激光测距机的故障诊断研究

1、 目录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc22050 1、研究背景和意义 PAGEREF _Toc22050 3 HYPERLINK l _Toc30126 2、 激光测距系统的认识 PAGEREF _Toc30126 3 HYPERLINK l _Toc26302 2、1脉冲式激光测距原理 PAGEREF _Toc26302 3 HYPERLINK l _Toc19106 2、2激光测距机系统 PAGEREF _Toc19106 3 HYPERLINK l _Toc18216 3、 激光测距机故障诊断相关方法概述 PAGEREF _Toc18216 4 HYPER

2、LINK l _Toc12465 3、1粗糙集理论 PAGEREF _Toc12465 4 HYPERLINK l _Toc4026 3、2 RBF 神经网络 PAGEREF _Toc4026 4 HYPERLINK l _Toc13539 3、3RBR 和 CBR 理论 PAGEREF _Toc13539 5 HYPERLINK l _Toc32522 3、4 RCM理论 PAGEREF _Toc32522 5 HYPERLINK l _Toc12900 3、5 故障字典法 PAGEREF _Toc12900 6 HYPERLINK l _Toc26325 3、6 本章小结 PAGEREF

3、_Toc26325 6 HYPERLINK l _Toc4660 4、 基于故障字典法的激光测距机的故障诊断 PAGEREF _Toc4660 6 HYPERLINK l _Toc22896 4、1故障诊断依据 PAGEREF _Toc22896 6 HYPERLINK l _Toc32096 4、2故障字典的建立 PAGEREF _Toc32096 7 HYPERLINK l _Toc25495 4、2、1故障子集的划分 PAGEREF _Toc25495 7 HYPERLINK l _Toc15884 4、2、2 故障字典的建立 PAGEREF _Toc15884 8 HYPERLINK

4、l _Toc15822 4、2、3故障字典的编制 PAGEREF _Toc15822 9 HYPERLINK l _Toc11738 5、 参考文献 PAGEREF _Toc11738 9 1、研究背景和意义光电装备作为战场上的感知器，在现代高技术战争中发挥着不可替代的重要作用。其技术与结构复杂程度日益增加,用传统人工判断的方法进行故障检测与诊断越来越困难,有的根本实现不了。我军现役的光电装备主要包括可见光仪器、激光目标指示器、红外热像仪、微光夜视仪4类,其现代化、自动化程度越来越高。就最典型的激光装备激光测距机为例,它是集电子、光学、机械为一体,结构精密、工作原理复杂的光电系统,其故障诊断非

5、常复杂和困难,装备一旦出现故障,无论故障大小,一概送厂修理,直接造成时间与经济的巨大损失。随着技术的发展，激光测距不仅用于军用，在民用上也发展的十分迅速，所以对于激光测距机的故障诊断的研究具有十分重要的意义。激光测距系统的认识2、1脉冲式激光测距原理脉冲激光测距原理是用激光器向被测目标发射单个或一串脉冲宽度很宽的激光脉冲,激光脉冲到达被测目标后反射回来,通过测量脉冲从发射到返回所经过的飞行时间,可算出测距机与目标之间的距离。飞行时间t可由计数器从开始到停止所经过的时钟脉冲的周期个数来测量,设在这段时间内,时钟脉冲的周期为T,进入计数器的脉冲个数为n ,则被测距离。2、2激光测距机系统激光测距系

6、统主要有三大部分组成：激光发射部分、激光接受部分和信号处理部分。整个电路的工作过程为:发射电路接收到控制系统的发射触发信号后,脉冲发生电路产生电脉冲,驱动电路对脉冲功率进行放大用以驱动激光器产生激光脉冲,与此同时,脉冲发生电路产生脉冲信号作为计数器开始计数的开启信号;脉冲到达待测目标表面后会发生漫反射,反射的回波信号必须先经聚焦透镜聚焦,再经过光电探测器接收并转换为电信号,最后经过脉冲放大电路的放大、滤波整形后输出一个停止计数信号,将该信号发送到计数器的停止计数端。计数电路的作用是接收到控制电路的触发脉冲信号时开始计数,收到接收电路的回波信号时停止计数,记录的脉冲个数送到控制计算电路;控制计算

