论文 第2 章模块化水下机器人本体结构研制 2 1 引言 水下机器人的本体结构研制是一项系统工程，需要根据水下机器人研制 的根本原则，在了解水下机器人的使用要求，熟悉内部所要搭载设备的工作 特点等情况的基础上，使用最合理结构来实现水下机器人的本体结构。 对于模块化水下机器人来说，由于基于模块化技术而使得其研制难度加 大，除了要满足水下机器人基本设计要求外，模块化技术还对水下机器人的 研制提出了新的要求，例如模块如何划分、模块单元结构的实现方式、模块 单元的密封性、组装整体的密封性及模块化水下机器人可重构特点的实现方 式等，这些问题也正是模块化设计技术特点的体现。本章详细介绍了模块化 技术给水下机器人研制带来的共性问题的解决方法。 2 2 水下机器人的模块单元 水下机器人的本体通常由耐压壳( 体) 和外部结构组成，前者主要用于 承受水压，后者即支撑了耐压壳体以及外部设备，有减少潜水器的阻力和水 下障碍物的缠绕的作用【27 1 。同时耐压壳的内部还要放入各种各样的电子设 备，如果是载人潜器，还将直接关系到内部操作人员的生命安全，因而，合 理地设计耐压壳将对水下机器人的性能具有重要的影响。 模块化水下机器人的本体结构和普通的水下机器人相比，由于基于模块 化设计技术，模块化水下机器人的耐压壳被划分成了若干个模块单元，必然 要大量使用标准化的结构和零部件，这就增加了设计难度。同时模块化水下 机器人可以把体积设计的比较小，这就决定了其在进行结构设计的过程中要 做到精益求精，要根据自身小型化的设计特点，在每个细节上都要使其结构 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 符合小型化的特殊要求。 2 2 1 模块单元构造 模块单元的结构实现形式有很多，主要有法兰安装式、拉紧螺杆式和螺 纹旋紧式等，采取何种方式主要取决于内部搭载设备的安装、密封要求以及 实现的难易程度等。本文所研制的模块化水下机器人整体结构采用的是铝制 材料，而且体积很小，内部留给搭载设备的安装空间有限，而且能采用的加 工方法也受到限制，因此我们在一个铝制圆筒状耐压壳体两端安装圆形挡板 ( 舱体挡板) ，通过拉紧螺杆两端拉紧的结构形式来实现模块舱体的单元结 构，具体形式如图2 1 所示。 拉 图2 1 模块单元的实现形式 具体实现方式是：模块舱体都由舱挡板通过4 个拉紧螺杆拉紧，使得每 个模块舱体相对于外界都是严格密封的，同时4 个拉紧螺杆在舱体内部形成 了一个空间架结构，水下机器人所需要搭载的设备都可以利用这4 个拉紧螺 杼，通过堆栈式结构紧密地安装在舱体内的这个空间架上，这样的结构使舱 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 体内部的有限空间得到了充分利用。 2 2 2 标准化模块接口研制 模块之间的连接( 即模块接口) 是水下机器人模块化设计的一个关键， 模块连接的一致性体现了水下机器入的模块化程度，独立的水下机器入功能 模块应具有统一的机械连接接e l 和电气连接接口，接口的一致性可以保证各 功能模块组合时的可靠性与水下机器人功能的稳定性，并体现模块的标准化 程度。 本文提出了一种简便易行的标准机械接口连接方法，解决了模块问的机 械连接问题，同时使用标准防水器件解决了模块间的电气连接问题，实现了 对模块组装的便捷、可靠的要求。 ( 1 ) 机械连接接口 模块之间的连接方式是各模块能否方便组装成水下机器人整体的关键， 在进行机械连接接口时，我们尝试了很多连接方式，比如卡口式连接、螺纹 式连接等，但是从客观条件、可实现性、接口的统一性及标准化难易程度等 方面综合考虑，我们选择了一种更适合的结构来实现模块间的机械连接，即 自行研制的模块化水下机器人每个模块的端部均采用了常见的、统一的标准 连接结构，通过标准螺栓连接在一个具有统一结构的连接体上，实现了模块 与模块间的对接。具体实现形式如图2 2 所示。 ( 2 ) 电气连接接口 模块与模块之间需要有必要的信号及能源的传输，可以通过电气连接接 c i 来实现，同时对于水下机器人的模块来说，还要考虑到水密性的安全要求， 因此模块化水下机器人的电气接口采用了标准的防水连接器作为模块间的电 气接v i ，将防水电器接口安装在舱挡板上，通过两端带防水插头的防水电缆 线( 即防水连接器) 便可以实现电气连接( 如图2 2 所示) 。经过在实际水 环境中的实验证明，这样的电气结构即使在水中也能保证模块间信号与能源 安全j 下常的传输。 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 2 3 模块化水下机器人的密封 密封性是水下机器人在水下环境中安全工作的基本保证，也是水下机器 人研制的一个难点，模块化水下机器人由于其结构的特殊性，对其密封性能 又提出了新的要求，即在满足水下机器人的整体密封的同时，各个模块也需 要有单独密封要求，只有这样才能保证模块化水下机器人能在一个绝对安全 的状态下工作。 本文基于自行研制的模块化水下机器人的结构特点提出了一种“二级密 封”的密封方法，即水下机器人的各个模块单元分别密封，同时在模块组装 后进行整体密封，实现了模块化水下机器人的密封要求。 具体实现方法是：连接体两端连接 模块后形成了一个特殊的空间结构 连接模块舱，它的特殊性体现在其并不 是一个独立存在的模块舱，只有在功能 模块舱体通过连接体连接时7 j 能形成， 而且其使用功能也相对灵活，除了具有 模块连接这个基本功能外，还形成了一 个“二级密封 结构，第一级密封由连 接体上的密封圈实现，第二级密封由各 个舱体端盖上密封圈实现，即使模块连 接处出现漏水情况，那么舱体上的第二 级密封仍能保证模块内部设备安全工作。 湖湫 霪 l ju 荔b 缓 j 霪参 翼霾 尽辩 , - j 广1 i 亭制 媳撼 杆 图2 2 “二级密封”结构 这个“二级密封”结构将内部搭载 设备与外部水环境完全隔离开，确保了模块化水下机器人具有很高的密封安 全性。如图2 2 所示。 另外，如果在实际使用中需要某些设备需要直接与外部的水环境接触， 同时还不能破坏水下机器人的外部形体结构，那么可以将连接体做适当的加 长，此时的连接舱体第一级密封失效形成透水舱，在该透水舱内便可以安装 1 4 哈尔滨1 ：程人学硕十学位论文 需要与水环境直接接触的器件，这时连接舱体的第二级密封仍然有效，舱体 之间的电器结构本身就具有密封性能，仍然可以保证正常工作，这种结构即 没有使水下机器人的排水体积有很大的增加，同时又保证了水下机器人整体 外形。 2 3 模块化水下机器人的可重构性 水下机器人的种类繁多，目前的水下机器人多是为了特定目的而设计建 造的，一旦机械本体结构制造出来就很难甚至无法改变其自身的结构，就其 外观结构而言，水下机器人主要有两种结构，即流线式( 办称封闭式) 结构 和框架式( 敞丌式) 结构两种。顾名思义，流线式结构是将水下机器人所包 含的大部分仪器、设备封装在一种流线型的壳体内；而框架式结构是将上述 器件分别固定在一个特定设计的框架( 或者载体) 上，分别与水相接触。