7、电路向激光发射电路和计数电路发出触发脉冲信号,并且对接收到的数据进行相关计算,最后将计算结果送交显示电路进行显示,显示电路的功能是显示待测目标和测距系统之间的测量距离。下面是脉冲激光测距的结构框图：图1 脉冲激光测距结构框图激光测距机故障诊断相关方法概述3、1粗糙集理论 粗糙集理论作为处理含糊性和不确性信息的数学工具，它不需要任何先验知识，充分利用数据本身提供的信息，在保持系统分类能力不变的情况下，通过知识约简从大量的数据信息中发现某些问题的基本知识或规则。由于粗糙集理论能够在不需要数据任何附加信息的情况下分析数据中隐藏的事实，所以它在专家系统、数据挖掘、模式识别、决策分析等领域有着非常广泛地

8、应用。3、2 RBF 神经网络 神经网络在1985年有Powell提出，在国内也有近二十年的发展过程，它作为信息处理的一种手段，已经被成功的应用到了多个领域。BP（Back Propagation）网络作为神经网络模型之一，得到了广泛、有效地应用，己经证明，在隐含层足够多时，BP网络能够逼近任何非线性映射关系，但因为误差曲面是一个超曲面，且该曲面相当复杂，因此，BP网还有很多问题。径向基函数( Radial BasisFunction，RBF)网络是有Moody和Darken提出的一种三层前向网络，它具有全局逼近性质、最佳逼近性能、结构上具有输出-权值线性关系、训练方法快等优点，是一种性能良好

9、的前向网络，能确切地描述实际神经元的响应基于感受野这一特点，因此，RBF网络在性能上优于BP网络。3、3RBR 和 CBR 理论 基于规则的推理（RBR）是专家系统中最简单、最常用的一种推理方法，它将领域专家的知识表示成IFTHEN的形式。早期的专家系统大多是基于规则的，基于规则的专家系统使用知识库中的规则，对具体的问题和数据进行推理，通过推理机获得新的信息。近年来国内外基于规则的专家系统已经有很多成功的范例。基于案例的推理（CBR），即基于实例的推理，是一种相似的推理方法，它处理问题的方式和人类类似，当对一个问题求解时，首先在知识库中寻找是否有类似的案例，若有则直接采用对以前类似案例的处理经

10、验来处理该案例；假若是以前没有遇到过的案例，则通过对旧案例的回忆或类比，从中获得提示或指导，针对新旧案例的差异做相应调整，从而得到新问题的解并形成新的案例输入到案例库中，用作对以后问题的求解依据。3、4 RCM理论以可靠性为中心的维修即 RCM，是一种系统的工程过程，主要用来优化维修制度、确定设备的预防性维修需求。RCM 作为一种分析、判断方法，进行 RCM 分析的目的是以最小的经济代价实现或接近实现复杂系统及设备的固有可靠性水平。在 RCM 的分析过程中，首先对被研究对象的功能、故障情况进行分析，确定系统可能发生的故障、引起故障的原因及故障后果，然后用一定的逻辑决策方法，确定各种故障所对应的

11、最佳维修方式（事后维修、定期维修、状态维修），最后根据现场的各类数据，在损失最小的条件下优化维修策略。3、5 故障字典法 故障字典法诊断故障的基本思想是:首先提取电路(系统)在各种故障状态下的电路特征(如测试点的支流电位向量、网络的幅频特性等),然后将特征与故障一一对应关系列成一个字典。在实际诊断时,只要提取电路(系统)的实时特征,就可以从故障字典中查出此时对应的故障。 按照故障特征,可将故障字典法分为两大类:直流故障字典法,它的故障特征是电路的直流工作点(一般仅取节点的直流电位)的偏移;另一类是交流故障字典法,它的故障特征是电路幅频(或相频)特性的转折点的移动。3、6 本章小结 激光测距机的

12、常见故障约有90%的故障是由电源电路和其他模拟电路引起的，所以对测距机的故障诊断也就是对模拟电路的故障诊断。通过对以上方法分析，发现故障字典法是目前模拟电路故障诊断中最具有实用价值的方法，有诊断条件限制少、简单有效、实用性强和工程应用较多等优点。依据故障字典法的基本思想，根据测距机电路原理和故障特点，对故障进行分析归类，利用专家经验，提出了一种基于故障案例和电路原理分析的故障字典。该方法便于工程实现，具有较好的实用性。基于故障字典法的激光测距机的故障诊断4、1故障诊断依据 故障诊断依据主要有两种。一是激光测距机的故障特征，包括：旋钮、开关控制功能失常；目标距离显示不正确；相关信息显示不正确；相

13、关反应不正常等。 二是电缆口信号故障特征。 一般激光测距机都有传递信号的电缆口，其内部电路故障可能会在电缆口信号上有反映，成为故障诊断的依据，但缆口信号一般只 是激光测距机内部电路信号的很少部分，对故障诊断的帮助有限。 因电路系统是激光测距机的重要构成部分，而且其故障占激光测距机故障总 数目的90%以上，故研究故障诊断，应该主要针对电路故障研究诊断理论和方法， 考虑到故障字典法适用于诊断电路故障，所以可用于实现激光测距机故障的快速诊断。建立激光测距机故障字典，要根据积累的激光测距机维修经验，确定可以诊断故障的集合，并求出激光测距机存在故障集合的每个故障时对应的故障特征，制成故障与特征对应的字典

14、。如果字典中每个故障对应的特征各不相同，就可以直接查字典得到故障诊断结论。4、2故障字典的建立建立合理有效的故障字典是工程实现的关键，在该设计中首先对测距机常见的故障进行归类划分，把故障划分为多个相互独立的故障子集，再分别对故障子集建立字典。4、2、1故障子集的划分故障子集的划分借鉴了故障树的思想，将测距机的故障按照现象及产生原因自上而下进行模块划分，把每个电路单元作为一个故障子集，每个故障子集对应相应电路的各个模块，每个模块实现一个功能，对应一个故障字典编码。根据相关理论可以将故障模式继续分解，直至最小可更换单元。但是这样会加大测量工作和计算量，使故障字典更为庞大，难以实现。为此，在该诊断仪

15、的工程实现中，充分利用了专家经验，进行故障梳理。归纳故障特征#选择合适的测试点，使测量和诊断更为简单。如某测距机不能发射激光，在进行整机检测时，没有触发压，则判定是电源电路出现故障，再对电源电路的高压模块进行检测，故障诊断和故障排除。下图是激光测距分类模式图：图2 激光测距机故障模式分类图4、2、2 故障字典的建立 建立故障字典的基本思想是以故障子集为依据，尽可能采用最简洁的故障特征表示故障状态。在建立过程中，本着建立步骤简单，电路测点少，计算量小，不考虑元件的容差，仅进行功能性验证等原则，大大减少测前/后处理的工作量。建立故障字典的步骤是采集电路在不同信号激励下的不同测试点的输出信号，并由此

16、编制故障字典。因此，激励信号的选择是其难点，测试点的选择和故障字典的编制是其重点。 首先是激励信号的选择。目前，在电路检测领域内还没有一种输入激励信号的通用方法和程序，通常根据电路原理或通过对电路进行灵敏度分析，逐步得到能隔离故障集中所有故障的激励信号。在本文中，激励信号的选择主要依据两方面：一是测距机正常工作时各电路单元所需要的信号；二是测距机出现常见故障时各电路单元所需要的信号。由于测距机工作时都是直流信号，且信号多为简单的脉冲等控制信号。因此，可以利用FPGA芯片进行信号的模拟和控制，需要注意的是要控制好激励信号的时序、脉宽和幅度。 再就是测试点的选择。测试点的选择应遵循在故障集中故障均

17、可隔离的前提下，使测点数目最少，且能获得较多的故障信息。经过分析和整合，测试点包括三部分：1、测距机自带的整机测试端口，可以实现整机的信号采集；2、各电路单元的板件接口，可以实现各板件的整版检测，概略判断故障的位置；3、板上各模块的测试点，按照故障子集中的电路模块进行设置测试点，尽量选择能获得故障信息量最多的故障点或模块作为实际使用的测试点。4、2、3故障字典的编制 当测距机出现故障时，各测试点的测试值有可能变化范围较大，因此，在编制字典时，首先把整机测试端口在正常工作状态下的测试值编成特征向量，作为整机功能是否正常的判断依据；其次，把各电路测试点在常见故障状态下测试值编入向量，作为故障字典。

18、如果各向量的数值均在允许范围内，则诊断仪显示测距机功能正常。如果有个别向量出现误差，则诊断仪会根据向量信号的产生来源提示某电路单元出现故障。参考文献1 黄文虎等编著.设备故障诊断原理、技术及应用M. 科学出版社, 1996 2 孙斌,万强,郭延龙,林轶. HYPERLINK /kcms/detail/detail.aspx?filename=GXGD200405010&dbcode=CJFQ&dbname=CJFD2004&v= t /kcms/detail/frame/_blank 激光测距机故障检测软件的优化J. 光学与光电技术. 2004(05) 3 欧阳宏志,廖湘柏,刘华. HYPERLINK /kcms/detail/detail.aspx?filename=DZKK200812025&dbcode=CJFQ&dbname=CJFD2008&v= t /kcms/detail/frame/_blank 模拟