这 两种结构各自有各自的优缺点，因而这两种结构有各自特定的应用领域，由 于两者在结构上的不同，使得流线式结构与框架式结构这两种结构之间不具 有通用性和互换性，这个不足之处使得水下机器人在实际应用中会受到了一 定的局限，也必然会造成很大的浪费，基于模块化设计技术的水下机器人建 造方法可以从某种程度上解决这个问题。 2 3 1 水下机器人的本体模块划分 基于模块化设计思想，根据实验室现有的客观条件，按照功能将水下机 器人的本体分为三大基本功能模块，由这个划分原则我们分别研制了控制模 块舱、驱动模块舱、执行模块舱及各舱体之间的连接体和舱体挡板。如图2 3 所示。 罗盘附属 模块舱 控m 0 模块脆 舱件挡扳 连接体 图2 3 模块化水下机器人主要构成模块 另外，还根掘实际需要设计了其它一些附属零件。主要零件如图24 图 2 6 所示。 图2 4 舵输出夹板图2 5 推进器保持架图2 6 罗盘屏蔽盒 其中，舵输出夹板一端用来固定舵叶，同时另外一端与执行模块舱体内 部的步进电机连接，实现舵系统的传动连接；推进器保持架是执行模块舱的 外部结构，用柬固定螺旋桨推进器和导流罩；罗盘放置于罗盘屏蔽盒内，安 装在附属模块上，该附属模块和控制模块舱的一端用螺栓连接在一起，形成 罗盘附属模块舱，这个舱体同连接模块舱相似，也是一个安装后形成的舱体。 附属模块的圆周上安装有密封圈，这样只要附属模块舱和控制模块舱连接， 罗盘就被封装在了舱体之内，这样罗盘也处于一个二级密封舱内，这个二级 哈尔滨= 程大学硕士学位论文 密封结构的第级密封是由两个舱体连接处的密封圈实现的，第二级是山罗 盘屏蔽盒构成。 所有模块舱与零部件多采用了标准结构和标准件，使得整个水下机器人 具有定的标准化程度，按流线形式整体组装后如图2 7 所示。 如图27 流线式整体组装图 232 水下机器人可重构性的实现 模块水下机器人一个最显著的特点就是其具有一定的可重构性，这个特 点是由模块的划分以及各模块的结构和功能特点等因素决定的。可重构性涵 盖的范围很广，可以是结构上的可重构，也可以是功能上的可重构，可以是 硬件上的可重构，也可以是软件上的可重构，其实现形式也很多。 具体地说，模块化水下机器人的可重构性应该体现在以下几方面： ( i ) 用户应能很方便地拆散和装配各种模块组成不同的机器人构形满足特定 的工作要求： ( 2 ) 构造的机器人构形使用的模块数和模块类型应尽可能地少； ( 3 ) 用户对控制软件的修改也不应做复杂的操作； ( 4 ) 装配的模块化机器人应能立即工作，完成实际任务口“。 本文主要研究的是模块化水下机器人在体系结构上的可重构性。自行研 制的模块化水下机器人由十划分了几个基本功能模块，因此使得水下机器人 】7 哈尔滨 ：程大学硕七学位论文 通过对模块使用方法的不同，再加上少量的附属部件便可以实现机器人本体 结构的转变。除了前面已经介绍过的流线式组装方式以外，我们还进行了其 它重构形式魄理论设计，具体方法如下： 首先，在两大功能模块( 即控制模块 舱和驱动模块舱) 两端各加装一个大端盖 ( 如图2 8 所示) ，用螺栓把紧之后，仍 然形成一个两端具有二级密封功能的模块 舱，大端盖上安装有防水连接器，用于新 形成的功能模块舱与外界之间的电气连 接。将两个新的功能模块舱体放置于一个 安装有四个带导流罩的水下推进器的框架 之上，将必要的电气连接用防水连接器接 大 通，这样只需经过简单的装配便可以实现图2 8 加装大端盖示意图 水下机器人在外形上从流线式向框架式的转变。如图2 9 所示。 图2 9 模块化水下机器人框架式组装图 这种结构的优点在于，水下机器人的下沉和前向行进可以分开控制，这 样的控制更易于实现，缺点是结构显得笨重，而且在水中航行时受到的水阻 哈尔滨_ r ：程大学硕士学位论文 nim 力比较大，